反应型橡胶改性沥青的温度敏感性及路用性能

高 榕，赵 乐

(1.西京学院 土木工程学院，陕西 西安 710123； 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710074)

0 引 言

目前，常见的沥青改性方法主要有橡胶类、热塑性橡胶类及橡胶粉改性沥青，SBS、SBR、PE等改性技术也日趋完善[1-4]。聚合物改性沥青性能良好，但由于生产成本较高，使得其在低等级公路工程中难以得到推广[5-6]。由于橡胶改性沥青具有较大的黏度及良好的高温恢复性能，提高了沥青混合料的耐久性，从而有效缓解沥青路面的高温车辙问题[7-8]；但橡胶沥青较大的黏度使得施工和易性较差，且内部的部分胶粉是以粒料形式存在的，未与沥青发生反应[9-10]，影响了混合料的级配组成。

针对不同的改性技术以及改性沥青的性能特点，国内外学者进行了大量研究。张永辉通过室内试验对SBS改性沥青和橡胶改性沥青的性能特点进行了对比分析，研究结果表明，与SBS改性沥青相比，橡胶粉改性沥青的低温性能和温度敏感性较好，橡胶改性沥青混合料具有较好的低温抗裂性能[11]。李赫通过自主设计的三点弯曲试验方法对橡胶改性沥青的低温劲度进行了测定，并对橡胶改性沥青及混合料应变随荷载时间和温度的变化规律进行分析，结果表明，加入橡胶粉后沥青的温度敏感性降低且黏弹性区域相对延长，使得橡胶粉改性沥青的变形能力明显优于基质沥青[12]。李波等以布氏黏度为指标对橡胶改性沥青性能的影响因素进行了研究，结果表明：废旧橡胶粉的性能及细度对橡胶改性沥青黏度的影响十分明显；橡胶粉掺量对橡胶沥青的黏度、胶粉与沥青间的反应作用以及沥青大分子含量影响显著；沥青中未反应的橡胶粉颗粒对橡胶沥青的黏度影响不大，而沥青大分子含量对沥青的黏度有较大影响[13]。

本文为解决橡胶改性沥青因黏度较大而影响施工和易性的问题，制备反应型橡胶改性沥青，对比不同改性沥青及基质沥青性能指标差异，通过黏温曲线和复数模量对反应型橡胶沥青的感温性进行研究。

1 反应型橡胶改性沥青

反应型橡胶改性沥青是一种新型改性沥青材料，主要由橡胶粉、基质沥青、有机活性矿物经过一定的生产工艺加工而成。反应型橡胶改性沥青特有的活性矿物通过有机高分子链条与沥青中的胶粉颗粒连接，增强了沥青与胶粉颗粒的相互作用[14]。本文选用SBS改性沥青、普通橡胶沥青、反应型橡胶沥青及70号基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对4种沥青的性能指标进行测定，检测结果如表1所示。

由表1可知：传统橡胶沥青的黏度值最大；与传统橡胶沥青相比，反应型橡胶沥青的针入度较大而黏度较低，其原因是反应型橡胶沥青在生产过程中橡胶粉和沥青之间的连接作用更为充分，而在溶胀达到一定程度后迅速发生脱硫作用，使不同橡胶分子间共同作用的连接断裂，从而降低了橡胶分子的分子量，最终导致反应型橡胶沥青的针入度增大、黏度降低。与SBS改性沥青相比，传统橡胶沥青和反应型橡胶沥青的延度明显降低，这是由于，在拉伸过程中部分胶粉颗粒在反应型沥青的截面上造成应力集中，导致试件发生断裂。与传统橡胶沥青相比，反应型橡胶沥青的延度提高了一倍，这是由于其特有的有机活化矿物将胶粉和沥青通过有机高分子链的形式连接在一起，消减了应力集中现象的发生。

表1 沥青基本性能

1.1 旋转黏度试验分析

中国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求沥青混合料在135 ℃条件下的布氏黏度不宜超过3 Pa·s，以保证其拌合流动性。为研究沥青在高温阶段的黏度变化，本文采用Brookfield旋转黏度计测定不同沥青在135 ℃～190 ℃的黏度变化规律，并根据黏温曲线评价各沥青的温度敏感性[15-17]。采用ASTM 2493推荐的Walther公式回归黏温曲线的斜率，通过黏温曲线斜率大小来表征各沥青的温度敏感性。

lglg (η×103)=m-nlgT

式中：η为旋转黏度(Pa·s)；T为开氏温度；n为黏度曲线斜率；m为截距。

图1 三种沥青黏温曲线

由试验结果(图1)可知：3种沥青各温度下的旋转黏度均随温度的增加而降低；各温度下反应型橡胶沥青的黏度均为最大，且随温度升高降低幅度最大，当温度为190 ℃时，其旋转黏度较135 ℃时降低了89%。根据3种沥青黏温曲线的斜率n评价各沥青的温度敏感性，评价结果如图2所示。由图2可知，基质沥青的温度敏感性最强，SBS改性沥青的黏温曲线斜率较基质沥青降低了5.7%，反应型橡胶改性沥青的温度敏感性最低，其黏温曲线斜率较基质沥青降低了22.7%。

图2 各沥青黏温曲线斜率

1.2 SHRP温度敏感性分析

本文采用美国SHRP设计体系中的复数模量指数法来评价沥青在各温度区间的温度敏感性。根据AASHTO T315试验方法，通过DSR动态剪切流变仪对各沥青在40 ℃～90 ℃范围内的温度敏感性进行测定，试验结果如图3、4所示。

图3 复数模量随温度的变化曲线

图4 相位角随温度的变化曲线

由图3可知，在40 ℃～90 ℃温度范围内，各沥青的复数模量变化趋势基本相同，复数模量的大小关系均未发生改变：反应型橡胶沥青复数模量最大，在40 ℃～70 ℃温度区间内变化幅度最为明显，当温度为70 ℃时其复数模量降低了86.4%；而SBS改性沥青和基质沥青复数模量的变化幅度及趋势基本相同，当温度为70 ℃时，SBS改性沥青和基质沥青的复数模量较40 ℃时分别降低了85.1%和87.5%。

由图4可知，在40 ℃～70 ℃温度范围内，3种沥青的相位角均未发生大幅度的变化，基质沥青的相位角最大，反应型橡胶沥青的相位角最小，由此可证明，反应型橡胶沥青更接近弹性材料。

现有研究表明，检测仪测定的复数模量G*双对数与温度T的对数存在如下线性关系。

lglgG=α·lgT+C

式中：G为复数模量G*；α为复数模量指数。

通过数据分析处理得到3种沥青的复数模量与温度的对数线性关系(图5)。以3种沥青的复数模量指数来评价3种沥青在各温度区间的温度敏感性，反应型橡胶沥青的温度敏感性最弱，基质沥青的温度敏感性最强，而SBS改性沥青介于二者之间。

图5 沥青复数模量双对数与温度对数关系

2 反应型沥青混合料的路用性能

由前文的研究结果可知，反应型橡胶沥青的性能与SBS改性沥青较为接近，故选择SBS改性沥青和传统橡胶沥青作为对比，进行反应型橡胶沥青混合料路用性能研究[18]。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对AC-13级配范围的规定进行混合料级配设计，见表2。

表2 混合料级配设计

初拟5.3%、5.6%、5.9%、6.2%四组油石比，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的方法成型马歇尔试件，并对其体积密度、空隙率等指标进行测定，最终确定混合料最佳油石比为5.6%。以相同方法确定SBS改性沥青混合料的最佳油石比为5.2%，传统橡胶改性沥青混合料的最佳油石比为5.8%。在最佳油石比下以规范中规定的试验方法对混合料的高温、低温、水稳定性能进行验证，试验结果见表3～5。

表3 冻融劈裂试验结果

表4 车辙试验

由试验结果可知：3种沥青混合料的高温、低温、水稳定性能均满足规范要求。在相同级配下，传统橡胶改性沥青混合料的沥青用量较大，反应型橡胶沥青混合料次之，而SBS沥青混合料的沥青用量最少；橡胶沥青与反应型橡胶沥青混合料的动稳定度相差不大，与SBS沥青混合料相比，反应型橡胶沥青混合料的动稳定度降低了42.6%，这是由于反应型橡胶沥青的软化点较低，在试验温度下沥青软化，荷载作用使骨料发生滑移造成动稳定度值偏低[19]。由冻融劈裂强度测试结果可知，传统橡胶沥青混合料的残留稳定度最大，反应型橡胶沥青混合料的残留稳定度降低了4%，SBS沥青混合料残留稳定度降低了12%。这是由于橡胶沥青的黏度较大，使得集料间的黏结性较强，且沥青中含有的胶粉增强了橡胶沥青混合料的弹性，使得橡胶沥青混合料的水稳定性较好。由小梁弯曲试验结果可知，反应型橡胶沥青混合料的低温抗裂性最好，橡胶沥青混合料的低温抗裂性最差。与反应型橡胶沥青混合料相比，SBS沥青混合料的劲度模量降低了8%，而传统橡胶沥青混合料的劲度模量降低了33%。这是由于反应型橡胶沥青中加入了有机活性矿物，这种二氧化硅活性矿物以有机高分子链条的形式将沥青分子与胶粉连接在一起，在沥青中形成网状结构，提高了材料的整体性，从而增强了沥青混合料的低温抗裂性能[20]。

表5 小梁弯曲试验

3 结 语

(1)通过室内试验对多种沥青的性能指标进行检测，与传统橡胶改性沥青相比，反应型橡胶沥青的针入度升高了31%，延度提高了1倍，黏度值降低了57%，施工和易性得到较大改善。

(2)根据黏温曲线和复数指数模量法对多种沥青的温度敏感性进行对比分析，发现反应型橡胶沥青的温度敏感性最低。在40 ℃～90 ℃温度范围内基质沥青、SBS沥青和反应型橡胶沥青的敏感性变化趋势基本相同；而反应型橡胶沥青的复数模量最大、相位角最小，说明反应型橡胶沥青更接近弹性材料。

(3)反应型橡胶沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能均满足规范要求。与SBS沥青混合料相比，传统橡胶沥青和反应型橡胶沥青混合料的高温稳定性能降低了40%左右，但二者的水稳定性能均优于SBS沥青混合料，且反应型橡胶沥青混合料的低温性能明显优于SBS沥青和传统橡胶沥青混合料。