穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料設(shè)計與工程應(yīng)用

荊靖，董光彬，周濤，耿立濤

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟南250101；2.山東省高速路橋養(yǎng)護有限公司，山東濟南250032）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)廢舊車輛輪胎數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，我國每年的廢舊輪胎產(chǎn)量達1.3億條，占用土地資源、污染環(huán)境，且存在火災(zāi)隱患［1］。將廢舊輪胎加工成橡膠粉、對其二次利用是國際上通用的處理方法，其中應(yīng)用于公路行業(yè)是主要途徑之一［2－3］。除廢舊輪胎膠粉得以再生利用的優(yōu)點之外，以橡膠粉制備橡膠瀝青可以提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，鋪筑的瀝青路面具有低噪音、長壽命、減薄路面厚度等優(yōu)勢，并且橡膠粉可以替代常用的SBS等改性劑，經(jīng)濟效益顯著［4－5］。

然而，目前道路工程中常用的橡膠瀝青存在下述主要缺點：（1）高溫制備、瀝青老化嚴重；（2）高溫粘度大、施工和易性差；（3）對反應(yīng)時間敏感、存儲穩(wěn)定性差；（4）現(xiàn)場生產(chǎn)工藝、設(shè)備周轉(zhuǎn)不便；以上缺點限制了其在實際工程中的推廣應(yīng)用。

針對上述問題，山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院開展了橡膠瀝青專題研究，通過添加特殊助劑、采用特定生產(chǎn)工藝等方式，提高了橡膠瀝青的施工和易性和存儲穩(wěn)定性、實現(xiàn)了橡膠瀝青的工廠化生產(chǎn)，將其命名為穩(wěn)定型橡膠改性瀝青SRMA（stabilized rubber modified asphalt）［6－7］。

文章依托實際工程，針對穩(wěn)定型橡膠改性瀝青開展了混合料設(shè)計、性能評價與工程應(yīng)用等研究工作。在對穩(wěn)定型橡膠改性瀝青技術(shù)性能試驗評價的基礎(chǔ)上，以其作為結(jié)合料設(shè)計了SMA-13型瀝青混合料，評價了穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性等路用性能，并以動態(tài)模量試驗分析了瀝青混合料的力學(xué)性能，設(shè)計成果應(yīng)用于2013年京臺高速公路養(yǎng)護工程的表面層施工中。穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料具有良好的使用性能，經(jīng)濟效益明顯。

1 穩(wěn)定型橡膠改性瀝青的技術(shù)性能測試

本研究依托實際工程，對工廠化生產(chǎn)的成品穩(wěn)定型橡膠改性瀝青分別進行了針入度分級體系和SHRP瀝青膠結(jié)料PG分級體系下的技術(shù)性能測試工作，試驗結(jié)果見表1。

由表1可以看出，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青具有較低的高溫粘度和離析指標(biāo)，因而具有較好的施工和易性和存儲穩(wěn)定性。從PG分級指標(biāo)來看，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青達到了PG 76－28，優(yōu)于常用的齊魯70＃瀝青（通常為PG 64－22）和SBS改性瀝青（通常為PG 70－28或PG 76－22），因此具有更廣的地區(qū)適用性。

表1 穩(wěn)定型橡膠改性瀝青的技術(shù)性能

2 穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料SMA-13設(shè)計

本研究中SMA-13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料設(shè)計所用原材料均來源于實際工程，粗、細集料均為優(yōu)質(zhì)玄武巖石料，粒徑分別為10～15、5～10和0～3 mm三檔，瀝青結(jié)合料選用前述工廠化生產(chǎn)的成品穩(wěn)定型橡膠改性瀝青，填充料采用石灰?guī)r磨細礦粉和木質(zhì)素纖維。礦料篩分試驗和物理指標(biāo)測試結(jié)果見表2、3，選定的設(shè)計級配曲線如圖1所示。

表2 礦料的篩分試驗結(jié)果

以馬歇爾方法進行SMA－13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料設(shè)計。瀝青混合料拌和與馬歇爾試件成型時的控制指標(biāo)如下：礦料加熱溫度為180～185℃，瀝青加熱溫度為165～170℃，在175～185℃條件下進行混合料拌和，然后在170～175℃進行馬歇爾試件成型，雙面各擊實75次。設(shè)計木質(zhì)素纖維摻量為0.3%，經(jīng)試驗確定最佳油石比為6.3%，有關(guān)設(shè)計參數(shù)的測試結(jié)果見表4，可見各項指標(biāo)均滿足JTG F40—004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求［8］。

表3 礦料的物理指標(biāo)

圖1 SMA-13瀝青混合料設(shè)計級配曲線圖

表4 SMA-13瀝青混合料的設(shè)計參數(shù)

3 穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料SMA-13的路用性能與力學(xué)性能評價

對所設(shè)計的SMA-13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料進行了高溫、低溫和水穩(wěn)定性的性能評價。依據(jù)JTG F40—004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求［8］，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性分別采用60℃車轍試驗測定的動穩(wěn)定度、－10℃小梁彎曲試驗測定的破壞應(yīng)變和凍融劈裂試驗測定的凍融劈裂比進行評價，試件成型及性能測試依據(jù)JTG E20—011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行［9］。為進行對比，還以我省常用的SBS改性瀝青，制備了相同級配和油石比的試件，并進行了相應(yīng)的路用性能對比試驗。

表5列出了兩種混合料各項路用性能指標(biāo)的測試結(jié)果，可見兩種瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。由凍融劈裂比的測試結(jié)果比較可以看出，二者的水穩(wěn)定性接近，而在高、低溫性能上，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料具有優(yōu)勢，動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變分別提高了18.5%和12.8%。

表5 兩種混合料路用性能指標(biāo)測試結(jié)果

對SMA－13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料進行了動態(tài)模量試驗，用以評價其力學(xué)性能。瀝青混合料以旋轉(zhuǎn)壓實儀成型并切割成100 mm（直徑）×150 mm（高）試件。動態(tài)模量試驗在瀝青混合料簡單性能試驗系統(tǒng)（SPT）上進行，試驗溫度序列取為5、20、30和45℃，每個溫度條件下，加載頻率分別為 10、5、、5.1和 0.5 Hz。為進行對比，還以我省常用的SBS改性瀝青，制備了相同級配和油石比的試件，并進行了動態(tài)模量對比試驗?；跍y試結(jié)果，依據(jù)時間—溫度轉(zhuǎn)換原理建立了兩種瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線［10－12］，如圖 2所示。

圖2 穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線

可以看出，高頻荷載（相當(dāng)于低溫條件）作用下，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的動態(tài)模量低于SBS改性瀝青混合料，表明其具有更優(yōu)的低溫性能；而低頻荷載（相當(dāng)于高溫條件）作用下，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的動態(tài)模量可達SBS改性瀝青混合料的1.3倍，對抵抗高溫車轍更加有利。此外，力學(xué)性能分析結(jié)果與前述對穩(wěn)定型橡膠改性瀝青及其混合料的技術(shù)性能分析結(jié)果一致。

4 工程應(yīng)用

文章的研究成果在2013年7～8月京臺高速公路曲阜段養(yǎng)護維修工程中得到了應(yīng)用，SMA－13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料用于東幅樁號K528＋200～K522＋100施工段落的表面瀝青層施工，單層鋪筑厚度為4 cm，現(xiàn)場施工照片如圖3所示。施工完成運營至今，路況良好、未見任何病害，表明了穩(wěn)定型橡膠改性瀝青及瀝青混合料良好的路用性能。此外，與常用的改性瀝青相比，使用穩(wěn)定型橡膠改性瀝青鋪筑瀝青路面，材料成本節(jié)支達10%。

圖3 施工及現(xiàn)場照片圖

4 結(jié)論

文章依托實際工程，在穩(wěn)定型橡膠改性瀝青技術(shù)性能評價的基礎(chǔ)上，設(shè)計了SMA-13型穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料，分析了瀝青混合料的路用性能和力學(xué)性能，設(shè)計成果成功應(yīng)用于京臺高速公路曲阜段養(yǎng)護維修工程中。結(jié)果表明：

（1）穩(wěn)定型橡膠改性瀝青的性能分級為PG 76－28，優(yōu)于常用的SBS改性瀝青。

（2）與常用的SBS改性瀝青混合料相比，穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變分別提高了18.5%和12.8%，表明其在高、低溫性能方面均具有優(yōu)勢。

（3）穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料具有良好的使用效果和經(jīng)濟效益。

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