瀝青混合料水穩(wěn)定性的浸水試驗研究

■吳開輝

（福建省建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，福州 350009）

1 概述

20 世紀(jì)60 年代，Charles Mcdonald 發(fā)明了橡膠瀝青（AR）。1997 年美國ASTM 將橡膠瀝青定義為：由瀝青回收輪胎橡膠及一定的添加劑組成的混合料，其中膠粉的含量不少于總質(zhì)量的15%，且要求橡膠顆粒在熱瀝青中充分反應(yīng)并膨脹。橡膠瀝青是以廢舊輪胎粉為原料在高溫下通過與基質(zhì)瀝青溶脹反應(yīng)制得的瀝青膠結(jié)料。

我省屬于夏炎熱冬溫暖雨量充沛的1-4-1 區(qū)域，最易產(chǎn)生水損害并造成路面破壞嚴(yán)重，在降雨過程中，雨水進(jìn)入并滯留在表面層瀝青混合料的孔隙中，在大量快速行車的作用下，一次次產(chǎn)生的動水壓力使瀝青從碎石表面剝落下來，致使路面產(chǎn)生坑洞等病害。

橡膠瀝青作為一種高品質(zhì)的黏結(jié)劑，可明顯提高瀝青的黏彈性、高溫穩(wěn)定性能、低溫抗開裂、抗變形能力、抗水損害性能以及改善其抗老化能力和溫度敏感性。而以橡膠瀝青生產(chǎn)的混合料，由于其黏度高、軟化點高、稠度大、彈性恢復(fù)性強，使得其路面耐久性和疲勞壽命顯著提高，特別是開級配或間斷級配橡膠瀝青路面防滑功能高、減少雨天行車濺水、改善視野、降低噪聲，大大提高路面行車安全和舒適性。橡膠瀝青適用于各等級道路路面面層，舊水泥混凝土路面的“白加黑”改造工程，以及各類道路路面的養(yǎng)護(hù)。

浸水車轍試驗的水穩(wěn)定性評價方法是模擬汽車在雨天瀝青路面有水或積水情況下反復(fù)碾壓，汽車輪壓擠壓水產(chǎn)生動水壓力并對裹覆在骨料上的粘結(jié)材料受到?jīng)_刷作用，使粘結(jié)材料膜被剝離，從而導(dǎo)致瀝青混合料松散、骨料脫落等現(xiàn)場狀況來評價瀝青混合料抗水損害的能力，因此，橡膠瀝青路面將是城建改造道路發(fā)展的重要方向。

2 橡膠瀝青的配制

2.1 基質(zhì)瀝青的選擇

基質(zhì)瀝青的選擇與道路的交通量有關(guān)，交通量大、軸載重的道路宜選擇針入度小的基質(zhì)瀝青。配制橡膠瀝青采用的基質(zhì)瀝青，其標(biāo)號應(yīng)與鋪筑普通瀝青混合料相同，熱區(qū)常用的瀝青標(biāo)號為70 號。由于配制橡膠瀝青可以通過調(diào)節(jié)瀝青不同參數(shù)來達(dá)到所需要的性能，一般基質(zhì)瀝青可以采用含蠟量要求較低的B 級瀝青，而不一定非選A 級瀝青，以降低成本，但是絕不能采用劣質(zhì)瀝青。

2.2 橡膠粉

配制橡膠瀝青應(yīng)采用大宗輪胎產(chǎn)品的膠粉，其質(zhì)量與性能都相對比較穩(wěn)定，實際應(yīng)用應(yīng)根據(jù)橡膠瀝青的用途來選用膠粉的粒度，通常采用20～80 目。橡膠瀝青既要有高的黏度，又要有高的彈性性質(zhì)。

采用不同粒度膠粉制備橡膠瀝青其黏度的變化過程見圖2-1 及圖2-2。

圖2 -1 橡膠瀝青制備過程中黏度變化

圖2 -2 橡膠瀝青黏度與膠粉粒度的關(guān)系

采用40 目、60 目配制的橡膠瀝青，均勻性相對較好，能夠在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，而不易發(fā)生明顯沉淀，這樣有利于施工。

對于橡膠瀝青所用摻量，應(yīng)與它的用途、基質(zhì)瀝青的標(biāo)號、橡膠顆粒的粒度等因素有關(guān)，最終取決于橡膠瀝青的黏度和性質(zhì)。橡膠瀝青的黏度隨著膠粉劑量的增加而增大。此外，確定膠粉劑量還必須考慮施工的可能性，所配制的橡膠瀝青必須能夠便于管道輸送、拌和以及噴灑等作業(yè)，因此關(guān)于膠粉的劑量應(yīng)該通過試驗確定。

2.3 橡膠瀝青的制備溫度和時間

橡膠瀝青在制備過程中，溫度、攪拌并維持適當(dāng)?shù)臅r間是重要的控制參數(shù)，而以溫度最為關(guān)鍵。橡膠瀝青的制備溫度與所用膠粉粒度的粗細(xì)、膠粉摻加的劑量等因素有關(guān)。高溫條件下有利于橡膠顆粒的溶脹，且溫度越高溶脹速度越快。對于采用20 目的粗粒膠粉，為了能在相對較短的時間內(nèi)完成制備，故只有采取提高溫度，以加速膠粉的溶脹和裂解脫硫反應(yīng)過程。

圖2-3 橡膠瀝青制備溫度對其黏度的影響

圖2 -3 為對摻加劑量為15%的60 目橡膠瀝青的黏度變化測試結(jié)果。從上述試驗可以看出，對于采用40～60 目的膠粉，其制備過程中適宜的攪拌溫度約為175℃，再高的溫度不僅加快基質(zhì)瀝青的老化，而且對于設(shè)備和人員也會帶來不利影響，同時燃油的消耗也要大為增加，因此是沒有必要的。

橡膠瀝青攪拌制備所需的時間不僅與溫度有關(guān)，而且還與所用膠粉的粒度大小有關(guān)。從圖2-1 可以看出，不同粒度膠粉制備的橡膠瀝青，其黏度是不斷變化的，對于粗粒膠粉，攪拌時間需要長一些，才能獲得比較高的黏度。當(dāng)使用粗粒膠粉制備橡膠瀝青時，實際工程施工中還應(yīng)考慮在橡膠瀝青制備完成到使用完畢這個過程的黏度變化。一般來說，作為工程應(yīng)用，橡膠瀝青攪拌制備的時間大多控制在60min 左右，以免降低生產(chǎn)效率。

2.4 橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性

橡膠瀝青在制備完成后到使用完畢有一段時間，在熱儲存過程中希望它不發(fā)生沉淀離析，能夠始終保持上下均勻穩(wěn)定。

首先膠粉的粒度對儲存穩(wěn)定性有顯著影響，采用粗粒膠粉則容易發(fā)生沉淀，而精細(xì)膠粉則穩(wěn)定性較好。

其次儲存穩(wěn)定性與制備溫度和攪拌時間有很大關(guān)系，制備溫度高，硫化膠裂解溶脹充分，在長時間攪拌作用下，膠粉顆粒分散變小，發(fā)生離析沉淀可能性減小，反之制備溫度低，制備時間短，膠粉與瀝青反應(yīng)不充分，則容易發(fā)生沉淀離析。

另外，儲存穩(wěn)定性還與外摻劑有關(guān)，在橡膠瀝青制備過程中對膠粉進(jìn)行預(yù)處理或添加活化劑、相溶劑，都能有效的改善橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性。試驗在90 號基質(zhì)瀝青中摻加12%的膠粉，并摻加相溶劑和添加劑制備橡膠瀝青，試驗結(jié)果見表2-1。

表2 -1 采用摻加劑制備的橡膠瀝青的穩(wěn)定性

表中試驗數(shù)據(jù)表明，不同粒度的膠粉所制備的橡膠瀝青，其性能指標(biāo)基本上沒有明顯差別，均能獲得良好的穩(wěn)定性，這說明該工藝方法無論對哪種粒度的膠粉都能獲得滿意的效果。

3 浸水車轍試驗和凍融劈裂試驗

3.1 浸水車轍試驗

浸水車轍試驗是將試件置于車轍試驗儀中在60℃空氣溫度下保溫6h，再放入60℃水槽中，試件浸水深度1.5cm，恒溫30min 后進(jìn)行浸水車轍試驗。浸水車轍試驗的步驟和數(shù)據(jù)采集與常規(guī)車轍試驗一致。試驗結(jié)果匯總于表3-1。

表3 -1 浸水車轍試驗和車轍試驗結(jié)果匯總

表3 -2 凍融劈裂試驗結(jié)果

3.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗按照規(guī)范進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果見表3-2。

3.3 分析與討論

表3-1 的結(jié)果表明，無論是條件前還是條件后的動穩(wěn)定度結(jié)果不僅與級配類型有關(guān)，還與所用結(jié)合料的種類有關(guān)。當(dāng)結(jié)合料相同時，SMA-10 的動穩(wěn)定度最高，其次是OGFC-10 的動穩(wěn)定度最低。當(dāng)級配相同時，盡管混合料的油石比差異不大，但SMA-10 瀝青結(jié)合料的動穩(wěn)定度最高，SBS 改性瀝青的其次，而70#瀝青結(jié)合料的最低。這充分反映了粘度高、彈性好的橡膠瀝青結(jié)合料可獲得顯著的抗車轍能力。

在水穩(wěn)定性方面，浸水車轍（條件后）動穩(wěn)定度相比常規(guī)車轍（條件前）動穩(wěn)定度，當(dāng)級配相同時，動穩(wěn)定度絕對值越大，而且降低幅度越?。划?dāng)結(jié)合料相同時，不同級配的混合料條件后的動穩(wěn)定度降低幅度差異相對較大，SMA-10 混合料的最小。這表明級配類型對水損害的影響遠(yuǎn)比結(jié)合料類型更大。相比凍融劈裂試驗結(jié)果，結(jié)合料類型對水損害的影響遠(yuǎn)比級配類型要大。兩者結(jié)果的趨勢不一致。但綜合兩種實驗方法的結(jié)果來看，混合料設(shè)計不僅要重視選用適合的結(jié)合料，還要重視級配類型的設(shè)計和選用。

但是，浸水車轍試驗結(jié)果并沒有把不同結(jié)合料和不同級配的混合料抗水損害能力顯著區(qū)分開，但對橡膠瀝青混合料的抗水損害性能的優(yōu)劣也不能明顯區(qū)分開。說明瀝青混合料的確具有優(yōu)良的抗水損害性能，對級配變化不敏感。

4 橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性比較

水損害是瀝青路面在水或凍融循環(huán)的作用下，由于汽車車輪動態(tài)荷載的作用，進(jìn)入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生動水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)力、瀝青膜從石料表面脫落（剝離），瀝青混合料掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等的損壞現(xiàn)象。通常，因水的存在而使瀝青混合料性能受到影響的問題可統(tǒng)稱為瀝青混合料的水穩(wěn)定性問題。

4.1 橡膠瀝青與礦料的粘附性

瀝青的粘附性是指瀝青與其他物質(zhì)粘附的能力，瀝青與集料的粘附性好壞直接影響瀝青路面的使用品質(zhì)和耐久性。采用水煮法分別測試基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠瀝青與不同石料的粘附性，試驗結(jié)果見表4-1。

表4 -1 不同瀝青與石料的粘附性

試驗表明橡膠瀝青與各種石料表現(xiàn)出良好的粘附性，說明膠粉對瀝青粘附性的改善非常突出。

4.2 橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性

馬歇爾試驗是常用的瀝青混合料試驗方法，其殘留穩(wěn)定性也可以用來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。此外，由于凍融強度結(jié)果相對馬歇爾穩(wěn)定度變異性小，凍融強度比（TSR）也常被用來衡量瀝青混合料的抗水損害能力。

（1）浸水馬歇爾試驗。

浸水馬歇爾試驗體現(xiàn)的是殘留穩(wěn)定度的指標(biāo)，指在規(guī)定溫度60℃恒溫水槽中保溫48h 后的穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度的比值。殘留穩(wěn)定度越大，其瀝青混合料的水穩(wěn)定性就越好，試驗結(jié)果見表4-2。

表4 -2 混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果

從表4-2 可以看出，橡膠瀝青混合料殘留穩(wěn)定度較SBS 改性瀝青混合料有明顯提高，說明添加橡膠粉后，混合料的抗水害能力得到了增強。

（2）凍融劈裂試驗

凍融劈裂強度比（TSR），即凍融循環(huán)后的劈裂抗拉強度與未凍融循環(huán)的劈裂抗拉強度比值，TSR 值越大，水穩(wěn)性越好，試驗結(jié)果見表4-3。

表4 -3 不同瀝青混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果

通過試驗比較，橡膠瀝青混合料的凍融強度比TSR值滿足施工技術(shù)規(guī)范中大于80%的要求，并比其他兩種混合料的TSR 值大，反映了橡膠瀝青混合料較好的水穩(wěn)性能。

4.3 施工過程對水穩(wěn)性的影響

橡膠瀝青路面應(yīng)避免在寒冷、潮濕、雨天等氣候條件不利的季節(jié)施工，施工中若水分經(jīng)碾壓被封閉在橡膠瀝青混合料中，將嚴(yán)重影響集料與瀝青的粘結(jié)，影響鋪裝層與下層的粘結(jié)，這都將會埋下水損害隱患。

施工工藝對混合料的水穩(wěn)性的影響集中體現(xiàn)在壓實上，沒有得到很好壓實的瀝青混合料空隙率加大，對各種使用性能都有影響，開放交通后的行車碾壓會造成混合料的壓密變形而形成不正常的車轍，更嚴(yán)重的是水進(jìn)入孔隙成為水損害的禍根。

5 結(jié)語

根據(jù)瀝青及橡膠瀝青混合料的室內(nèi)試驗研究橡膠瀝青在浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究其抗水損害性能，結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)橡膠瀝青在水穩(wěn)性能方面發(fā)揮了良好的高黏性，與礦料的粘附性較基質(zhì)瀝青、改性瀝青有突出的改善，殘留穩(wěn)定度和TSR 值也較基質(zhì)瀝青、改性瀝青有較大的提高，橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求，且優(yōu)于SBS 改性瀝青和基質(zhì)瀝青；

(2)橡膠瀝青結(jié)合料和SMA-10 級配為最佳組合，無論是常規(guī)車轍動穩(wěn)定度還是浸水車轍動穩(wěn)定度，其高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能的效果最佳；

(3)要用浸水車轍試驗方法來評價橡膠瀝青混合料的抗水損害性能，其試驗方法還有待進(jìn)一步研究；

(4)浸水車轍試驗方法對粘度不高的瀝青混合料的抗水損害性能優(yōu)劣的區(qū)分，不如凍融劈裂試驗方法；

(5)但對不同級配的橡膠瀝青混合料的抗水損害性能的優(yōu)劣，浸水車轍試驗方法和凍融劈裂試驗方法均不能顯著區(qū)分，橡膠瀝青混合料的級配變化產(chǎn)生的影響。

［1］呂偉民.橡膠瀝青路面技術(shù).北京:人民交通出版社,2011.

［2］Carswell Jim.The Design and Performance of Thin Surfacing Layer［A］.International Flexible Pavements Conference ［C］.Mel-bourne Australia,2003.10.

［3］Judith B.Corley-Lay,Jeffery Neil Mastin.Ultrathin Bonded Wearing Course as Pavement Treatment for Pavements ［A］.Transportation Research Board of the National［C］,2007,12.