李胜

(湖南省交建工程集团有限公司， 湖南 株洲 412007)

随着国家经济的快速发展，人们对资源节约及环境保护越来越重视。采用废旧轮胎制成的橡胶粉改性沥青，既可实现废旧轮胎的再利用，减少环境污染，还可提高路面的使用性能，降低路面反射率，减少交通噪声，降低维护成本。周超、余苗等的研究表明，橡胶改性沥青路面的疲劳性能优于SBS改性沥青路面，橡胶掺量为20%时橡胶沥青路面的疲劳寿命最好。云庆庆、王岚等认为橡胶粉的掺入不仅能改变沥青混合料结构镶嵌状态，还能提高橡胶改性沥青混合料路面的整体弹性。该文在分析不同细度橡胶改性沥青和SBS改性沥青微观结构的基础上，通过高温车辙试验、低温抗弯拉试验、冻融劈裂试验及三分点小梁弯曲疲劳试验等分析不同改性剂对沥青混合料路用性能的影响。

1 材料性能及配合比优化

1.1 材料性能

(1) 改性沥青。基质沥青选择90#A级石油沥青。实验室确定橡胶粉掺量为20%。基质沥青、40和60目橡胶改性沥青及SBS改性沥青的性能试验结果见表1。

(2) 集料。粗集料和细集料均为玄武岩，其中粗集料的粒径分别为16～9.5和9.5～4.75 mm，细集料粒径小于2.36 mm。其技术指标检测结果见表2。

表1 不同沥青性能试验结果

表2 玄武岩集料的技术指标试验结果

(3) 矿粉。填料为石灰岩矿粉，要求其干燥、干净，其技术指标见表3，符合规范中沥青面层所用矿粉的质量要求。

1.2 配合比设计

(1) 级配。从改性沥青混合料耐久性方面优化级配设计，可提高不同细度橡胶改性沥青及与集料的粘附性，提高橡胶沥青路面的抗脱落能力。沥青混合料的合成级配见图1。

表3 石灰岩矿粉的技术指标试验结果

图1 沥青混合料的合成级配

(2) 最佳油石比。根据集料设计级配，采用5种油石比进行马歇尔试验，结果见表4。由表4可知：油石比为7.2%时，马歇尔试验所得空隙率接近设计空隙率，故确定最佳油石比为7.2%。同时通过相关试验得到SBS改性沥青的最佳油石比为4.8%。

表4 沥青混合料马歇尔试验结果

2 不同改性沥青的微观结构分析

从微观结构分析不同改性沥青材料的化学物质结构，可更好地研究不同改性沥青混合料的路用性能。采用红外光谱仪分析基质沥青、40和60目橡胶改性沥青、SBS改性沥青的微观结构，图2为不同粘合材料的傅里叶红外光谱分析结果。

由图2可知：这4种沥青的红外光谱曲线在2 980、2 852、1 453和1 377 cm-1处有明显的特征峰值，其中2 980和2 852 cm-1处的特征峰值属于饱和烃及其衍生物的C—H键和—CH2—键的伸缩振动，1 453、1 377 cm-1处的特征峰值属于烷烃中C—H键的弯曲振动。比较橡胶沥青与基础沥青，800～950 cm-1附近的强度略有不同，在934～848cm-1处基础沥青中有2个明显的特征峰，而橡胶沥青在800～950 cm-1附近变得平缓。800～950 cm-1左右的特征峰属于芳香化合物的=C—H键的平面外弯曲振动。表明在基质沥青中掺入橡胶粉后主要发生物理变化而非化学反应；橡胶屑与沥青的化学反应较弱，只有部分芳香族化合物消失。SBS改性沥青的红外光谱与其他沥青的光谱基本相同，其特征峰位于966 cm-1，是SBS改性剂本身的属性。

图2 不同黏合材料的红外光谱分析

3 不同改性沥青混合料的路用性能

3.1 改性沥青混合料的高温稳定性

分别采用40、60目ARAC-13橡胶改性沥青和SBS改性沥青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm试件进行车辙试验，试验时保证车轮方向与成型试件碾压方向一致，试验结果见表5、图3。

由表5和图3可知：温度为50和60 ℃时，在0.7、1、1.4 MPa荷载作用下，ARAC-13橡胶改性沥青混合料的动稳定度明显高于SBS改性沥青混合料，试验温度为70 ℃时两类混合料的动稳定度接近；ARAC-13橡胶改性沥青混合料的车辙深度小于SBS改性沥青混合料；在不同温度和荷载下，40、60目ARAC-13橡胶改性沥青混合料的动稳定度差别都很小。ARAC-13橡胶改性沥青混合料的高温性能优于SBS改性沥青混合料，这是因为在沥青混合料中掺入橡胶粉能提高混合料的黏弹性，进而提高沥青混合料的高温稳定性。

表5 改性沥青混合料车辙试验结果

图3 不同荷载下各改性沥青混合料的动稳定度

3.2 改性沥青混合料的低温抗裂性

沥青路面的开裂与混合料的低温抗裂性能相关，可通过测试沥青混合料的低温性能来分析沥青路面的低温抗裂性。分别成型40、60目橡胶改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料试件进行低温抗弯拉试验，分析不同改性剂对沥青混合料低温抗裂性能的影响，试验结果见表6。

表6 改性沥青混合料低温弯曲试验结果

由表6可知：3种改性沥青混合料的极限破坏应变均大于2 500 με，符合要求。橡胶粉为40目时，橡胶改性沥青混合料的弯拉应变为4 463 με，比SBS改性沥青混合料高21.8%，说明橡胶改性沥青混合料的低温抗裂性能较好。随着橡胶粉细度的增大，橡胶改性沥青混合料的弯拉劲度模量增大。沥青混合料的弯拉劲度模量较低，则其柔韧性较好，采用40目橡胶改性沥青混合料可提高沥青路面的低温抗裂性能。

3.3 改性沥青混合料的水稳定性

通过冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。对冻融循环作用后的3种改性沥青混合料进行劈裂试验，得到其劈裂强度比(见表7)。

由表7可知：40、60目ARAC-13橡胶改性沥青和SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比分别为93%、89%、79%，水稳定性能为ARAC-13橡胶改性沥青(40目)>ARAC-13橡胶改性沥青(60目)>SBS改性沥青。这是因为基质沥青中掺入橡胶粉能吸收饱和芬和轻质油分芳香芬，使沥青中的沥青酸和酸酐含量增加，从而提高沥青与集料的黏附性，沥青混合料的水稳定性能得到改善。

表7 改性沥青混合料冻融劈裂试验结果

3.4 改性沥青混合料的疲劳性能

对3种改性沥青混合料使用MTS材料试验机进行三分点小梁弯曲疲劳试验，采用应变控制方法，试验温度为15 ℃。通过建立沥青混合料疲劳寿命与能量消耗累积的关系，分析3种改性沥青混合料的疲劳性能。试验结果见表8。

由表8可知： 40、60目ARAC-13橡胶改性沥青和SBS改性沥青混合料的疲劳作用次数分别为124 548、107 812、68 423 次，ARAC-13橡胶改性沥青混合料的疲劳作用次数明显大于SBS改性沥青混合料。这是由于橡胶粉的掺入，使沥青混合料的柔韧性得到提高，进而使其抗疲劳性能得到提升。40目橡胶改性沥青混合料的疲劳作用次数大于60目橡胶改性沥青混合料，说明橡胶粉粒径对橡胶改性沥青混合料的路用疲劳寿命有一定影响。

表8 3种改性沥青混合料疲劳试验结果

4 结论

(1) 橡胶改性沥青的最佳橡胶粉掺量为20%，最佳油石比为7.2%；SBS改性沥青的最佳油石比为4.8%。

(2) 橡胶改性沥青主要发生物理变化而非化学反应，不同细度橡胶粉改性沥青具有相同的光谱；SBS改性沥青的红外光谱与橡胶改性沥青的基本相同，但出现新的特征峰966 cm-1，这是SBS改性剂本身的属性，使其产生新的官能团。

(3) 橡胶改性沥青混合料的各项路用性能均优于SBS改性沥青混合料；橡胶粉细度对橡胶改性沥青混合料路用性能有一定影响，40目橡胶改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗疲劳性能均优于60目橡胶改性沥青混合料。相比其他改性剂，采用40目橡胶对沥青改性不仅经济效益高，还能提高沥青路面的使用性能。