沈 凡，任 莉，趙明宇，陸 超，郭 凱

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 400070;3.湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心，湖北武漢 430030

0 引言

SMA(Stone Mastic Asphalt)混合料是具備骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的路面材料，近年來，已廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝工程中，較之其它類型瀝青混合料路用性能更好，有著明顯的應(yīng)用優(yōu)勢［1-2］.但是，由于橋梁的服役條件特殊，導(dǎo)致SMA在橋梁的應(yīng)用中出現(xiàn)不同程度的病害(局部擁包、局部疲勞裂縫)，綜合分析病害產(chǎn)生的原因，主要有以下兩點(diǎn):①橋面的使用條件溫度較高，SMA鋪裝層易發(fā)生永久變形;②車輛超載嚴(yán)重，材料設(shè)計(jì)指標(biāo)不足，出現(xiàn)疲勞裂縫［3-5］.因此，需要結(jié)合病害原因增加SMA路面的高溫穩(wěn)定性能和耐疲勞性能，避免病害產(chǎn)生.

橡膠高粘高彈改性瀝青是在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上，采用橡膠粉、SBS及增粘、增塑等組分進(jìn)行復(fù)合改性制備而成的一種高性能改性瀝青，具備優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性及粘韌性能，在排水路面及應(yīng)力吸收層中都得到了成功應(yīng)用［6-7］.若能將橡膠高粘高彈改性瀝青應(yīng)用于SMA路面，則混合料的溫度穩(wěn)定性能及抗疲勞性能必將有一定改善.此外，本文采用的橡膠粉為廢舊輪胎磨細(xì)制備而成，具有一定的環(huán)保意義.

本文擬進(jìn)行橡膠高粘高彈改性瀝青配方優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用高粘高彈改性瀝青制備SMA瀝青混合料，與使用普通改性瀝青SMA、普通高粘SMA的路用性能進(jìn)行對比.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 橡膠高粘高彈改性瀝青制備及實(shí)驗(yàn)方法

基質(zhì)瀝青選用重交70#道路瀝青(AH-70)，技術(shù)指標(biāo)如表1所示.SBS采YH-791線形SBS，嵌段比S/B為30/70;橡膠粉采用0.425 mm(40目)橡膠粉;增粘改性組分為石油類樹脂;增塑改性組分為酯類化合物，無色油狀液體，與瀝青有良好的相容性.

采用FLUKO公司生產(chǎn)的FM300型實(shí)驗(yàn)室高速剪切分散乳化機(jī)(轉(zhuǎn)速范圍為300～11 000 r/min)配合加熱保溫套進(jìn)行瀝青改性實(shí)驗(yàn).首先將基質(zhì)瀝青加熱到185℃，依次緩緩加入橡膠粉、SBS、增粘組分、增塑組分，并持續(xù)剪切1 h，保持溫度為180～200℃，剪切速率為3 000～5 000 r/min，將剪切后的瀝青放置在165℃的烘箱中繼續(xù)溶脹發(fā)育2 h，得到橡膠高粘高彈改性瀝青.

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 The performance of 70#asphalt

1.2 SMA制備及實(shí)驗(yàn)方法

分別采用SBS改性瀝青、普通高粘瀝青、橡膠高粘高彈改性瀝青制備SMA瀝青混合料，各類瀝青性能指標(biāo)如表2所示，石料選用優(yōu)質(zhì)的湖北通山玄武巖，填料為石灰石礦粉，纖維為深圳海川科技有限公司生產(chǎn)的聚酯纖維.

表2 SBS改性瀝青、橡膠高粘高彈改性瀝青指標(biāo)Table 2 The performance of SBS modified asphalt，high viscosity and high elastic modified asphalt

按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中SMA的設(shè)計(jì)方法，制備三組油石比相同的SMA-13瀝青混合料，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動穩(wěn)定度、低溫小梁彎曲4項(xiàng)路用性能測試;并以現(xiàn)象學(xué)法為基礎(chǔ)，采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制應(yīng)力的三點(diǎn)彎曲疲勞測試，加載方式為10 Hz半正弦波，實(shí)驗(yàn)溫度15℃.

2 橡膠高粘高彈改性瀝青的制備及性能

本研究在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)變化各改性組分的摻量進(jìn)行改性瀝青制備，并測試橡膠高粘高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度(5℃)、彈性恢復(fù)(5℃，25℃)、60℃粘度、180℃粘度指標(biāo)的變化規(guī)律［8-9］，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

由表3中A-1、A-2和A-3組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在復(fù)合改性的條件下，隨著SBS改性劑摻量的增加，軟化點(diǎn)升高、針入度降低、延度增加、彈性恢復(fù)增加、粘度升高，SBS改性劑在本文復(fù)合改性體系中對各大指標(biāo)的影響規(guī)律明顯，為重要改性組分.但是，隨著SBS摻量的不斷增加，各大指標(biāo)變化趨于平緩，這是由于瀝青中的SBS分子鏈在高速剪切作用下形成網(wǎng)絡(luò)，性能的提升存在極值，數(shù)據(jù)表明，在本研究的改性體系中，SBS摻量在6%時(shí)改性效果最好.

通過B-1和B-2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，橡膠粉主要影響橡膠高粘高彈改性瀝青的5℃彈性恢復(fù)及180℃粘度指標(biāo)，隨著橡膠粉摻量的增加，5℃彈性恢復(fù)能力明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的低溫柔韌性.另外，高溫(180℃)粘度明顯增加，這易導(dǎo)致高粘SMA在施工過程中出現(xiàn)混合料離析及壓實(shí)度不足的情況，因此，通過本實(shí)驗(yàn)可知，為防止用于SMA的橡膠高粘高彈改性瀝青高溫粘度過大，需要控制改性組分中橡膠粉的用量.

表3 不同改性組分配方對橡膠高粘高彈改性瀝青性能的影響Table 3 The influence of difference formula on performance of high viscosity and high elastic modified asphalt

通過C-1和C-2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，增粘組分的加入主要影響改性瀝青的60℃粘度，其摻量由1%增大到3%，60℃粘度增加了32%，增粘效果非常明顯.本研究所用的增粘樹脂的軟化點(diǎn)達(dá)到110℃，比基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)高兩倍以上，與基質(zhì)瀝青混溶后增加，在鋼箱梁SMA路面的高溫服役條件下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能，提高瀝青混合料抗永久變形能力.

通過D-1和D-2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，增塑組分1%、2%、3%的情況下，針入度分別為47.5、53、56.5，影響規(guī)律明顯，但增塑組分對其他各項(xiàng)指標(biāo)的影響并無規(guī)律性.另外，所有實(shí)驗(yàn)組的25℃的彈性恢復(fù)都超過95%，說明在本改性體系下的改性瀝青具備優(yōu)異的彈性恢復(fù)性能，應(yīng)用于SMA中可影響路面的抵抗疲勞能力.

綜上所述，配方優(yōu)化后的橡膠高粘高彈改性瀝青具備優(yōu)異的低溫柔韌性及粘彈性能，可以提升瀝青混凝土抵抗高溫變形及抗疲勞能力，滿足制備SMA對瀝青的基本要求.

3 SMA性能比較與分析

3.1 路用性能

路用性能測試結(jié)果如表4所示.研究結(jié)果表明，采用橡膠高粘高彈改性瀝青制備的SMA材料各項(xiàng)路用性能最優(yōu).其中，水穩(wěn)定性能達(dá)到路面基本要求，且高于SBS及高粘瀝青路面，水穩(wěn)定性能優(yōu)異;采用橡膠高粘高彈改性瀝青制備的SMA路面高溫穩(wěn)定性能明顯高于SBS及高粘SMA路面，且70℃動穩(wěn)定度下降僅為16.2%，而SBS和高粘SMA路面70℃動穩(wěn)定度下降分別為51%及38.6%，說明橡膠高粘高彈改性瀝青明顯改善了SMA路面的高溫穩(wěn)定性;由于橡膠粉增加了瀝青的低溫柔韌性，因此橡膠高粘高彈改性瀝青的低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能.

表4 采用不同瀝青制備的SMA-13路用性能Table 4 The pavement performance of SMA prepared by difference asphalt

3.2 疲勞性能

疲勞性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5及圖1所示.

表5 采用不同瀝青制備的SMA-13疲勞方程Table 5 The fatigue equation of SMA prepared by difference asphalt

圖1 采用不同瀝青制備SMA-13 S-N散點(diǎn)圖Fig.1 The S-N scatter diagram of SMA prepared by difference asphalt

結(jié)果表明，采用橡膠高粘高彈改性瀝青的SMA混合料的疲勞壽命值高于SBS及高粘瀝青SMA，疲勞壽命最長;n值反應(yīng)的是材料對載荷變化的敏感程度，3種不同改性瀝青制備的SMA混合料中橡膠高粘高彈改性SMA的n值最小，說明其隨著疲勞載荷的增加，疲勞壽命降低最小.因此，橡膠高粘高彈改性瀝青改善了SMA混合料的疲勞特性，使SMA具備更優(yōu)異的抗疲勞性能.

4 結(jié)語

a.橡膠粉對橡膠高粘高彈改性瀝青的彈性恢復(fù)性能及高溫粘度影響較大，考慮到在SMA應(yīng)用過程中的施工性能，必須控制橡膠粉用量，但橡膠粉用量少會導(dǎo)致彈性恢復(fù)性能變差，在SMA中應(yīng)用需要對膠粉摻量進(jìn)行優(yōu)化.

b.橡膠高粘高彈改性瀝青在服役溫度區(qū)間表現(xiàn)出優(yōu)異的粘彈性能，軟化點(diǎn)達(dá)到92℃，5℃彈性恢復(fù)達(dá)到86%，60℃粘度達(dá)到62 000 Pa·s.

c.采用橡膠高粘高彈改性瀝青的SMA瀝青路面抵抗高溫車轍及抗疲勞性能優(yōu)于普通SBS及高粘瀝青路面.

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