橡膠瀝青混合料抗老化性能分析

韓敏慧

(中交路橋南方工程有限公司，北京 101100)

0 引 言

目前橡膠瀝青混合料的抗老化性能缺乏深入的研究，大部分的研究?jī)H針對(duì)橡膠瀝青膠結(jié)料的抗老化性能展開(kāi)。何亮[1]等研究發(fā)現(xiàn)普通橡膠瀝青在TFOT短期老化下抗老化性能好，一些流變性指標(biāo)與瀝青老化趨勢(shì)相反，并將這歸因于橡膠瀝青的顆粒核心在老化過(guò)程中有著較強(qiáng)的繼續(xù)溶脹反應(yīng)，認(rèn)為橡膠瀝青模擬短期老化的試驗(yàn)溫度與實(shí)際施工溫度，建議試驗(yàn)溫度為180 ℃。李寧利等通過(guò)紅外光譜分析可知，橡膠瀝青的老化主要有兩部分，一是基質(zhì)瀝青的熱氧老化，二是橡膠粉的脫硫降解[2]。向麗也有類(lèi)似的研究結(jié)論：老化是膠粉與瀝青兩者之間的協(xié)同作用[3]。此外，膠粉與瀝青可能重新發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，緩和了橡膠瀝青體系性能的衰退[4]。徐東通過(guò)對(duì)橡膠瀝青混合料老化再生及路用性能的研究，發(fā)現(xiàn)間斷級(jí)配橡膠瀝青混合料較連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料耐老化更佳，老化后橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到增強(qiáng)[5]。

SHRP(Strategic Highway Research Program)計(jì)劃中規(guī)定瀝青混合料抗老化性能應(yīng)包括老化后瀝青混合料的力學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠瀝青短期、長(zhǎng)期老化后的高溫性能有一定研究，但對(duì)ARG橡膠瀝青混合料老化后的性能研究相對(duì)不足[6]。鑒于此，本文進(jìn)行了橡膠瀝青混合料的老化性能研究。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1.1 原材料

本試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青為加德士90#瀝青，改性劑為4303星型SBS改性劑，橡膠粉為30目貨車(chē)斜交輪胎橡膠粉。橡膠瀝青混合料各礦料篩分結(jié)果見(jiàn)表1。

1.1.2 級(jí)配

針對(duì)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)型間斷級(jí)配橡膠瀝青混合料(Asphalt Rubber Gap Gradation Mixture，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARG)特點(diǎn)，選取3種瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比。

(1)陜西省工程實(shí)際中常用的SBS改性瀝青SMA混合料。

表1 各種礦料篩分結(jié)果

(2)間斷級(jí)配的復(fù)合橡膠瀝青混合料(CR/SBS Gap Gradation Mixture，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CR/SBSG)。

(3)連續(xù)級(jí)配的橡膠瀝青混合料(Asphalt Rubber Continuous Gradation Mixture，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARC)。

3種級(jí)配類(lèi)型混合料的礦料級(jí)配范圍見(jiàn)表2。

表2 各種礦料篩分結(jié)果

1.1.3 配合比

參照《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》、陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《瀝青瑪蹄脂碎石路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。上述3種混合料的最佳油石比見(jiàn)表3。

表3 各種混合料的最佳油石比

1.2 試驗(yàn)方案

本文分別采用短期老化、長(zhǎng)期老化的車(chē)轍試驗(yàn)[7]、單軸貫入試驗(yàn)以及間接拉伸試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)ARG橡膠瀝青混合料的抗老化性能。短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1、2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 間接拉伸強(qiáng)度研究

分別采用未老化、短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)成型的試件，通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)老化前后的間接拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 橡膠瀝青混合料抗老化性能比較

采取老化系數(shù)b/a、c/a指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同橡膠瀝青混合料老化前后的力學(xué)性能，老化系數(shù)越大，表示老化程度越深，由表4中老化前后的間接拉伸強(qiáng)度及老化系數(shù)可知：

圖1 橡膠瀝青混合料短期老化試驗(yàn)

圖2 混合料長(zhǎng)期老化試驗(yàn)

(1)4種橡膠瀝青混合料老化前后的變化規(guī)律一致，短期老化后間接拉伸強(qiáng)度大于長(zhǎng)期老化。主要原因在于短期老化時(shí)瀝青輕質(zhì)組分減小，瀝青混合料變硬，故此時(shí)黏結(jié)力達(dá)到最大；隨著長(zhǎng)期老化，瀝青質(zhì)遭到破壞，黏結(jié)力減小，故混合料性能降低[8-9]。

(2)在4種橡膠瀝青混合料中，ARG-16的老化系數(shù)最小，抗老化性能最優(yōu)。其中，ARG-16的短期、長(zhǎng)期老化系數(shù)分別為ARC-16的51%、50.7%，這是由于ARC-16缺乏足夠的間隙容納膠粉顆粒，限制了膠粉對(duì)橡膠瀝青混合料的改性效果。

(3)對(duì)于老化系數(shù)而言，ARG-16的短期、長(zhǎng)期老化系數(shù)分別低于采用SMA瀝青混合料的31.5%及31.3%，說(shuō)明ARG-16的抗老化性能優(yōu)于SMA瀝青混合料，即橡膠瀝青的抗老化效果更佳。

(4)老化試驗(yàn)前，CR/SBSG-16的間接拉伸強(qiáng)度最大，短期、長(zhǎng)期老化系數(shù)分別低于SMA瀝青混合料19.6%、20%，但略高于ARG-16，故復(fù)合膠粉的摻入對(duì)橡膠瀝青混合料的抗老化性改善效果不佳。

綜上，ARG-16的抗老化性能優(yōu)于ARC-16、SMA混合料和CR/SBSG-16。分析主要原因?yàn)椋合鹉z粉的加入，在高溫作用下吸收瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，瀝青中膠質(zhì)含量增多；廢舊橡膠粉主要由卡車(chē)輪胎粉碎而成，其中含有部分抗老化劑、炭黑等成分，有效提高了橡膠瀝青的抗老化性；膠粉增加了瀝青膜的厚度，對(duì)抗老化性也起到一定作用。本試驗(yàn)中ARG-16瀝青混合料膜厚度為10.9 μm，ARC-16為9.5 μm，CR/SBSG-16為11.7 μm，SMA-13為9.0 μm。由此可知，瀝青膜厚度大可以起一定的抗老化作用。

2.2 高溫穩(wěn)定性研究

在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行橡膠瀝青混合料老化后高溫穩(wěn)定性能研究，分別對(duì)3種級(jí)配混合料進(jìn)行高溫性能試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度及動(dòng)穩(wěn)定度見(jiàn)表5。老化前后的高溫性能指標(biāo)如圖3所以。

表5 老化后高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 橡膠瀝青混合料老化前與老化后的高溫性能

由表5及圖3可知：

(1)老化后3種間斷級(jí)配瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度均得到提高。ARG-16的動(dòng)穩(wěn)定度提升，但CR/SBSG-16、SMA-16瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低。ARG-16混合料老化后的高溫性能提升。

(2)復(fù)合改性膠粉的摻入顯著提高了間斷級(jí)配老化后橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，抗剪強(qiáng)度也有一定提升，即橡膠改性膠粉的摻入對(duì)老化后的高溫性能具有顯著改善作用。

(3)ARG-16橡膠瀝青混合料老化后高溫性能改善顯著，而SMA-16混合料與CR/SBSG-16復(fù)合橡膠瀝青混合料老化后的高溫性能有衰減趨勢(shì)，主要原因可能是：基質(zhì)瀝青的由于老化作用，瀝青有變硬趨勢(shì)，粘度增大，軟化點(diǎn)上升，導(dǎo)致其高溫性能有所提高。SBS改性瀝青老化后，高溫性能衰退。SBS改性劑由于熱氧老化，分子鏈被破壞，析出更多的瀝青輕質(zhì)組分，這兩種變化沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，SBS改性劑的破壞程度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青的老化程度，綜合對(duì)比使得SBS改性瀝青老化后高溫性能衰退。復(fù)合橡膠瀝青老化后，性能有所衰減。CR/SBS在老化過(guò)程中，廢膠粉、SBS改性劑和基質(zhì)瀝青3種物質(zhì)同時(shí)發(fā)生老化，其老化前后性能變化很大程度取決于3種物質(zhì)之間的平衡關(guān)系。三者老化的綜合作用使其老化后高溫性能略有增加，主要是膠粉相及基質(zhì)瀝青兩者綜合老化提高程度略大于SBS相老化衰退程度。橡膠瀝青老化后，高溫性能有所提高。在熱氧作用下，廢橡膠粉中的炭黑、抗氧化劑等活性組分可改善瀝青的抗老化性能，但不能完全抵消基質(zhì)瀝青自身在熱氧化作用下的老化，故瀝青相的高溫性能仍會(huì)提高，即老化后橡膠瀝青及其混合料高溫性能提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)不同級(jí)配的橡膠瀝青混合料，進(jìn)行抗老化性能的研究，得到結(jié)論如下：

(1)ARG-16瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度高于連續(xù)級(jí)配ARC-16瀝青混合料，故間斷級(jí)配的橡膠瀝青混合料抗老化性?xún)?yōu)于連續(xù)級(jí)配，更適用于高等級(jí)橡膠瀝青路面。

(2)復(fù)合改性膠粉的摻入顯著改善了橡膠瀝青混合料老化后的高溫性能，而抗老化性能略低于未摻膠粉的橡膠瀝青混合料。應(yīng)結(jié)合路面氣候特性及軸載交通，綜合選擇橡膠瀝青類(lèi)型。

(3)橡膠瀝青混合料短期及長(zhǎng)期老化后的高溫性能得到改善，而SMA混合料和復(fù)合橡膠瀝青混合料老化后高溫性能有所衰減。對(duì)比分析，ARG型橡膠瀝青混合料抗老化性能最優(yōu)。