SBS改性瀝青與橡膠改性瀝青作中面層材料的比較與選擇

郭昱濤，王 鑫，張業興，李勁薪，馬 霞，何茂勝，徐世法

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550004；3.北京建筑大學 北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心，北京 100044)

0 引 言

材料選擇是影響瀝青混凝土路面中面層性能的最重要因素，為避免因材料選擇不當導致路面病害，本文選擇中面層常用的SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青AC-20型混合料。SBS改性瀝青是以基質瀝青為原料，加入一定比例的SBS改性劑，通過剪切、攪拌等方法使SBS均勻地分散于瀝青中，同時加入一定比例的專屬穩定劑后形成的SBS共混材料，它利用SBS良好的物理性能對瀝青做改性處理[1-6]；橡膠改性瀝青是先將廢舊輪胎加工成為橡膠顆粒，再按一定的粗細級配比例進行組合，同時添加多種高聚合物改性劑，并在高溫條件下(180 ℃以上)充分拌合，與基質瀝青充分熔脹反應后形成的改性瀝青膠結材料。2種材料相較于基質瀝青均具有高溫穩定性、低溫柔韌性、抗老化性、抗疲勞性、抗水損壞性等優勢，在主干路面層中應用廣泛[7-10]。

路況調查及現場取芯發現，瀝青混凝土路面的主要病害仍集中于車轍及裂縫，并且中面層芯樣普遍有開裂現象。本文針對該現象，并且針對國內外學者的研究最終選擇SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青AC-20瀝青混合料[11-14]，測試其體積指標，并通過車轍試驗、低溫小梁試驗、凍融劈裂試驗、四點彎曲試驗分別測試其高溫性能、低溫性能、水溫性能、疲勞性能，綜合評價其路用性能優劣，為道路大修及養護工程推薦合適的中面層材料。

1 原材料

1.1 SBS改性瀝青

本文使用的SBS改性瀝青的技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青技術指標

1.2 橡膠改性瀝青

本文使用的橡膠改性瀝青的技術指標見表2。

表2 橡膠改性瀝青技術指標

1.3 礦粉

本文使用集料全部為石灰巖，礦粉由石灰巖磨制而成，技術指標見表3。

表3 礦粉技術指標

1.4 集料

本文采用石灰巖礦料進行試驗，并且按照規范要求對礦料的性能指標進行檢測，集料的技術指標見表4。

表4 石灰巖細集料試驗結果及技術指標

1.5 級配

本次試驗采取的級配為中面層常用的AC-20型，調整通過率和中值以滿足規范要求，并參考實際生產常用級配。級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-20礦料級配曲線

2 體積指標及路用性能測試

結合工程實際經驗，本次試驗選取油石比為6.0%，檢測該油石比下SBS改性瀝青、橡膠瀝青AC-20型混合料的各項體積指標，并測試其高溫性能、低溫性能、水溫性能及疲勞性能。

2.1 馬歇爾體積指標測試

對油石比為6.0%的2種瀝青混合料的體積指標進行檢驗，相關試驗結果見表5、6。

表5 SBS改性AC-20的體積指標

表6 橡膠改性AC-20的體積指標

2.2 路用性能指標測試

對油石比為6.0%的2種瀝青混合料的各項路用性能指標進行檢驗，相關試驗結果見表7、8。

表7 SBS改性AC-20的路用性能指標

表8 橡膠改性AC-20的路用性能指標

由體積指標及路用性能測試結果可看出，在該級配及油石比下，2種瀝青混合料的體積指標及路用性能滿足規范要求，需結合工程實際需求分析各項性能的優劣。

3 材料比選

3.1 高溫性能比選

從表7、8中可以看到，橡膠改性瀝青混合料的動穩定度稍高于SBS改性瀝青混合料。橡膠顆粒在高溫狀態下與瀝青充分混合后，使瀝青軟化點提高，黏度增加，從而使高溫性能表現更優；另一方面，橡膠顆粒體積會顯著變化，橡膠顆粒間的距離縮短，發生黏聚，形成交聯網絡。橡膠網絡間的相互作用限制了瀝青的流動，提高了瀝青的內聚力，使瀝青的性能得到全面改善[15-16]。因此，SBS橡膠粉復合改性瀝青能夠在高溫條件下抵抗行車荷載的反復作用產生的變形，使瀝青的高溫性能得到了很大的提高，增強了瀝青混合料的抗車轍能力。

3.2 低溫性能比選

從表7、8中可以看出，橡膠改性瀝青混合料的最大彎曲應變高于SBS改性瀝青混合料，擁有更好的低溫抗開裂能力。由于橡膠改性瀝青中含有橡膠成分，這是苯乙烯和丁二烯的共聚物，其內部分子之間的作用力相對較小，分子鏈連接比較松散，分子間容易發生流動變形[17]。而SBS是苯乙烯-丁二烯基的嵌段共聚物，由于苯乙烯段含量高，其硬度大，內部分子鏈連接緊密，瀝青就表現為相對較硬。橡膠的可塑性使橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能更優。此外，橡膠粉來自輪胎，其設計低溫性能要顯著優于SBS改性劑。因此，在低溫條件下添加橡膠后的改性瀝青相對SBS改性瀝青具有更加良好的低溫變形能力。

3.3 水穩定性能比選

SBS改性瀝青混合料凍融劈裂強度比大于橡膠改性瀝青混合料，其水穩定性更優。這主要是由于加入SBS后結構比橡膠瀝青更穩定，從而增加了瀝青與集料之間的黏附力，提高了瀝青膠漿的破壞強度。

3.4 疲勞性能比選

橡膠改性瀝青混合料的疲勞性能明顯優于SBS改性瀝青混合料，這在一定程度上也由于橡膠瀝青膠結結構比SBS瀝青的立體網狀結構更具彈性，能夠承受較多次數的循環荷載。

4 結 語

通過上述指標對比分析，結果如下。

(1)對用作中面層材料的SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青AC-20混合料進行體積指標及路用性能測試，結果均滿足相關規范要求。

(2)橡膠改性瀝青AC-20混合料在高溫穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能方面均強于SBS改性瀝青混合料，當原路段車轍及開裂等病害嚴重時，應優先使用橡膠改性瀝青混合料。橡膠顆粒在高溫狀態下與瀝青充分混合后，體積顯著變化，使其間距縮短，發生黏聚，形成交聯網絡，提高了瀝青的內聚力，使瀝青的性能得到全面改善；且橡膠改性瀝青中含有橡膠成分，是苯乙烯和丁二烯的共聚物，與SBS改性瀝青相比較軟，其可塑性使橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能更優。

(3)SBS改性瀝青混合料的水穩定性優于橡膠改性瀝青混合料，當路段有較多水損害，對水穩定性有較高要求時，可考慮使用SBS改性瀝青混合料。