陳永鋒，耿德華，陸志紅，楊曉華，袁松年，周 洲

(1.江蘇先達(dá)建設(shè)集團有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213000；3.東南大學(xué)道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心，江蘇 南京 211189； 4.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 211189)

SBS改性瀝青目前被廣泛應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)中，但隨著不斷增加的車輛荷載對路面功能的需求，SBS改性瀝青在抗疲勞、低溫抗裂等方面的不足使其不能滿足瀝青路面耐久性的要求[1]。由于橡膠瀝青在高溫性能、抗老化性能和耐久性能具有良好的表現(xiàn)[2]，因此將SBS和橡膠粉復(fù)合改性制備瀝青可以充分發(fā)揮SBS和橡膠粉兩種材料的優(yōu)勢，并且對解決“黑色污染問題”有積極作用[3-4]，因而成為道路工作者的研究熱點。

針對廢膠粉和SBS復(fù)合改性瀝青的改性性能和改性后瀝青混合料路用性能，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。Zhang等[5]認(rèn)為膠粉/SBS改性瀝青具有較好的高低溫性能及韌性，同時其存貯穩(wěn)定性并未受到不利影響。陳莉[6]發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青較單一的SBS改性瀝青，針入度明顯下降、軟化點升高，高溫穩(wěn)定性增強；并且延度增大，明顯改善了低溫性能。倪彤元等[7]研究了SBS與廢膠粉復(fù)合改性的機理并提出了廢膠粉與SBS改性劑的摻量范圍。賈成賀等[8]通過膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青混凝土配合比設(shè)計及室內(nèi)試驗對其路用性能分析與評價。崔晟東等[9]發(fā)現(xiàn)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料具有優(yōu)良的黏彈性和堅韌性，良好的抗滑性和行車舒適性。李關(guān)龍等[10]發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青在高溫時更加堅硬，在低溫時更加柔韌，溫度敏感性顯著降低，抗車轍變形能力得到增強。雖然目前對廢膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青的研究已取得一定的成果，但國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合改性瀝青老化機理方面的研究較少，復(fù)合改性瀝青熱氧老化程度對其路用性能的影響對評價其改性效果和耐久性十分重要，因此有必要進(jìn)行深入的研究。

本文首先制備膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青及混合料，制備完成之后將改性瀝青和相應(yīng)混合料進(jìn)行室內(nèi)老化模擬試驗，并分別對老化后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行頻率掃描試驗，對老化后的混合料進(jìn)行力學(xué)性能試驗，分析瀝青和混合料抗裂性能指標(biāo)和老化程度之間的聯(lián)系，評價復(fù)合改性瀝青熱氧老化對其抗裂性能的影響程度。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

1)瀝青。試驗選用鎮(zhèn)江天諾產(chǎn)的SBS改性瀝青，摻量為4.5%。瀝青標(biāo)準(zhǔn)性能試驗結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

2)廢膠粉。膠粉是由廢舊橡膠在機械作用下加工生成的，其主要的制備方法有3種，分別為常溫粉碎法、低溫粉碎法和濕法或溶液法。本研究中普通廢膠粉是通過常溫粉碎法制成，其目數(shù)為30目。將膠粉直接加入到瀝青中制備的橡膠瀝青由于其液固兩相體系和高黏度特性導(dǎo)致儲存穩(wěn)定性與施工和易性較差，造成施工困難，因此需要對橡膠瀝青進(jìn)行進(jìn)一步改性。本研究將普通30目橡膠粉在密煉機中高溫熟化，制備成高聚熟化膠粉(Modified Crumb Rubber，MCR)，改善了膠粉與瀝青的共溶性。技術(shù)指標(biāo)如表2所示。膠粉的摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的6%,9%,12%,15%和18%(制備的復(fù)合改性瀝青簡稱為6%MCR,9%MCR,12%MCR,15%MCR和18%MCR)。

表2 高聚熟化膠粉技術(shù)指標(biāo)

3)集料。研究中采用的集料為：玄武巖1號、2號料，石灰?guī)r3號料和石灰?guī)r礦粉。

1.2 復(fù)合改性瀝青制備方法

首先將SBS改性瀝青加熱至180 ℃，然后加入事先按摻量稱量的高聚熟化膠粉，利用高速剪切儀進(jìn)行膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備。剪切包含預(yù)剪切和正式剪切兩個階段。第一階段為預(yù)剪切，從零開始慢慢升高剪切儀轉(zhuǎn)速，升至3 000 rad/min后剪切15 min左右。第二階段為正式剪切，將剪切儀轉(zhuǎn)速升至6 000 rad/min，保持高轉(zhuǎn)速條件下剪切90 min。利用烘箱將剪切完成后瀝青在130 ℃條件下發(fā)育1 h～2 h至無明顯小氣泡，制備得到復(fù)合改性瀝青，用于后續(xù)瀝青老化試驗及瀝青混合料試驗。

1.3 復(fù)合改性瀝青混合料

利用AC-13G級配進(jìn)行的復(fù)合改性瀝青混合料級配設(shè)計,級配設(shè)計曲線如圖1所示。通過馬歇爾設(shè)計方法流程確定復(fù)合改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%。

1.4 室內(nèi)模擬老化方法

1)瀝青的模擬老化。對復(fù)合改性瀝青進(jìn)行4種不同程度的老化：旋轉(zhuǎn)薄膜短期老化(RTFO)，旋轉(zhuǎn)薄膜老化后壓力老化(PAV)20 h(RTFO+PAV20)，旋轉(zhuǎn)薄膜老化后壓力老化(PAV)40 h(RTFO+PAV40)，旋轉(zhuǎn)薄膜老化后壓力老化(PAV)60 h(RTFO+PAV60)。

2)瀝青混合料的模擬老化。對拌和好的松散狀瀝青混合料進(jìn)行4種不同程度的老化，老化在135 ℃烘箱內(nèi)進(jìn)行，分別老化4 h,8 h,12 h和24 h后取出成型瀝青混合料試件，標(biāo)記為：LTOA4，LTOA8，LTOA12和LTOA24。

1.5 瀝青頻率掃描試驗

眾多學(xué)者通過頻率掃描試驗得到瀝青流變性能參數(shù)，分析研究瀝青的老化機理[11]。本研究采用頻率掃描試驗分析復(fù)合改性瀝青的熱氧老化性能。利用動態(tài)剪切流變儀DSR進(jìn)行試驗，溫度為5 ℃，15 ℃，25 ℃和35 ℃，掃描頻率從100 rad/s到0.1 rad/s，對數(shù)線性差值，掃描應(yīng)變0.01%，試樣直徑8 mm、高度2 mm，每種瀝青選擇2個試樣進(jìn)行平行試驗。

1.6 瀝青混合料半圓彎曲SCB試驗

半圓彎曲試驗(Semi Circular Bending，SCB)被道路工作者采用以評價瀝青混合料的抗裂性能，并基于試驗得到的性能指標(biāo)隨老化程度的變化分析瀝青混合料耐久性能衰變情況[12]。SCB試驗方法眾多，本研究采用的是美國伊利諾伊交通局推薦的SCB試驗方法——SCB-IL，其是在25 ℃下將瀝青混合料半圓試件以50 mm/min的加載速率加載至破壞的試驗，試驗過程中采集半圓試件所受的力和位移數(shù)據(jù)。半圓試件直徑150 mm，厚度50 mm，在圓心處切縫，縫長15 mm。采用旋轉(zhuǎn)壓實成型的方法成型直徑150 mm、高度178 mm的圓柱形試件，而后通過切割的方式獲得半圓試件，研究中SCB試驗平行試件的數(shù)量是3個。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合改性瀝青頻率掃描試驗結(jié)果分析

通過CAM模型對頻率掃描試驗得到的復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ進(jìn)行擬合，得到其復(fù)數(shù)剪切模量和相位角的主曲線，再通過計算得到瀝青的Glove-Rowe(G-R)常數(shù)，根據(jù)G-R常數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律分析復(fù)合改性瀝青的熱氧老化性能。如圖2所示，研究表明G-R常數(shù)可以較好地表征瀝青材料的抗裂性能和老化程度，其計算公式如式(1)所示。計算G-R常數(shù)前利用頻率掃描試驗結(jié)果建立15 ℃條件下的瀝青復(fù)數(shù)剪切模量主曲線和相位角主曲線，而后計算0.005 rad/s頻率下的G*和δ，然后代入到式(1)中即可得到瀝青的G-R常數(shù)。研究者提出瀝青材料的G-R常數(shù)若小于180 kPa，代表瀝青具有很好的抗裂性能，G-R常數(shù)在180 kPa～600 kPa之間，則表明瀝青抗裂性能較差，存在開裂風(fēng)險，G-R常數(shù)大于600 kPa，則表明瀝青抗裂性能很差，容易出現(xiàn)開裂問題。

G-R=|G*|·(cosδ)2/sinδ

(1)

圖3是不同老化程度的復(fù)合改性瀝青G-R常數(shù)結(jié)果，從圖3中可以看出：1)隨著老化程度的加深，瀝青的G-R常數(shù)增加，抗裂性能變差。2)膠粉的摻入對復(fù)合改性瀝青抗裂性能的影響隨著摻量的增加呈現(xiàn)不同的規(guī)律，當(dāng)膠粉摻量不大于12%時，復(fù)合改性瀝青的G-R常數(shù)低于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能好于SBS改性瀝青，但當(dāng)膠粉摻量進(jìn)一步增加時(15%和18%)，復(fù)合改性瀝青的G-R常數(shù)高于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能不如SBS改性瀝青，表明膠粉摻量為12%時，復(fù)合改性瀝青的抗裂性能最佳。3)當(dāng)PAV老化時間達(dá)到60 h時，所有瀝青的G-R常數(shù)呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢，此時各種瀝青的G-R常數(shù)間呈現(xiàn)出顯著的區(qū)分度，表明更長的PAV老化時間有利于準(zhǔn)確評價瀝青的抗裂性能。4)所有瀝青的G-R常數(shù)均小于600 kPa，表明即使在RTFO+PAV 60 h老化的程度下，膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的抗裂性能尚可，雖然存在一定的開裂風(fēng)險，但尚未達(dá)到需要采取必要措施防治其可能出現(xiàn)的大規(guī)模開裂問題的程度。

2.2 復(fù)合改性瀝青混合料SCB試驗結(jié)果分析

SCB-IL試驗評價指標(biāo)為撓性因子(Flexibility Index，簡稱FI)，計算公式如式(2)所示。研究表明當(dāng)FI值大于6時，瀝青混合料具有良好的抗裂性能。

(2)

圖5為不同老化程度復(fù)合改性瀝青混合料SCB-IL試驗結(jié)果，從圖5中可以看出：1)松散料老化4 h后，所有瀝青混合料的FI值均大于6，表明測試的瀝青混合料具有良好的抗裂性能，但隨著老化程度的增加，瀝青混合料的FI值降低，抗裂性能變差，尤其是松散料老化24 h后的瀝青混合料，F(xiàn)I值均小于2，說明此時的瀝青混合料韌性較差，容易發(fā)生脆性破壞，目前國內(nèi)外研究者尚未提出FI指標(biāo)的下限，對于FI指標(biāo)小于某個值后是否應(yīng)限制瀝青混合料的使用場合，此問題仍需要進(jìn)一步研究。但圖5中膠粉摻量為15%和18%的復(fù)合改性瀝青混合料在松散料老化24 h后的FI值小于1，表明其抗裂性能很差，混合料耐久性不佳，對其使用性能有不利影響。2)與復(fù)合改性瀝青抗裂性能相似，膠粉摻入小于12%的復(fù)合改性瀝青混合料的FI值高于SBS改性瀝青混合料，表明抗裂性能提升了。但當(dāng)膠粉摻量進(jìn)一步增加時(15%和18%)，復(fù)合改性瀝青混合料的FI值低于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能不如SBS改性瀝青混合料，表明膠粉摻入超過12%時，復(fù)合改性瀝青混合料抗裂性能變差，摻入最佳量為12%。

2.3 復(fù)合改性瀝青G-R常數(shù)與混合料FI指標(biāo)相關(guān)性

圖6為不同老化程度復(fù)合改性瀝青G-R常數(shù)與混合料FI之間關(guān)系圖。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：復(fù)合改性瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化與復(fù)合改性瀝青混合料松散料4 h老化有著良好的相關(guān)性，擬合優(yōu)度達(dá)0.93；復(fù)合改性瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化+PAV 20 h老化與復(fù)合改性瀝青混合料松散料8 h老化有著良好的相關(guān)性，擬合優(yōu)度達(dá)0.98；復(fù)合改性瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化+PAV 40 h 老化與復(fù)合改性瀝青混合料松散料12 h老化有著良好的相關(guān)性，擬合優(yōu)度達(dá)0.96；復(fù)合改性瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化+PAV 60 h老化與復(fù)合改性瀝青混合料松散料24 h老化有著良好的相關(guān)性，擬合優(yōu)度達(dá)0.96?？梢姙r青混合料松散料老化可以在較短的時間內(nèi)達(dá)到PAV 60 h老化的程度，這為快捷評價瀝青混合料熱氧老化性能提供了參考。

3 結(jié)論

1)熱氧老化程度的增大會導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青G-R常數(shù)增加，也會導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青混合料的FI值降低，表明抗裂性能變差。2)膠粉的摻入對復(fù)合改性瀝青及混合料抗裂性能的影響隨著摻量的增加呈現(xiàn)不同的規(guī)律，當(dāng)膠粉摻量不大于12%時，復(fù)合改性瀝青及混合料的抗裂性能好于SBS改性瀝青，但當(dāng)膠粉摻量進(jìn)一步增加時(15%和18%)，復(fù)合改性瀝青和混合料的抗裂性能不如SBS改性瀝青。膠粉摻量為12%時，復(fù)合改性瀝青的抗裂性能最佳。3)15%和18%膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青在經(jīng)受旋轉(zhuǎn)薄膜短期老化和60 h PAV老化，對應(yīng)的混合料在經(jīng)受松散料24 h老化后，抗裂性能指標(biāo)出現(xiàn)較大幅度下降，表明在經(jīng)受長期老化后，這兩種瀝青及混合料的耐久性出現(xiàn)較大衰減。4)瀝青混合料松散料老化可以較快的達(dá)到瀝青PAV老化的效果，為快速評價瀝青混合料的抗老化性能提供了參考。