橡塑瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

翟殿鋼， 秘林源， 敖清文

(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢(xún)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550000)

受材料性質(zhì)影響，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍等病害。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量廢舊橡膠、塑料，將其直接廢棄，不僅造成環(huán)境污染，更是對(duì)資源的浪費(fèi)。因此，橡膠及塑料改性瀝青應(yīng)運(yùn)而生。研究表明在瀝青中加入橡膠可增強(qiáng)其低溫穩(wěn)定性，加入塑料可增強(qiáng)其高溫穩(wěn)定性。任瑞波等通過(guò)調(diào)整橡膠、塑料的比例，配置出A、B、C 3種穩(wěn)定型橡塑瀝青，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及試驗(yàn)路鋪筑驗(yàn)證了其高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青，水穩(wěn)定性可通過(guò)增加塑料的比例進(jìn)行提升；楊正軍通過(guò)向70#基質(zhì)瀝青中加入橡塑合金(TPE)得到橡塑合金改性瀝青，其動(dòng)穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、低溫性能均優(yōu)于SBS改性瀝青且試驗(yàn)路鋪筑效果良好；張濤等通過(guò)在瀝青中加入7.5%抗車(chē)轍劑、20%～22%橡膠粉及EVOTHERM-DAT溫拌劑，增強(qiáng)了混合料的動(dòng)穩(wěn)定度及水穩(wěn)定性；黃剛等通過(guò)正交試驗(yàn)研發(fā)新型橡塑高黏瀝青，其OGFC-13混合料性能滿(mǎn)足施工要求。但以上研究未考慮到各結(jié)構(gòu)層的核心功能不同，對(duì)瀝青的性能要求也不同。該文采用大摻量橡塑顆粒復(fù)合改性技術(shù)，通過(guò)調(diào)整橡膠、塑料的摻加比例，分別研發(fā)適用于上、中、下面層的新型橡塑瀝青，旨在通過(guò)提升各結(jié)構(gòu)層核心功能，延緩路面病害發(fā)展，提升路面性能。

1 原材料及配合比

1.1 橡塑瀝青

橡塑瀝青的主要原材料如下：基質(zhì)瀝青采用70#石油瀝青；橡膠采用輪胎廠生產(chǎn)的殘次品輪胎，橡膠含量≤45%，灰分含量≤8%；塑料為二級(jí)以上回收塑料，以高低密度聚乙烯為主；橡塑改性劑有3種，分別為C型(適用于上面層，可增強(qiáng)混合料抵抗溫度裂縫、疲勞裂縫及水損害的能力)、M型(適用于中面層，可增強(qiáng)混合料抵抗車(chē)轍、剪應(yīng)力的能力)、G型(適用于下面層，可增強(qiáng)混合料抵抗反射裂縫的能力)，其摻配方式和摻配比例見(jiàn)表1。

表1 原材料、橡塑改性劑摻配方式和摻配比例

根據(jù)各結(jié)構(gòu)層瀝青性質(zhì)差異，建立橡塑瀝青指標(biāo)體系，根據(jù)體系內(nèi)指標(biāo)要求對(duì)所用瀝青進(jìn)行檢測(cè)，得到各結(jié)構(gòu)層瀝青指標(biāo)(見(jiàn)表2)。

表2 各結(jié)構(gòu)層瀝青指標(biāo)

1.2 集料

采用六威(六盤(pán)水—威寧)高速公路(試驗(yàn)路)管理一處一標(biāo)段K30料場(chǎng)提供的優(yōu)質(zhì)玄武巖及石灰?guī)r，其中玄武巖用于SMA-13上面層，分為9.5～13.2、4.75～9.5和0～4.75 mm 3檔，分別編號(hào)1#、2#、3#；石灰?guī)r用于SUP-20下面層，分為19～31.5、9.5～19、4.75～9.5、0～4.75 mm 4檔，分別編號(hào)1#、2#、3#、4#；填料為礦粉。經(jīng)試驗(yàn)，所用集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

為便于試驗(yàn)研究，將各檔集料按標(biāo)準(zhǔn)篩孔篩分為單一粒徑，對(duì)各檔集料及礦粉的物理指標(biāo)和顆粒組成進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～5。

表3 SMA-13各檔集料的物理指標(biāo)

表4 SUP-20各檔集料的物理指標(biāo)

表5 礦粉的物理指標(biāo)

1.3 配合比

設(shè)計(jì)3種不同結(jié)構(gòu)層的橡塑瀝青混合料，用于橡塑瀝青性能研究及試驗(yàn)段鋪筑，其級(jí)配及油石比見(jiàn)表6～8。

表6 SMA-13橡塑瀝青混合料的級(jí)配組成

表7 SUP-20橡塑瀝青混合料的級(jí)配組成

表8 SUP-25橡塑瀝青混合料的級(jí)配組成

2 性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面層抗疲勞開(kāi)裂性能

表面層是與車(chē)輛輪胎直接接觸的層位，應(yīng)具備較好的抵抗疲勞開(kāi)裂的性能。采用C型橡塑瀝青、普通70#瀝青和SBS改性瀝青，相同集料及油石比配置3種SMA-13混合料進(jìn)行SCB(半圓彎曲)對(duì)比試驗(yàn)，方法如下：1) 成型直徑15 cm試件，高度15 cm左右。2) 對(duì)試件進(jìn)行切割，將頂部和底部各切去3～5 mm，保留中間部分，再將中間部分切成50 mm厚切片，側(cè)向不均勻的切片棄用。將切好的圓形切片沿直徑方向切成兩部分，得到SCB半圓形試件。3) 在半圓形試件直徑中心位置切口，切口深度15 mm，間距越小越好。試驗(yàn)設(shè)備由底邊的2個(gè)托輪和半圓弧中點(diǎn)的加載輪組成，采用滾軸作為加載條和托輪，以減少摩擦。SCB試驗(yàn)上部和下部加載環(huán)直徑為8 mm，2個(gè)托輪間的距離是SCB試件直徑的0.8倍(見(jiàn)圖1)，2a/D=0.8，其中D=100 mm。4) 試件在-10 ℃下保溫至恒定。5) 試驗(yàn)前，使上壓條與試件緊密接觸，預(yù)加荷載不超過(guò)300 N。啟動(dòng)MTS-810試驗(yàn)機(jī)，以0.005 mm/min的加載速率向試件加載直至破壞。荷載傳輸采用位移控制系統(tǒng)，以壓力機(jī)壓頭的位移作為垂直變形。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9、圖3。

圖1 SCB試件制作及加載

表9 瀝青混合料SCB試驗(yàn)結(jié)果

圖2 SCB試驗(yàn)測(cè)試的荷載-變形曲線

由圖9、圖2可知：與普通70#瀝青和SBS改性瀝青SMA-13相比，C型橡塑改性瀝青SMA-13的低溫柔韌性?xún)?yōu)勢(shì)明顯，在3種混合料中唯一呈現(xiàn)了柔性斷裂特性。不僅峰值斷裂變形值明顯高于SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青，而且其斷裂能比SBS改性瀝青高1倍以上(圖形面積為斷裂能)。說(shuō)明達(dá)到斷裂狀態(tài)，C型橡塑改性瀝青SMA-13需要更多的荷載作用次數(shù)，即抗疲勞開(kāi)裂的能力優(yōu)于其他2種混合料。

2.2 表面層抵抗低溫開(kāi)裂性能

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，環(huán)境溫度變化會(huì)使其使用性能發(fā)生顯著變化，使用溫度降低會(huì)使瀝青混合料的勁度和強(qiáng)度明顯增加，但變形能力顯著下降，并可能出現(xiàn)脆性破壞，造成瀝青路面低溫開(kāi)裂。采用上述試驗(yàn)配置的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試件采用由輪碾法成型的板塊試件切割而成的棱柱體試件，長(zhǎng)250 mm、寬30 mm、高35 mm，試件密度控制為馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)密度的(100±1)%。在MTS-810型瀝青混合料綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，測(cè)定瀝青混合料在-10 ℃、加載速率50 mm/min下彎曲破壞時(shí)的力學(xué)性質(zhì)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為最大彎拉應(yīng)變(破壞應(yīng)變)和彎曲勁度模量，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知：輪胎膠粉中含有豐富的天然膠成分，天然膠是一種高彈性物質(zhì)，能顯著改善瀝青混合料的低溫性能，具有優(yōu)異的抵抗疲勞開(kāi)裂的能力。對(duì)于SMA-13這種間斷級(jí)配類(lèi)型，橡塑復(fù)合改性瀝青的破壞應(yīng)變高于SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青，說(shuō)明橡塑復(fù)合改性瀝青具有更強(qiáng)的抗低溫開(kāi)裂能力。相比于其他改性瀝青，橡塑復(fù)合改性瀝青的耐疲勞和裂縫性能更優(yōu)越。

2.3 表面層抗凍融循環(huán)能力

對(duì)上述3種瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表11。由表11可知：相比于SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青，C型橡塑瀝青混合料具有更強(qiáng)的抵抗凍融循環(huán)的能力。

表11 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.4 中面層高溫穩(wěn)定性

在瀝青路面結(jié)構(gòu)中，為確保行車(chē)安全、增加行車(chē)摩阻系數(shù)，表面層一般按抗滑表層設(shè)計(jì)，表面粗糙，防滲水性能相對(duì)較低；下面層主要為整個(gè)路面結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐，并作為防止反射裂縫向上發(fā)展的主要功能層，故下面層主要考慮抗裂性能。在這樣的路面結(jié)構(gòu)功能分工下，抵抗車(chē)轍的功能(高溫穩(wěn)定性)自然落在了中面層上。針對(duì)這一現(xiàn)狀，以中面層為主要研究對(duì)象，對(duì)比研究M型橡塑復(fù)合SUP-20瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

采用M型橡塑瀝青、SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青(橡膠改性瀝青的抗車(chē)轍性能較好)，相同的集料及配合比配置3種SUP-20瀝青混合料，進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表12可知：對(duì)于SUP-20混合料，M型橡塑、SBS、橡膠改性瀝青混合料均具有優(yōu)異的高溫性能；與SBS改性、橡膠改性瀝青混合料相比，M型橡塑改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高35%～41%、45%～54%，說(shuō)明M型橡塑改性瀝青混合料具有相當(dāng)優(yōu)越的高溫抗車(chē)轍能力。對(duì)比M型橡塑、橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，塑料改性成分的摻入可明顯提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.5 下面層抗反射裂縫性能

對(duì)G型橡塑、普通70#和SBS改性瀝青混合料進(jìn)行剪切反射疲勞試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

圖3 剪切反射疲勞試驗(yàn)

由表13可知：G型橡塑改性瀝青混合料的剪切反射疲勞次數(shù)比其他2種混合料有所提高，具有更強(qiáng)的抵抗反射裂縫的能力。

表13 瀝青混合料剪切反射疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)路鋪筑

在貴州省六威(六盤(pán)水—威寧)高速公路六盤(pán)水北收費(fèi)站采用橡塑瀝青混合料鋪筑300 m試驗(yàn)路，1年后對(duì)試驗(yàn)路表觀及性能指標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)對(duì)象主要為上面層。以SBS改性瀝青路面作為對(duì)比。結(jié)果如下：

(1) 表觀(見(jiàn)圖4)。采用C型橡塑瀝青混合料鋪筑的上面層的顏色比SBS改性瀝青路面更黑，表面更粗糙，表面基本無(wú)病害，整體來(lái)看更美觀。

圖4 C型橡塑瀝青路面和SBS改性瀝青路面對(duì)比

(2) 性能指標(biāo)。收費(fèi)站為車(chē)輛集中路段，各類(lèi)車(chē)輛頻繁剎車(chē)、起步均會(huì)對(duì)路面造成影響。試驗(yàn)段構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表14。由表14可知：試驗(yàn)段構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水系數(shù)分別滿(mǎn)足≥0.55 m、≥54和≤60 mL/min的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)均較理想。

表14 試驗(yàn)段質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) C型橡塑改性瀝青適用于瀝青路面上面層，與SBS改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青相比具有更優(yōu)異的耐疲勞、抗裂、抗水損害性能；M型橡塑改性瀝青適用于中面層，與SBS改性瀝青、橡塑瀝青相比具有更高的高溫穩(wěn)定性；G型橡塑改性瀝青適用于下面層，與SBS改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青相比具有更強(qiáng)的抗反射裂縫能力。

(2) 從表觀上看，采用橡塑改性瀝青混合料鋪筑的路面比同時(shí)期鋪筑的SBS改性瀝青路面更黑，構(gòu)造深度更大；從跟蹤檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，建成1年后，橡塑瀝青混合料路面的構(gòu)造深度、滲水系數(shù)滿(mǎn)足驗(yàn)收要求，且摩擦系數(shù)在70以上，抗滑性能較好。