橡塑沥青混合料性能试验研究

翟殿钢， 秘林源， 敖清文

(贵州宏信创达工程检测咨询有限公司， 贵州 贵阳 550000)

受材料性质影响，随着运营时间的增加，沥青路面会出现裂缝、车辙等病害。随着制造业的快速发展，产生了大量废旧橡胶、塑料，将其直接废弃，不仅造成环境污染，更是对资源的浪费。因此，橡胶及塑料改性沥青应运而生。研究表明在沥青中加入橡胶可增强其低温稳定性，加入塑料可增强其高温稳定性。任瑞波等通过调整橡胶、塑料的比例，配置出A、B、C 3种稳定型橡塑沥青，通过室内试验及试验路铺筑验证了其高温性能优于SBS改性沥青，水稳定性可通过增加塑料的比例进行提升；杨正军通过向70#基质沥青中加入橡塑合金(TPE)得到橡塑合金改性沥青，其动稳定度、水稳定性、低温性能均优于SBS改性沥青且试验路铺筑效果良好；张涛等通过在沥青中加入7.5%抗车辙剂、20%～22%橡胶粉及EVOTHERM-DAT温拌剂，增强了混合料的动稳定度及水稳定性；黄刚等通过正交试验研发新型橡塑高黏沥青，其OGFC-13混合料性能满足施工要求。但以上研究未考虑到各结构层的核心功能不同，对沥青的性能要求也不同。该文采用大掺量橡塑颗粒复合改性技术，通过调整橡胶、塑料的掺加比例，分别研发适用于上、中、下面层的新型橡塑沥青，旨在通过提升各结构层核心功能，延缓路面病害发展，提升路面性能。

1 原材料及配合比

1.1 橡塑沥青

橡塑沥青的主要原材料如下：基质沥青采用70#石油沥青；橡胶采用轮胎厂生产的残次品轮胎，橡胶含量≤45%，灰分含量≤8%；塑料为二级以上回收塑料，以高低密度聚乙烯为主；橡塑改性剂有3种，分别为C型(适用于上面层，可增强混合料抵抗温度裂缝、疲劳裂缝及水损害的能力)、M型(适用于中面层，可增强混合料抵抗车辙、剪应力的能力)、G型(适用于下面层，可增强混合料抵抗反射裂缝的能力)，其掺配方式和掺配比例见表1。

表1 原材料、橡塑改性剂掺配方式和掺配比例

根据各结构层沥青性质差异，建立橡塑沥青指标体系，根据体系内指标要求对所用沥青进行检测，得到各结构层沥青指标(见表2)。

表2 各结构层沥青指标

1.2 集料

采用六威(六盘水—威宁)高速公路(试验路)管理一处一标段K30料场提供的优质玄武岩及石灰岩，其中玄武岩用于SMA-13上面层，分为9.5～13.2、4.75～9.5和0～4.75 mm 3档，分别编号1#、2#、3#；石灰岩用于SUP-20下面层，分为19～31.5、9.5～19、4.75～9.5、0～4.75 mm 4档，分别编号1#、2#、3#、4#；填料为矿粉。经试验，所用集料的各项指标均满足规范要求。

为便于试验研究，将各档集料按标准筛孔筛分为单一粒径，对各档集料及矿粉的物理指标和颗粒组成进行试验，试验结果见表3～5。

表3 SMA-13各档集料的物理指标

表4 SUP-20各档集料的物理指标

表5 矿粉的物理指标

1.3 配合比

设计3种不同结构层的橡塑沥青混合料，用于橡塑沥青性能研究及试验段铺筑，其级配及油石比见表6～8。

表6 SMA-13橡塑沥青混合料的级配组成

表7 SUP-20橡塑沥青混合料的级配组成

表8 SUP-25橡塑沥青混合料的级配组成

2 性能试验结果与分析

2.1 表面层抗疲劳开裂性能

表面层是与车辆轮胎直接接触的层位，应具备较好的抵抗疲劳开裂的性能。采用C型橡塑沥青、普通70#沥青和SBS改性沥青，相同集料及油石比配置3种SMA-13混合料进行SCB(半圆弯曲)对比试验，方法如下：1) 成型直径15 cm试件，高度15 cm左右。2) 对试件进行切割，将顶部和底部各切去3～5 mm，保留中间部分，再将中间部分切成50 mm厚切片，侧向不均匀的切片弃用。将切好的圆形切片沿直径方向切成两部分，得到SCB半圆形试件。3) 在半圆形试件直径中心位置切口，切口深度15 mm，间距越小越好。试验设备由底边的2个托轮和半圆弧中点的加载轮组成，采用滚轴作为加载条和托轮，以减少摩擦。SCB试验上部和下部加载环直径为8 mm，2个托轮间的距离是SCB试件直径的0.8倍(见图1)，2a/D=0.8，其中D=100 mm。4) 试件在-10 ℃下保温至恒定。5) 试验前，使上压条与试件紧密接触，预加荷载不超过300 N。启动MTS-810试验机，以0.005 mm/min的加载速率向试件加载直至破坏。荷载传输采用位移控制系统，以压力机压头的位移作为垂直变形。试验结果见表9、图3。

图1 SCB试件制作及加载

表9 沥青混合料SCB试验结果

图2 SCB试验测试的荷载-变形曲线

由图9、图2可知：与普通70#沥青和SBS改性沥青SMA-13相比，C型橡塑改性沥青SMA-13的低温柔韧性优势明显，在3种混合料中唯一呈现了柔性断裂特性。不仅峰值断裂变形值明显高于SBS改性沥青及基质沥青，而且其断裂能比SBS改性沥青高1倍以上(图形面积为断裂能)。说明达到断裂状态，C型橡塑改性沥青SMA-13需要更多的荷载作用次数，即抗疲劳开裂的能力优于其他2种混合料。

2.2 表面层抵抗低温开裂性能

沥青混合料是一种温度敏感性材料，环境温度变化会使其使用性能发生显著变化，使用温度降低会使沥青混合料的劲度和强度明显增加，但变形能力显著下降，并可能出现脆性破坏，造成沥青路面低温开裂。采用上述试验配置的沥青混合料进行低温弯曲试验。试件采用由轮碾法成型的板块试件切割而成的棱柱体试件，长250 mm、宽30 mm、高35 mm，试件密度控制为马歇尔标准击实密度的(100±1)%。在MTS-810型沥青混合料综合试验测试系统上进行低温弯曲试验，测定沥青混合料在-10 ℃、加载速率50 mm/min下弯曲破坏时的力学性质，评价指标为最大弯拉应变(破坏应变)和弯曲劲度模量，结果见表10。

表10 沥青混合料低温弯曲试验结果

由表10可知：轮胎胶粉中含有丰富的天然胶成分，天然胶是一种高弹性物质，能显著改善沥青混合料的低温性能，具有优异的抵抗疲劳开裂的能力。对于SMA-13这种间断级配类型，橡塑复合改性沥青的破坏应变高于SBS改性沥青及基质沥青，说明橡塑复合改性沥青具有更强的抗低温开裂能力。相比于其他改性沥青，橡塑复合改性沥青的耐疲劳和裂缝性能更优越。

2.3 表面层抗冻融循环能力

对上述3种沥青混合料进行冻融劈裂试验，结果见表11。由表11可知：相比于SBS改性沥青及基质沥青，C型橡塑沥青混合料具有更强的抵抗冻融循环的能力。

表11 沥青混合料冻融劈裂试验结果

2.4 中面层高温稳定性

在沥青路面结构中，为确保行车安全、增加行车摩阻系数，表面层一般按抗滑表层设计，表面粗糙，防渗水性能相对较低；下面层主要为整个路面结构提供稳定的支撑，并作为防止反射裂缝向上发展的主要功能层，故下面层主要考虑抗裂性能。在这样的路面结构功能分工下，抵抗车辙的功能(高温稳定性)自然落在了中面层上。针对这一现状，以中面层为主要研究对象，对比研究M型橡塑复合SUP-20沥青混合料的高温稳定性。

采用M型橡塑沥青、SBS改性沥青和橡胶改性沥青(橡胶改性沥青的抗车辙性能较好)，相同的集料及配合比配置3种SUP-20沥青混合料，进行动稳定度对比试验，试验结果见表12。

表12 沥青混合料动稳定度试验结果

由表12可知：对于SUP-20混合料，M型橡塑、SBS、橡胶改性沥青混合料均具有优异的高温性能；与SBS改性、橡胶改性沥青混合料相比，M型橡塑改性沥青混合料的动稳定度分别提高35%～41%、45%～54%，说明M型橡塑改性沥青混合料具有相当优越的高温抗车辙能力。对比M型橡塑、橡胶改性沥青混合料的动稳定度，塑料改性成分的掺入可明显提高混合料的高温稳定性。

2.5 下面层抗反射裂缝性能

对G型橡塑、普通70#和SBS改性沥青混合料进行剪切反射疲劳试验(见图3)，试验结果见表13。

图3 剪切反射疲劳试验

由表13可知：G型橡塑改性沥青混合料的剪切反射疲劳次数比其他2种混合料有所提高，具有更强的抵抗反射裂缝的能力。

表13 沥青混合料剪切反射疲劳试验结果

3 试验路铺筑

在贵州省六威(六盘水—威宁)高速公路六盘水北收费站采用橡塑沥青混合料铺筑300 m试验路，1年后对试验路表观及性能指标进行跟踪观测，观测对象主要为上面层。以SBS改性沥青路面作为对比。结果如下：

(1) 表观(见图4)。采用C型橡塑沥青混合料铺筑的上面层的颜色比SBS改性沥青路面更黑，表面更粗糙，表面基本无病害，整体来看更美观。

图4 C型橡塑沥青路面和SBS改性沥青路面对比

(2) 性能指标。收费站为车辆集中路段，各类车辆频繁刹车、起步均会对路面造成影响。试验段构造深度、摩擦系数和渗水系数检测结果见表14。由表14可知：试验段构造深度、摩擦系数和渗水系数分别满足≥0.55 m、≥54和≤60 mL/min的验收标准，各项指标均较理想。

表14 试验段质量指标检测结果

4 结论

(1) C型橡塑改性沥青适用于沥青路面上面层，与SBS改性沥青、70#基质沥青相比具有更优异的耐疲劳、抗裂、抗水损害性能；M型橡塑改性沥青适用于中面层，与SBS改性沥青、橡塑沥青相比具有更高的高温稳定性；G型橡塑改性沥青适用于下面层，与SBS改性沥青、70#基质沥青相比具有更强的抗反射裂缝能力。

(2) 从表观上看，采用橡塑改性沥青混合料铺筑的路面比同时期铺筑的SBS改性沥青路面更黑，构造深度更大；从跟踪检测结果来看，建成1年后，橡塑沥青混合料路面的构造深度、渗水系数满足验收要求，且摩擦系数在70以上，抗滑性能较好。