炎熱地區(qū)高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青工程適用性研究

謝澤華， 呂大春， 劉斌清

(1.廣西交通科學(xué)研究院有限公司， 廣西 南寧 530007； 2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心)

透水瀝青路面是一種新型開(kāi)級(jí)配瀝青路面，區(qū)別于常規(guī)應(yīng)用的密級(jí)配瀝青混合料路面，其空隙率為18%～25%，是常規(guī)路面空隙率的5～6倍。由于其大空隙率的特點(diǎn)，使得透水瀝青路面不但具備傳統(tǒng)瀝青路面的使用性，而且兼具了透水降溫、高速抗滑、多孔降噪等特點(diǎn)，近年來(lái)，在中國(guó)部分地區(qū)得到了大力推廣應(yīng)用。但它大空隙的特點(diǎn)，使其相對(duì)于密級(jí)配瀝青路面更容易受到雨水、紫外線(xiàn)、氧氣等不利因素的侵蝕，故一般選用價(jià)格昂貴、性能優(yōu)異的高黏改性瀝青進(jìn)行鋪筑，由于造價(jià)昂貴，嚴(yán)重地制約了透水瀝青路面在中國(guó)的發(fā)展。

橡膠是一種高彈性、高阻尼、抗老化特性的材料。采用廢舊輪胎加工的橡膠粉對(duì)高黏瀝青進(jìn)行復(fù)合改性可以進(jìn)一步提高高黏瀝青的彈性、韌性、黏結(jié)性能及抗老化性能，這樣既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊資源循環(huán)利用，又能大幅降低材料成本，為此研發(fā)了一種高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青。為了研究高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青(HRVA)在炎熱地區(qū)的工程適用性，該文優(yōu)選國(guó)內(nèi)外兩種高黏改性瀝青與高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青進(jìn)行性能對(duì)比和優(yōu)選，并且根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)高性能橡膠高黏改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)炎熱地區(qū)工程最關(guān)心的高溫性能做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期得出最優(yōu)的配比設(shè)計(jì)，并通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路驗(yàn)證高性能橡膠高黏改性瀝青在炎熱地區(qū)的工程適用性。

1 試驗(yàn)原材料與儀器介紹

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用70#A級(jí)道路石油瀝青作為試驗(yàn)基質(zhì)瀝青，基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：所采用的基質(zhì)瀝青滿(mǎn)足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

研究采用的兩種高黏改性劑分別為日本TPS和中國(guó)產(chǎn)S型高黏改性劑，均為淡黃色顆粒狀物質(zhì)，摻量(外摻)均設(shè)定為高黏改性劑常用摻量12%，而高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青(HRVA)中G型高黏改性劑摻量(外摻)為7%左右。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 高黏改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在135 ℃的烘箱中加熱1 h，然后加入一定比例的高黏改性劑攪拌均勻，放置于150 ～160 ℃的烘箱中，發(fā)育2 h后取出，在160～170 ℃的溫度下高速剪切(4 000 r/min) 1 h，直至高黏改性劑全部溶解且分布均勻，制得高黏改性瀝青。

2 高黏改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

按照文獻(xiàn)[8]分別對(duì)摻量為12%TPS高黏改性瀝青、12%S型高黏改性瀝青及高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)及5 ℃延度試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同種類(lèi)高黏改性瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

從表2可知：3種高黏改性瀝青的針入度相比基質(zhì)瀝青均有所下降、軟化點(diǎn)均得到極大改善、5 ℃延度均得到提高。這說(shuō)明高黏改性劑和高性能橡膠復(fù)合改性均可極大地提高基質(zhì)瀝青的性能，其中高性能橡膠復(fù)合改性高黏瀝青的高溫性能最好，S型高黏改性瀝青的低溫性能最好。

2.2 布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果

黏度代表瀝青的黏滯性。3種高黏改性瀝青的布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下高黏改性瀝青布氏黏度

從圖1可知：不同溫度下，高黏改性瀝青結(jié)合料的布氏黏度均隨著溫度升高而降低，其中HRVA高黏瀝青的布氏黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TPS和S型高黏改性瀝青，這表明高溫狀態(tài)下，HRVA呈現(xiàn)出更強(qiáng)的黏結(jié)力和抵抗流動(dòng)變形能力，相比TPS和S型高黏改性瀝青更適用于炎熱地區(qū)的工程應(yīng)用。

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)態(tài)剪切流變儀檢測(cè)得到的瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

圖2 車(chē)轍因子隨溫度變化關(guān)系

圖3 相位角正切值隨溫度變化關(guān)系

由圖2可得：① 3種高黏改性瀝青的車(chē)轍因子均隨著溫度的升高而降低，其中HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的車(chē)轍因子最大，TPS高黏改性瀝青的車(chē)轍因子最小。這表明隨著溫度的升高，高黏改性瀝青抵抗高溫的能力不斷減弱，但是三者中HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的抗高溫能力最強(qiáng)；② 即使溫度達(dá)到82 ℃，HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的車(chē)轍因子仍然達(dá)到10 kPa，遠(yuǎn)超美國(guó)ASSHTO規(guī)范中高溫抵抗能力失效值1 kPa。表明HRVA復(fù)合改性高黏瀝青具備超高的抗高溫能力。

由圖3可得:TPS和S型高黏改性瀝青的相位角正切值均隨著溫度的升高而增大；HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的相位角正切值隨著溫度的升高而降低。這表明隨著溫度升高，TPS和S型高黏改性瀝青的黏性成分不斷增加，彈性成分不斷降低；而HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的黏性成分不斷降低，彈性成分不斷增加，恢復(fù)能力不斷增強(qiáng)，抵抗高溫的性能不斷提高。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是常規(guī)的高黏改性瀝青因?yàn)闇囟鹊纳咴黾恿藶r青中的分子熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致瀝青中的黏性成分增加，從而占據(jù)主導(dǎo)地位；而膠粉在HRVA復(fù)合改性高黏瀝青中起到“彈性存儲(chǔ)”作用，隨著溫度的升高，可以不斷釋放彈性成分，增強(qiáng)高溫抵抗不可恢復(fù)變形能力。

3 配合比設(shè)計(jì)

廣西作為濕熱地區(qū)的代表，各地年平均氣溫為16.8～23.3 ℃，夏季氣溫最高達(dá)38 ℃以上，同時(shí)降水充沛，干濕分明，雨熱同期，是中國(guó)降水量最豐富的省區(qū)之一。每年4-9月為雨季，總降水量占全年降水量的70%～85%，容易發(fā)生城市內(nèi)澇等災(zāi)害。因此，該文根據(jù)廣西濕熱同期的氣候條件，設(shè)計(jì)大孔隙、抗高溫及高耐久的排水瀝青路面混合料。

3.1 礦料基本指標(biāo)及級(jí)配設(shè)計(jì)

目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)所用粗集料為1#(10～15 mm)、2#(5～10mm)輝綠巖碎石，細(xì)集料為3#(0～3 mm)輝綠巖機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r礦粉，瀝青選用HRVA復(fù)合改性高黏瀝青，制備PAC-13混合料(簡(jiǎn)稱(chēng)：HRVA-PAC13)。各檔集料及填料的篩分級(jí)配、吸水率及密度試驗(yàn)均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。礦料級(jí)配設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 油石比確定

將HRVA-PAC13混合料油石比分為5組，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，按礦料級(jí)配和油石比成型馬歇爾試件，進(jìn)行飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)，確定最高油石比OACmax與最低油石比OACmin。不同油石比下瀝青混合料的體積指標(biāo)、析漏試驗(yàn)及飛散試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同油石比下HRVA-PAC13混合料試驗(yàn)結(jié)果

由表4可得：隨著油石比的增加，HRVA-PAC13瀝青混合料的空隙率、連通空隙率及透水系數(shù)不斷減??；穩(wěn)定度、流值及析漏損失則呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；飛散損失則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這表明隨著HRVA復(fù)合改性高黏瀝青含量的增大，HRVA-PAC13瀝青混合料的空隙率和透水能力不斷下降，而抵抗變形能力、抵抗飛散能力及瀝青析漏能力存在最佳油石比。綜合以上性能及考慮經(jīng)濟(jì)效益，選定最佳油石比為5.0%。

3.3 性能驗(yàn)證

3.3.1 水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是瀝青路面耐久性的關(guān)鍵性指標(biāo)，采用浸水穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 HRVA-PAC13混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表5可得：在油石比5.0%下，HRVA-PAC13混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均遠(yuǎn)大于技術(shù)要求，表明HRVA-PAC13具有良好的抗水損害能力。這主要是因?yàn)镠RVA復(fù)合改性高黏瀝青中膠粉的加入，一方面提高了瀝青混合料抵抗紫外線(xiàn)等抗老化能力；另一方面由于膠粉吸油的特性，在析漏不增加的情況下，大大地增加了油膜厚度，提高了混合料抵抗水損害的能力和黏結(jié)強(qiáng)度。

3.3.2 高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

動(dòng)穩(wěn)定度是表征瀝青混合料抵抗高溫能力的重要指標(biāo)之一，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的要求，采用車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)HRVA-PAC13的高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可得：HRVA-PAC13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為要求值的兩倍左右，總變形量也較小，符合規(guī)范要求，這表明HRVA-PAC13混合料具有優(yōu)良的抗高溫強(qiáng)度和變形能力。

3.4 高溫性能優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高HRVA-PAC13混合料的高溫性能，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，增強(qiáng)炎熱地區(qū)用戶(hù)使用信心，保證炎熱地區(qū)的高溫使用性能。該節(jié)在上述配合比設(shè)計(jì)和不降低其他性能的基礎(chǔ)上，專(zhuān)門(mén)針對(duì)HRVA-PAC13高溫性能做進(jìn)一步優(yōu)化，主要采用以下幾種方案，即細(xì)集料輝綠巖替換成石灰?guī)r、微調(diào)油石比、增加填料用量及更換填料種類(lèi)。不同優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表7中方案1、2可得：當(dāng)細(xì)集料為輝綠巖時(shí)，增加礦粉用量，對(duì)HRVA-PAC13混合料的高溫性能影響較??；對(duì)比方案2、3可得：將細(xì)集料更換為石灰?guī)r后，HRVA-PAC13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較原來(lái)增加了約1倍，這主要是因?yàn)槭規(guī)r為堿性石料，可以很好地與瀝青吸附，形成黏結(jié)能力更強(qiáng)的膠漿，從而大大地提高了HRVA-PAC13混合料抵抗車(chē)轍的能力。對(duì)比方案3、4可得：適當(dāng)?shù)卦黾佑褪?，也可以提高?dòng)穩(wěn)定度，但效果遠(yuǎn)不如更換堿性細(xì)集料好。對(duì)比方案4、5可得：若將填料中一部分的礦粉用水泥代替，則會(huì)降低HRVA-PAC13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因?yàn)镠RVA復(fù)合改性高黏瀝青中的膠粉已經(jīng)將瀝青中富裕的輕質(zhì)組分充分吸收，當(dāng)再加入高堿性并且具有膨脹作用的水泥后，HRVA-PAC13混合料則會(huì)出現(xiàn)吸油不足而發(fā)生微裂縫，從而導(dǎo)致HRVA-PAC13混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降。

綜合上述，HRVA-PAC13混合料的最佳油石比為5.2%，細(xì)集料采用石灰?guī)r，粗集料采用輝綠巖，材料組成比例為：1#料∶2#料∶3#料∶礦粉=50∶32∶14∶4。

4 實(shí)際工程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證HRVA-PAC13混合料的實(shí)際工程效果，在廣西某高速公路進(jìn)行400 m的試驗(yàn)路鋪筑，施工前一天對(duì)中面層進(jìn)行封水處理，灑布兩遍SBS改性乳化瀝青作為封層，經(jīng)過(guò)滲水檢測(cè)合格后再進(jìn)行HRVA-PAC13的施工(滲水系數(shù)≤300 mL/min)。施工機(jī)械采用大功率DT-1900攤鋪機(jī)，攤鋪溫度為180 ℃；兩臺(tái)鋼輪壓路機(jī)并行碾壓，初壓次數(shù)為1～2遍，復(fù)壓3～4遍，碾壓溫度為150～170 ℃，最后當(dāng)路面溫度降至90～110 ℃時(shí)，再上1臺(tái)膠輪壓路機(jī)，碾壓1遍。當(dāng)路面溫度降至常溫之后，即可對(duì)HRVA-PAC13路面進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果

由表8可得：試驗(yàn)路各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)都滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且均有富余；從現(xiàn)場(chǎng)鋪筑效果來(lái)看，試驗(yàn)路表面平整、滲水良好、無(wú)坑槽、泛油等不良病害。表明HRVA-PAC13混合料具有良好的實(shí)際工程效果和可期的應(yīng)用前景。

5 工程適用性分析

經(jīng)濟(jì)效益分析：HRVA復(fù)合改性高黏瀝青由于膠粉的摻入，一方面具有加筋作用，在混合料中不需要再額外添加纖維；另一方面膠粉價(jià)格低廉，在不降低性能的基礎(chǔ)上，膠粉可以替代正常高黏改性劑摻量的5%左右，相比常規(guī)高黏改性瀝青每噸造價(jià)降低15%。材料單價(jià)及材料價(jià)格計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表9。

表9 材料價(jià)格計(jì)算結(jié)果

力學(xué)性能分析：在瀝青性能上，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外兩種高黏改性瀝青的性能可得，HRVA復(fù)合改性高黏瀝青的黏結(jié)性能和抗高溫性能顯著，其他方面的性能與常規(guī)高黏改性瀝青相當(dāng)。在混合料性能上，HRVA-PAC13混合料在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，具備優(yōu)良的抗車(chē)轍性能。

綜上所述可得，HRVA-PAC13混合料經(jīng)過(guò)體積指標(biāo)和路用性能驗(yàn)證，滿(mǎn)足規(guī)范要求，工程性能優(yōu)良，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，適用于炎熱地區(qū)的工程應(yīng)用。

6 結(jié)論

(1) 相比國(guó)內(nèi)外兩種常用高黏改性瀝青，HRVA復(fù)合改性高黏瀝青具有更高的軟化點(diǎn)、布氏黏度、車(chē)轍因子及彈性成分，表明HRVA復(fù)合改性高黏瀝青具有更高的抗高溫性能、高溫黏結(jié)性能及高彈性成分。

(2) 按照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)HRVA復(fù)合改性高黏瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和高溫性能優(yōu)化，設(shè)計(jì)結(jié)果符合規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)高溫性能優(yōu)化后的HRVA-PAC13混合料具有顯著的抗高溫性能，其中采用堿性細(xì)集料效果最佳，滿(mǎn)足炎熱地區(qū)的工程性能。

(3) 通過(guò)對(duì)HRVA復(fù)合改性高黏瀝青及混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)、配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)路的鋪筑，驗(yàn)證了HRVA-PAC13在炎熱地區(qū)的工程適用性，同時(shí)相比常規(guī)高黏改性瀝青造價(jià)降低15%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。