大摻量橡膠瀝青混合料的高低溫性能

馬峰 楊田田 傅珍 趙屹峰 張超

摘要 為充分發揮橡膠粉對瀝青的改性優勢，研究大摻量橡膠粉對瀝青混合料高低溫性能的影響。選取油石比為4.5%，橡膠粉摻量為3.5%（占礦料質量比），配制成大摻量橡膠瀝青混合料，與SBS/AC-13、SBS/SMA-13、高模量瀝青混合料和1.5%橡維聯瀝青混合料進行對比研究，并提出高溫受力活塞模型。試驗結果表明：大摻量橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性比SBS/SMA-13、SBS/AC-13好，但不及摻抗車轍劑的高模量瀝青混合料;與1.5%橡維聯瀝青混合料相比，其低溫破壞應變高，破壞時未發生脆性斷裂，表現出更好的低溫柔韌性。大摻量橡膠瀝青混合料高溫穩定性良好，且沒有以降低低溫性能為代價。以骨架嵌擠結構和半剛性填充料協同作用的活塞模型，解釋了其高溫性能良好的原因。

關 鍵 詞 路面工程;大摻量橡膠瀝青混合料;高溫性能;活塞模型;低溫性能

中圖分類號 U414.3? ? ?文獻標志碼 A

Abstract In order to give full play to the modification advantages of rubber powder to asphalt， the effect of high volume rubber powder on the high and low temperature performance of asphalt mixture was studied. The oil-stone ratio is 4.5， the rubber powder content is 3.5% （accounting for mineral powder）， and it is formulated into a large amount of rubber asphalt mixture， with SBS/AC-13， SBS/SMA-13， high modulus asphalt mixture and the new type of rubber asphalt mixture is compared and the high temperature piston forced model is proposed. The test results show that the high-temperature anti-rutting performance of high-volume rubber asphalt mixture is better than SBS/SMA-13 and SBS/AC-13， but it is not as high-module asphalt mixture; and rubber and TOR（1.5%） modified asphalt mixture Compared with the mixture， the high-volume rubber asphalt mixture has high low-temperature failure strain and no brittle fracture at the time of failure， showing better low-temperature flexibility. The high-volume rubber asphalt mixture has good high-temperature resistance to rutting， and it does not reduce the low-temperature performance. The stable skeleton intrusion force and the piston model under the synergy of a large number of rubber powders explain the reason for its high temperature performance.

Key words pavement engineering; large amount of rubber asphalt mixture; high temperature performance; piston model; low temperature performance

0 引言

隨著交通運輸需求的不斷提高，瀝青路面從單一的普通瀝青混合料發展到多種改性瀝青混合料的研究應用，極大改善了瀝青路面的使用性能。目前高聚物改性瀝青的應用比較廣泛，如PE、SBS、EVA、橡膠等改性瀝青性能良好，應用較多[1]。廢棄物如廢舊塑料、植物秸稈、動物糞便等生物質和“白色災害”的聚苯乙烯泡沫廢棄物等改性瀝青也受到廣泛關注[2-4]。廢舊橡膠輪胎用于改性瀝青是“垃圾變寶”的重要先例，在1843年英國就取得橡膠瀝青專利，1991年美國立法回收廢舊輪胎用于路面工程，快速促進了橡膠改性瀝青的發展，直到現在廢舊橡膠粉改性瀝青仍是研究熱點[5]。

國內外對橡膠改性瀝青混合料研究取得了很多成果，瀝青與橡膠有著天然的親和性，能夠改善普通瀝青部分性能。Ignacio Artamendi等學者通過0 ℃的三點彎曲試驗與單邊缺口梁試驗研究了橡膠瀝青混合料的疲勞性能，發現橡膠粉瀝青對混合料疲勞性能有所改善[6]。Rahman， M.M.采用濕法對不同橡膠粉摻量混合料進行了馬歇爾試驗及流變性能分析，認為橡膠粉可以有效提高混合料抗水損害、低溫抗裂性能;0.6 mm的橡膠粉10%的摻量是最優的[7]。肖川采用低溫彎曲試驗進行低溫性能分析，發現橡膠粉改性瀝青具有較低的脆點，較大的低溫應變[8]。吉澤中研究了SBS和橡膠復合改性瀝青，試驗結果表明其高低溫性和水穩性均較優良[9]。陳麗對膠粉與PE復合改性瀝青的配合比設計、路用性能及作用機理進行了試驗研究，結果表明膠粉與PE復合改性優于膠粉單一改性瀝青混合料[10]。在橡膠粉改性瀝青混合料相關研究應用中，橡膠粉摻量一般為混合料質量的0.85%～1.27%;且主要是考慮橡膠粉或橡膠粉復合改性劑對瀝青溶脹發育等物化改性作用，所以摻入廢舊輪胎橡膠粉比例也相對較少[11-13];為了廢舊橡膠粉的大量應用，考慮將部分橡膠粉用于改性瀝青，部分充當彈性細集料，從而提高廢棄橡膠粉摻量。目前關于此思路的大摻量橡膠改性瀝青混合料試驗研究甚少。

因此，本文選取SBS、抗車轍劑和橡維聯等改性瀝青混合料，采用車轍試驗、低溫小梁彎曲等試驗，與大摻量瀝青混合料進行高低溫性能對比研究，分析混合料中瀝青膠結料、骨架結構和細集料等因素對大摻量瀝青混合料高低溫性能的影響，并提出高溫受力活塞模型解釋其抗車轍作用原理，為大摻量橡膠瀝青混合料的研究應用奠定基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青與集料

試驗采用韓國SK70#重交通道路石油瀝青，其技術指標見表1。所用粗細集料均為石灰巖，集料的最大公稱粒徑為13.2 mm，礦粉為細度（0.075 mm篩孔通過率）大于90%的石灰巖，各項指標均滿足技術規范要求。

1.1.2 橡膠粉

采用北京天成墾特萊科技有限公司生產的40目橡膠粉，性能試驗按照《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》進行，具體物理和化學技術指標見表2。

1.1.3 橡維聯

圖1所示為橡維聯材料和連接劑，橡維聯材料是用橡膠粉和維他（TOR）連接劑等主要成分組成，維他連接劑可以促成橡膠粉顆粒和瀝青中的硫元素發生交聯，促進橡膠顆粒和瀝青之間的粘結，提高橡膠改性效果[14]。

1.2 試驗方法

采用干法制備大摻量橡膠瀝青混合料。橡膠粉摻量占礦料質量的3.5%（占混合料質量的3.24%），油石比為4.5%。用體積代換法，既橡膠粉替代同級配、同體積的細集料，使替換前后集料的比表面積和體積基本保持一樣。通過車轍試驗比較大摻量橡膠粉瀝青混合料與SBS/AC-13、SBS/SMA-13和摻高模量抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能，研究大摻量橡膠粉瀝青混合料的骨架結構、膠結料和模量對其高溫性能的作用。

通過低溫小梁彎曲試驗比較大摻量橡膠粉瀝青混合料與1.5%橡維聯瀝青混合料的低溫性能，研究影響大摻量橡膠瀝青混合料低溫性能。

車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗等依照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的相關試驗規程進行。

2 結果及分析

2.1 高溫性能分析

表3所示為試驗所選的4種不同類型瀝青混合料的礦料級配。 圖2所示為試驗所選的4種不同類型瀝青混合料的礦料級配曲線。

從表3和圖2可以看出，AC-13和高模量瀝青混合料礦料級配相似，細集料較多。大摻量橡膠瀝青混合料和SMA-13礦料級配相似，骨架基本相同。

SBS改性瀝青抗車轍性能好，AC-13和SMA-13瀝青混合料采用SBS改性瀝青。摻抗

車轍劑形成高模量瀝青混合料，可有效改善混合料高溫性能。大摻量橡膠瀝青混合料采用未

改性的普通石油瀝青。通過車轍試驗比較它們的動穩定度和相對變形指標，驗證大摻量橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素。

從圖3可以看出SBS/SMA-13的動穩定度大于SBS/AC-13，相對變形小于SBS/AC-13，說明SBS/SMA-13混合料抗車轍能力比SBS/AC-13要好，SMA-13中礦料骨架結構發揮了重要作用。SBS/SMA-13和大摻量橡膠瀝青混合料骨架結構基本相同，SBS的粘度高于普通瀝青，然而大摻量橡膠瀝青混合料動穩定度和相對變形比SBS/SMA-13高很多。顯然，大摻量橡膠瀝青混合料具有良好的高溫性能，但僅以良好的嵌擠骨架結構和膠結料的黏滯性不能充分說明其作用效果。

通過圖3也可以看出，大摻量橡膠改性瀝青混合料動穩定度低于摻3‰抗車轍劑和5‰抗車轍劑的高模量瀝青混合料，這說明了提高模量能夠改善混合料的抗車轍能力。從混合料相對變形比較可以看出，大摻量橡膠瀝青混合料要好于3‰抗車轍劑瀝青混合料，但不及5‰抗車轍劑橡膠瀝青混合料;提高混合料的模量可使混合料的相對變形降低，但混合料的模量的大幅提高對低溫性能不利[15-16]。如果瀝青路面對高低溫性能都有較高要求，僅提高瀝青混合料模量的作法是不可取的。

2.2 高溫受力活塞模型

通過2.1節分析，大摻量橡膠混合料高溫性能除了與良好的嵌擠骨架，以及橡膠粉改善瀝青粘度有關外，還有其他因素[17]。根據橡膠粉充當柔性細集料起填充作用的特點，提出高溫受力活塞模型，解釋大摻量橡膠瀝青混合料良好的高溫性能。

大摻量橡膠瀝青混合料和SBS/SMA-13比較，說明其良好的高溫性能與填充料有關，可以認為正是較高摻量的橡膠粉材料以柔性集料形式發揮作用。瀝青混合料中各種不同粒徑和品種的粗細集料、礦粉等所表現的顆粒特征對混合料性能至關重要，在溫度較高，瀝青結合料粘度較低時，顆粒特性作用更加明顯[18]。

本文提出的活塞模型是由缸壁、缸蓋和缸內做功的材料組成，是由粗集料形成骨架，骨架空隙中填充半剛性材料所形成的體系（橡膠粉和細集料混合后相當于半剛性填充料），如圖4所示。

在大摻量橡膠瀝青混合料中，穩定的骨架礦料相當于活塞模型的缸蓋和缸壁，半剛性填充料則相當于活塞模型中的做功材料。在混合料中，一個小小的活塞單元是由幾個起骨架作用的粗集料構成封閉空間，封閉的空間填充半剛性填充料。無數小活塞疊加就構成了大活塞模型。路面主要承受瞬間反復荷載作用，當行車荷載作用到大摻量橡膠瀝青混合料路面上時，缸蓋向下移動壓縮做功材料（半剛性填充料），這是活塞模型工作的壓縮階段;當瞬間荷載移走后活塞模型進入反彈階段，被壓縮的半剛性填充料對缸蓋有彈性壓力，半剛性填充料欲恢復到原來的狀態釋放彈性壓力，則會推動缸蓋向上移動回到原位，從而完成一個周期單元的活塞運動。

在大摻量橡膠瀝青混合料中，混合料中穩定的骨架嵌擠結構則是活塞模型工作的前提條件;擁有了大量橡膠粉的半剛性填充料因富有彈性而具有做功材料的性質，是活塞模型工作的核心部分;骨架嵌擠力和半剛性填充料彈性壓力協同作用的活塞模型，能夠很好地解釋大摻量橡膠瀝青混合料優良高溫穩定性的緣由。

2.3 低溫性能分析

瀝青路面的溫縮裂縫，與瀝青膠結料和瀝青混合料的低溫抗裂性能直接相關。橡膠粉是一種良好的彈性材料，橡膠改性瀝青彈性恢復能力的提高可以減小荷載作用的殘余變形，減少路面破壞[19]。表4所示為大摻量橡膠瀝青混合料和摻1.5%橡維聯瀝青混合料的低溫性能比較。

由表4可以得到大摻量橡膠瀝青混合料的橡膠粉摻量大約是1.5%橡維聯瀝青混合料的2倍，但是前者的破壞應變比后者高出69.3%，前者勁度模量只有后者的28.9%。瀝青混合料的勁度模量小，其低溫性能也相對較好。

研究表明，一定量的橡維聯對混合料的低溫改性效果好于兩倍量的橡膠粉[20]。假設大摻量橡膠瀝青混合料的低溫性能只與改性瀝青有關，橡維聯（1.5%）的混合料的低溫性能應該優于大摻量橡膠瀝青混合料的低溫性能，但是圖4表明大摻量橡膠瀝青的低溫抗破壞能力優于1.5%橡維聯瀝青混合料，所以其低溫性能不僅僅與改性瀝青有關。

從圖5可以看出，在低溫條件下，1.5%橡維聯混合料小梁破壞屬于脆性破壞，而大摻量橡膠瀝青混合料小梁則表現出較柔韌的狀態。與傳統石質礦料級配混合料比較，大量橡膠粉的加入，使得混合料產生了明顯改變。橡膠粉具有彈性，混合料產生溫縮變形時，橡膠粉可以與瀝青結合料一起通過自身變形抵抗混合料的收縮變形，減少或者緩和混合料的低溫開裂，而巖石礦料則不會產生以上作用。大量橡膠粉充當了部分礦料，大幅度改變了傳統級配礦料的特征，所以對含有大量橡膠粉柔性級配材料是值得研究的。

總之，大摻量橡膠瀝青混合料表現出良好的低溫抗裂性，不僅因為混合料中橡膠粉改性瀝青的作用，而且大量富有彈性的橡膠粉充當柔性集料也起到了降低瀝青混合料低溫狀態下的勁度模量和抵抗變形的作用。

3 結語

本文對干法制備下的大摻量橡膠瀝青混合料的高低溫性能進行了研究，得出以下結論。

1）大摻量橡膠瀝青混合料高溫穩定性要低于摻抗車轍劑的高模量改性瀝青，也驗證了提高模量有助于改善高溫性能，但模量過高對低溫性能不利。大摻量橡膠瀝青混合料采用普通瀝青，礦料級配與SBS/SMA-13相似，但抗車轍能力更好。說明不僅僅是粗集料骨架和瀝青粘滯性發揮效果，橡膠粉充當柔性細集料起到關鍵作用。

2）大摻量橡膠瀝青混合料與1.5%橡維聯瀝青混合料進行低溫性能比較，前者彎拉破壞應變是后者的1倍多，且前者彎拉破壞時沒有發生脆性斷裂，表現出良好的低溫柔韌性。大量橡膠粉摻入降低了混合料的低溫勁度模量，提高了其低溫抗裂性能。

3）穩定骨架嵌擠力以及大量橡膠粉與細集料形成的半剛性填充料協同作用構成活塞模型，解釋了大摻量橡膠瀝青混合料具有良好的高溫穩定性。橡膠粉充當部分礦料的瀝青混合料值得進一步深入研究。

參考文獻：

[1]? ? 《中國公路學報》編輯部. 中國道路工程學術研究綜述·2013[J]. 中國公路學報，2013，26（3）：1-36.

[2]? ? 馬峰，李曉彤，傅珍. 生物粘合劑在廢舊瀝青材料再生應用中的研究進展[J]. 材料導報，2015，29（13）：93-97.

[3]? ? 張茂榮. 包裝廢棄聚合物改性瀝青機理研究[D]. 西安：西安理工大學，2010.

[4]? ? 劉紅瑛. 廢橡膠粉改性瀝青混合料性能研究[J]. 公路，2012（4）：177-180.

[5]? ? 黃衛東，李昆. 美國橡膠瀝青應用調查與研究現狀[J]. 公路交通科技，2008，25（9）：13-17，23.

[6]? ? ARTAMENDI I，ALLEN B，PHILLIPS P. Low temperature cracking properties of asphalt mixtures containing rubber bitumen pellets[M]. Springer Netherlands，2016.

[7]? ? K?K B V，?OLAK H. Laboratory comparison of the crumb-rubber and SBS modified bitumen and hot mix asphalt[J]. Construction and Building Materials，2011，25（8）：3204-3212.

[8]? ? 肖川，蔣興華，肖治微，等. 橡膠瀝青混合料低溫抗裂性能評價[J]. 交通科技與經濟，2010，12（3）：44-47.

[9]? ? 吉澤中，劉嘉偉，徐凱. 橡膠/SBS復合改性瀝青及其混合料性能研究[J]. 新型建筑材料，2018，45（4）：124-128，132.

[10]? 陳麗. 廢塑料—橡膠粉復合改性瀝青混合料試驗研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2011.

[11]? 王旭東. 橡膠瀝青及混凝土應用成套技術[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

[12]? KARGER-KOCSIS J，MéSZáROS L，BáRáNY T. Ground tyre rubber （GTR） in thermoplastics，thermosets，and rubbers[J]. Journal of Materials Science，2013，48（1）：1-38.

[13]? 周政. 干拌橡膠瀝青混合料瀝青改性微觀形態和效果分析[J]. 公路，2018（5）：259-263.

[14]? LIU H Y，CHEN Z J，WANG W，et al. Investigation of the rheological modification mechanism of crumb rubber modified asphalt （CRMA） containing TOR additive[J]. Construction and Building Materials，2014，67：225-233.

[15]? 成高立，李卓琳，羅要飛. 抗車轍劑對瀝青混合料高溫性能的影響分析[J]. 中外公路2018，38（2）：203-207.

[16]? 馬峰，傅珍，牛帥，等. 摻外加劑瀝青混合料路用性能及黏彈性試驗分析[J]. 西安工業大學學報，2015，35（6）：459-465.

[17]? 趙屹峰. 大摻量橡膠瀝青混合料研究[D]. 西安：長安大學，2013.

[18]? 剛增軍. 集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響[J]. 筑路機械與施工機械化，2017，34（1）：47-51.

[19]? 王尉，何亮，王大為. 橡膠瀝青及混合料低溫性能研究進展[J]. 公路，2016（1）：181-187.

[20]? 王學展. 新型橡膠粉材料（橡維聯）在瀝青混合料中的應用研究[D]. 西安：長安大學，2012.

[責任編輯 楊 屹]