橡胶粉SBS复合改性排水沥青混凝土路用性能研究

橡胶粉 SBS复合改性排水沥青混凝土路用性能研究

刘建军 1，陈搏 2

1. 中国路桥工程有限责任公司，北京 100011； 2.华南理工大学土木与交通学院 广州 510641

摘要：排水沥青路面（PAC）通常采用开级配设计，具有突出的透水和降噪优势。为了提高排水沥青混凝土耐久性，提出了采用废旧橡胶粉和SBS进行沥青复合改性的方式，通过高速剪切共混法制备了不同胶粉掺量的胶粉SBS复合改性沥青，并通过析漏试验、劈裂试验、回弹模量试验、渗水系数试验对排水沥青混凝土的路用性能进行研究。实验结果表明：SBS和橡胶粉的添加，降低了排水沥青混凝土的渗水系数，但显著提高了排水沥青混凝土的抗车辙能力、回弹模量，但最佳胶粉掺量不宜超过15%。添加胶粉后，排水沥青混凝土的劈裂强度（ITS）和冻融劈裂强度残留比（TSR）提高，胶粉能够一定程度上提高排水沥青混合料的低温抗裂和抗水损害性能。

关键词：胶粉；排水路面；路用性能；渗水系数

中图分类号：U41 文献标识码：B

1 引言

排水沥青混合料是一种存在丰富的连通空隙，具有透水、降噪、防滑等功能的开级配混合料。在降雨时能够在路表形成快速排水通道，防止雨水在路面汇集带来的行车安全隐患。同时，表面丰富的空隙和较大的构造深度，又使排水路面有良好的静音功能，在一些发达国家和地区已经得到了广泛的应用^[1]。随着海绵城市建设理念以及对交通安全重视程度的不断提升，排水沥青路面在我国也受到了广泛关注，是一项极有推广前景的新技术。

排水沥青路面应用最早可追溯与19世纪50年代英国开发的“无砂大孔混凝土”。进入20世纪，英国最先将多孔沥青路面应用于机场跑道建设，以提高飞机起降的安全性能。美国、荷兰等国家也于60年代开始研发排水沥青混凝土。我国从上世纪90年代开始研究排水型混凝土材料以来，取得了一些进展，特别是近年来随着海绵城市建设的大力推进，排水沥青混凝土新材料、新结构方面涌现出越来越多的成果^[2-3]。Andres等人提出了采用聚丁二烯树脂做胶结料，采用干燥石英砂做集料，通过空气氧化交联硬化的方式，制备强度高、渗透性好、耐酸碱的排水路面材料^[4]。Lukas等人研发了聚氨酯做胶结料的透水砖，并系统评价了材料强度和渗透率^[5]。秦升益等人采用亲水性聚合物和风积沙为原料，结合粘合压制工艺制备了“生泰砂”透水砌块砖^[6]。考虑到排水沥青混合料大空隙设计带来的抗车辙、抗开裂以及水稳定性的降低，目前一般采用提高沥青胶结料粘度的方式来实现排水功能与路用性能的平衡。SBS与废旧轮胎橡胶粉作为常用的沥青改性剂，能够在沥青中形成相互交联的三维网状结构，从而提高沥青胶结料综合路用性能。Heitzman等人早在上世纪80年代就尝试将橡胶粉以直接代替部分骨料的形式添加到间断级配的沥青磨耗层混合料中^[7]。Vankirk等人在密集配沥青混合料中添加了细度较高的橡胶颗粒，发现不仅高温稳定性有了明显的提升，同时还具有一定的除冰雪性能^[8]。近年来，林鹏、唐乃鹏等人针对胶粉SBS复合改性沥青，从复配改性工艺、材料性能评价等多个角度进行了系统研究^[9-10]，论证了胶粉SBS复配改性沥青优异的路用性能，为其在排水沥青混合料中的应用奠定了基础。本文采用PAC-16排水沥青混凝土，进行橡胶粉和SBS改性前后相关路用性能与排水功能的对比研究，以指导排水式沥青路面的材料设计。

2 原料与方法

2.1 沥青

本研究主要采用70号道路石油基质沥青，技术指标见表1。

表1 基质沥青技术指标

2.2 改性剂及用量

本研究采用40目橡胶粉进行掺配改性，橡胶粉粒径筛分结果见表2。通过“湿法”先制备橡胶沥青，设计的胶粉掺量为10%、15%和20%。SBS改性剂掺量为4%。

表2 橡胶粉筛分结果

2.3 胶粉/SBS复合改性沥青制备

首先将基质沥青预热到180℃，加入称量好的SBS改性剂和工业硫磺（稳定剂），通过剪切搅拌方式进行研磨（剪切速率6000转/min），然后让SBS在沥青中溶胀发育（时间为1.5小时）；最后加入橡胶粉，继续剪切搅拌，让橡胶粉溶胀1.5小时，便制备完成。

3 结果与分析

3.1 配合比设计

混合料制备所用的集料选择玄武岩，采用0～3mm，3～5mm，5～10mm，10～18mm四种规格，以PAC-16目标配合比为参考级配，调节各档集料的质量比例，采用细配法制备试件，合成级配曲线见图1。

图1 排水沥青混凝土合成级配曲线

3.2 排水沥青混凝土制备

试件采用马歇尔击实方式成型，根据试验规程，双面击实各50次。分别设置4.5%，5%，5.5%，6%的沥青含量进行最佳沥青含量标定。同时采用4%SBS，4%SBS+10%胶粉，4%SBS+15%胶粉，4%SBS+20%胶粉为实验组，进行对比实验。

图2 肯塔堡飞散损失与沥青用量关系图

如图2所示，当沥青用量较低时，改性后排水沥青混凝土的飞散损失有较大的增长，特别是加入橡胶粉后，其飞散损失进一步增大。随着沥青用量的增加，改性作用对飞散损失的影响越来越小。当沥青用量在6%左右时，对照组与实验组试件的飞散损失无明显差异。其原因可能是改性剂的加入虽然有利于提高沥青材料的力学性能，但一定程度上降低了基质沥青的用量，从而降低了集料间的粘附性，从而导致飞散损失的提高，而随着沥青用量的提高，这一负面作用减弱，因此表现出对照组与实验组的趋同化。

图3 排水沥青混凝土空隙率与沥青用量

图3给出了排水沥青混凝土空隙率随沥青用量的变化趋势。可以看出，随沥青用量的增加，混凝土空隙率呈下降趋势。当沥青用量达到6%时，除“4%SBS+10%胶粉”和“4%SBS”两种改性方案外，其他均满足18%的最低空隙率要求。以“4%SBS+20%胶粉”胶结料方案在6%沥青用量时对应的空隙率作为设计标准，反推各胶结料方案的沥青用量，如表3所示。同时采用析漏试验进行配合比验证，如表3所示，各配合比方案的析漏率测试结果均满足不高于0.3%的规范上限。

表3 最佳沥青用量与析漏率

3.3 冻融劈裂试验

排水沥青混凝土大孔隙的设计提高了水损害和开裂的风险，本文采用动容劈裂试验对排水沥青混凝土的抗裂性能和水稳定性能进行评价。如图4所示，与基质沥青相比，添加SBS改性剂后，排水沥青混凝土在冻融前后的劈裂强度都表现出显著提升，并且其冻融劈裂强度残留比也表现出提升，说明SBS对排水沥青混凝土的抗裂性能和水稳定性能具有显著的改善作用。而添加橡胶粉后，虽然其劈裂强度表现出轻微下降，但残留强度比均表现出一定的提升。但随着胶粉掺量从10%向20%的逐渐增加，其冻融劈裂残留强度比表现出一定的下降。这说明橡胶粉对改善排水沥青混凝土的水稳定性能具有一定改善作用，但橡胶粉掺量不应过大。结合排水沥青混凝土对冻融劈裂残留强度比80%的下限要求，可以选取10%或15%的橡胶粉掺量。

图4 排水沥青混凝土冻融劈裂试验结果

3.4 汉堡车辙试验

排水沥青混凝土开级配和大孔隙的设计，集料颗粒之间的接触点较少，嵌锁作用相对较弱，同时压实次数较少，一定程度上削弱了其高温稳定性能，特别是在重载交通下的抗车辙能力，一直是排水沥青混凝土的关注热点。采用汉堡车辙试验对不同改性剂产量下的混合料抗车辙能力进行评价，试验温度为干式45℃，车辙板厚度为50mm，加载次数为8000次，以最终车辙深度为评价指标。

如图5所示，SBS与橡胶粉对排水沥青混合料的抗车辙能力均有显著提升作用。当采用 “4%SBS+10%胶粉”组合方案时，其车辙深度相比基质沥青已经降低超过50%。而随着胶粉掺量的进一步增加，还会继续提高其抗车辙能力。其原因在于橡胶粉本身具有较强的弹性恢复能力，同时SBS改性沥青的三维网状结构，也有利于改善基质沥青本身的粘弹性性能。

图5 排水沥青混凝土车辙试验结果

3.5 回弹模量试验

采用静压法测定排水沥青混凝土抗压回弹模量，测试温度为20℃。如图3所示，SBS改性剂对排水沥青混凝土回弹模量的提升效果明显。当橡胶粉掺量为10%时，混凝土弹性模量表现出进一步的提升。但是随着胶粉掺量的增加，其回弹模量开始表现出下降趋势，当橡胶粉掺量为20%时，出现显著降低。其原因有以下两方面解释：首先，添加橡胶粉提高了沥青胶结料的粘度，因此当胶粉掺量较低时，混合料模量表现出上升。当胶粉掺量提高到一定范围时，橡胶粉开始部分充当细集料作用，其自身较低的弹性模量降低了混凝土整体的模量。从而表现出回弹模量的突然下降。

图6 排水沥青混凝土回弹模量试验

3.6 渗水系数实验

采用《试验规程》(JTG E20-2011)的变水头测试方法进行渗水系数测定。如图7所示，在混合料空隙率基本一致的情况下，添加SBS和橡胶粉会削弱排水沥青混凝土的渗水系数，特别是当橡胶粉掺量达到20%时，对渗水系数的降低作用更加明显。其原因可能是胶粉掺量过高时，充当了部分细集料的作用，虽然空隙率保持恒定水平，但其中连通空隙占比下降，从而导致渗水系数的降低。

图7 排水沥青混凝土渗水系数试验结果

4 结语

通过研究不同胶粉掺量下的橡胶粉SBS复配改性排水沥青混凝土性能，可以得到以下结论：

（1）在相同空隙率情况下，随着胶粉掺量的增加，排水沥青混合料的最佳沥青用量逐渐提高。但4%SBS改性剂和10%的胶粉掺量对最佳沥青用量的影响作用不显著。

（2）添加橡胶粉和SBS改性剂，有利于改善排水沥青混凝土的水稳定性与抗开裂能力，但橡胶粉的掺量不易过大，应以10%—15%为宜。

（3）添加橡胶粉和SBS改性剂能够明显提高排水沥青混凝土的抗车辙能力与回弹模量，但胶粉掺量高于一定量时（一般15%），会造成排水沥青混凝土回弹模量的显著降低。因此排水沥青混凝土制备过程中，橡胶粉掺量不宜超过15%。

（4）空隙率相同条件下，橡胶粉SBS复配改性排水沥青混凝土渗水系数较常规基质沥青排水混凝土低，因此为保证渗水能力，可以适当提高橡胶粉SBS复配改性排水沥青混凝土设计空隙率。

参考文献

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