胶粉_SBS复合改性沥青混合料性能及应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-03-14作者简介：曹晓辉（1984），男，工程师，研究方向为公路工程。胶粉/SBS复合改性沥青混合料性能及应用曹晓辉（河北省张家口市阳原县，河北 阳原 075800）摘要：为满足重载交通和复杂环境地区道路工程需求，提高路面材料使用性能，选用5%SBS和20%胶粉，采用SMA-13间断骨架型沥青混合料作为矿料级配，制备胶粉/SBS复合改性沥青混合料，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂实验、低温弯曲试验研究其路用性能。结果表明：当最佳油石比为5.8%时，复合改性沥青混合料具有较好的水稳定性和低温性能，且各项指标满足高性能沥青混合料要求。关键词：道路工程；复合改性沥青；性能评价；沥青路面中图分类号：U414文献标识码：A0 引言沥青路面材料性能和结构选择对沥青路面耐久性具有重要影响。复合改性沥青混合料是通过在沥青中添加橡胶粉和SBS改性剂配制而成，可提高沥青混合料的综合性能。胶粉/SBS复合改性沥青混合料综合橡胶沥青和SBS改性沥青能显著提高面层材料的水稳定性、低温性能和抗疲劳性能1。为制备高性能沥青混合料，延长沥青路面使用寿命，本文结合工程实际，采用5%SBS和20%胶粉制备复合改性沥青，对胶粉/SBS复合改性沥青混合料在增强混合料抗车辙和低温开裂等性能进行分析。1 工程概况某公路工程全长32 km，为双向4车道，设计车速100 km/h，路基平均填高3.6 m，最大填高5.2 m，最小填高1.3 m。该项目试验段起点桩号为K35+500，终点桩号为K26+500，全长1 km。沥青路面在环境和交通荷载耦合作用下，易发生病害，经研究最终采用胶粉与SBS复合改性沥青混合料作为沥青路面材料。2 原材料技术性能与试验方法2.1 原材料1）集料沥青混合料骨架是由粗集料嵌挤形成骨架结构以承载外力的主体，细集料与沥青混合形成沥青胶浆以填充骨架之间的间隙，从而形成更稳定的结构2。该项目粗集料采用石灰岩，细集料采用石灰岩石屑。2）矿粉在沥青混合料制备过程中添加适量矿粉既可显著提高胶粉改性沥青与集料的黏结能力和耐水性，又可起到填料作用2。3）胶粉/SBS复合改性沥青在常温条件下研磨橡胶轮胎得到3060目胶粉，采用70#基质沥青，向基质沥青中加入5%SBS后一起放入烘箱中加热 2 h至 185195；加入预拌好的胶粉，以4 000 r/min的速度剪切30 min；然后放入170175 的烘箱中，制得胶粉/SBS复合改性沥青2。2.2 级配设计胶粉/SBS复合改性沥青具有较高的黏度和弹性恢复性能，在混合料内部形成较厚的沥青膜，级配类型与普通沥青不同，若级配设计不合理，在施工过程中易出现压实不均匀，从而使路面出现回弹。该项目所在地区为亚热带气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，宜采用骨架型级配3。综合考虑，最终选用SMA-13间断骨架型沥青混合料进行级配设计，所设计沥青混合料合成级配见表1。表1 沥青混合料矿料级配范围SMA-13级配上限级配下限级配中值合成级配通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）16.010010010010013.2100909594.29.50755062.563.64.7534202727.82.36261520.519.21.1824141917.90.620121615.40.316101313.60.151591211.20.075128109.213总656期2023年第26期（9月 中）2.3 确定最佳油石比该项目确定SMA-13最佳油石比时，按照设计级配和油石比为 5.2%、5.5%、5.8%、6.1%及 6.4%进行制件，通过对混合料试件两面击实75次得到成型的马歇尔试件，计算各试件的空隙率、毛体积密度和稳定度等指标进行马歇尔试验3。马歇尔试验检测结果见表2，油石比与6组指标关系见图1。表2 胶粉/SBS复合改性沥青混合料马歇尔试验结果级配类型SMA-13间断骨架型沥青混合料油石比（%）5.25.55.86.16.4毛体积相对密度/（g/cm3)2.4272.4412.4622.4512.445空隙率（%）6.85.84.63.83.5矿料间隙率（%）16.6116.5216.4316.8817.36沥青混合料饱和度（%）60.2167.8274.2878.6581.03稳定度/kN10.3011.2811.6510.8610.26流值/（0.1 mm）1.82.22.63.23.4由马歇尔试验结果可知，稳定度、毛体积相对密度随着油石比的增大而先增后降；空隙率随着油石比的增加而降低；流值、饱和度随着油石比的增加而增加；矿料间隙率随着油石比的增加先降低再增加，当油石比为5.8%时，矿料间隙率最小为16.43%。结合规范要求及工程经验，当油石比为5.8%时，马歇尔稳定度最大，为 11.65 kN；对应空隙率为 4.6%，毛体积密度为2.462 g/cm3。3 路用性能研究3.1 水稳定性采用沥青混合料浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验对混合料水稳定性进行评价。浸水马歇尔稳定度试验首先根据设计配合比制作试件，经养护后，按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）规程测试混合料浸入水时的马歇尔稳定度，试验结果见表3。冻融劈裂试验是在规定条件下对试件进行冻融循环，测定混合料试件在水损害前后冻融劈裂强度比（TSR）。按照比例制作混合料试件，在室温下静置24 h后脱模，放入40 烘箱中养生3 d。经养生后进行试验，试验结果见表4。油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.42.4652.4602.4552.4502.4452.4402.4352.4302.425毛体积密度/（g/cm3）（a）油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.4（b）7.06.56.05.55.04.54.03.53.0空隙率（%）油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.4（d）饱和度（%）858075706560油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.4（c）17.417.217.016.816.616.4间隙率（%）图1 胶粉/SBS复合改性沥青混合料马歇尔稳定度试验结果14交通世界TRANSPOWORLD表3 浸水马歇尔稳定度试验结果沥青类型胶粉/SBS复合改性沥青浸水0.5 h后的稳定度/kN9.429.218.92浸水48h后的稳定度/kN8.478.327.96残留稳定度比（%）89.9290.3489.24残留稳定度比平均值（%）89.83表4 冻融劈裂试验结果沥青类型胶粉/SBS复合改性沥青未冻融循环的劈裂抗拉强度/MPa0.950.910.88冻融循环的劈裂抗拉强度/MPa0.820.790.78冻融劈裂强度比（%）86.3286.8188.64冻融劈裂强度比平均值（%）87.26由表3可知，胶粉/SBS改性沥青混合料残留稳定度比平均值为 89.83%，满足规范要求的 85%；由表 4 可知，胶粉/SBS改性沥青混合料冻融劈裂强度比平均值为87.26%，满足规范要求的80%。这是因为复合改性沥青混合料中SBS能够均匀融入基质沥青中，提高改性沥青集料接触面的黏附性。因此，胶粉/SBS复合改性沥青混合料具有较好的水稳定性。3.2 低温抗裂性根据规范要求，首先将成型的车辙板试件切割成250 mm30 mm35 mm 的棱柱体小梁，接着将小梁放入-10 的恒温中保温至少4 h，再将小梁放置在间距为200 mm的支座上，对其进行加载，直至小梁断裂，通过传感器得到应力应变随时间的变化规律。低温性能指标按式（1）式（3）计算。RB=3LPB2bh2（1）B=6hdL2（2）SB=RBB（3）式（1）式（3）中：RB为试件在破坏时的抗弯拉强度，单位MPa；PB为试件在破坏时的最大荷载，单位kN；B为试件在破坏时的最大弯拉应变（）；SB为试件在破坏时的弯曲劲度模量，单位MPa。通过三点弯曲试验检测小梁低温弯曲抗裂性能，结果见表5。表5 小梁低温弯曲抗裂试验结果沥青混合料种类30%掺量橡胶粉ARHM20改性沥青混合料RB/MPa12.24B/3 722SB/MPa2 866根据试验方法制件后，当油石比为5.8%时，胶粉/SBS复合改性沥青混合料最大弯拉应变为3 722，满足低温弯曲试验破坏应变不小于2 500的要求；此状态下试件破坏抗弯拉强度为12.24 MPa，弯曲劲度模量为2 866 MPa，具有良好的低温抗裂性4。4 结论本文对胶粉/SBS复合改性沥青混合料性能进行了研究，得出以下结论：1）通过选用SMA-13间断骨架型沥青混合料进行配合比设计，得到设计级配位于级配上限和级配下限之间，且级配曲线平顺圆滑。2）通过对胶粉/SBS复合改性沥青混合料进行马歇尔试验，计算试件稳定度、空隙率、毛体积相对密度等指标，最终确定混合料最佳油石比为5.8%，对应马歇尔稳定度为 11.65 kN，空隙率为 4.6%，毛体积密度为2.462 g/cm3。3）通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，测得胶粉/SBS复合改性沥青混合料残留稳定度比和冻融劈裂强度比均满足规范要求，具有较好的水稳定性。4）通过三点弯曲试验得到胶粉/SBS 复合改性沥（下转第19页）油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.411.811.611.411.211.010.810.610.410.2稳定度/kN（e）油石比（%）5.25.45.65.86.06.26.43.63.43.23.02.82.62.42.22.01.81.6流值/（0.1 mm）（f）图1（续）15交通世界TRANSPOWORLD合料的MS0及TSR值均处于较高水平，且变化速率更低，说明掺加纤维能够改善沥青混合料水稳定老化耐久性。3）在相同级配下，掺加竹纤维的沥青混合料的MS0及TSR值均大于掺加木质素纤维的沥青混合料，表明竹纤维对于老化前后的沥青混合料的水稳定性具有较好的增强作用。3 结论本文基于室内老化试验、力学性能试验、低温弯曲试验及水稳定性试验对纤维沥青混合料老化耐久性进行了评价，对比分析了未掺加纤维、掺加木质素纤维及掺加竹纤维的沥青混合料的老化耐久性能，得出以下结论：1）竹纤维沥青混合料在低温稳定老化耐久性及水稳定老化耐久性方面较木质素纤维沥青混合料更为优异，但其力学性能相对较弱；2）纤维能够起到吸附、稳定及加筋等作用，抑制裂缝的产生及发展；3）竹纤维具有粗糙外表面，兼具良好的物理力学性能及吸油性能，因此可以显著提升沥青混合料的抗老化及抗变形性能。参考文献：1 朱洪洲，谭祺琦，杨孝思，等.纤维改性沥青混合料性能的研究现状与展望J.科学技术与工程，2022，22（7）：2573-2584.2 夏超明.竹纤维沥青混合料的耐久性能研究D.长沙：中南林业科技大学，2022.3 张彩利，赵辉，王建洁，等.大掺量RAP玄武岩纤维沥青混合料低温性能研究J.河北工业大学学报，2022，51（5）：93-98.4 王会.短切纤维沥青混合料疲劳性能研究D.重庆：重庆交通大学，2018.5 裴鑫雨.木质素纤维温拌再生沥青混合料路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2022.6 夏炎.玄武岩纤维沥青混合料抗裂性能研究D.扬州：扬州大学，2019.（上接第15页）青混合料最大弯拉应变为 3 722，抗弯拉强度为12.24 MPa，弯曲劲度模量为2 866 MPa，具有良好的低温抗裂性。参考文献：1 张晨晨，潘春梅，孙艺涵，等.胶粉/SBS复合改性高模量沥青混合料性能研究J.中国建材科技，2022，31（6）：65-68.2 肖龙，李泉.废胎胶粉与SBS复合改性橡胶沥青混合料性能研究J.湖南交通科技，2022，48（1）：5-7.3 刘门闼.常祁高速公路胶粉/SBS复合改性沥青混合料性能评价与应用D.长沙：长沙理工大学，2021.4 曹昊楠.高掺量胶粉-SBS复合改性沥青及混合料性能研究D.西安：长安大学，2021.19