橡膠/SBS 復(fù)合改性瀝青技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)施工中的應(yīng)用

崔 宇 韓方元 周 洋 徐騰飛,2 白軒宇

（1.寧夏交通建設(shè)股份有限公司,寧夏 銀川 750002；2.寧夏交建交通科技研究院有限公司,寧夏 銀川 750001；3.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750002）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車數(shù)量實(shí)現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致了廢舊輪胎大幅度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外研究表明，將廢舊輪胎加工成廢胎膠粉用于道路改性瀝青，一方面，能有效降低瀝青的溫度敏感性，增加瀝青的彈性，改善瀝青路面車轍和開(kāi)裂等病害，提高瀝青路面路用性能、使用壽命及行車安全性；另一方面，作為廢舊輪胎資源化、無(wú)害化利用的有效途徑，能緩解其導(dǎo)致的“黑色污染”問(wèn)題[1]。丁湛等[2]研究表明，膠粉顆粒體積膨脹引起的位阻效應(yīng)和溶解改性引起的瀝青黏滯度增強(qiáng)會(huì)大幅增大瀝青黏度，導(dǎo)致橡膠瀝青路面施工和易性差，且橡膠粉與瀝青間的相容性較差，在工程應(yīng)用中橡膠瀝青存在儲(chǔ)存穩(wěn)定性不佳等問(wèn)題。劉文昌等[3]研究表明，過(guò)度脫硫會(huì)對(duì)混合料高溫性能產(chǎn)生不利影響。謝國(guó)梁[4]研究表明，膠粉、SBS復(fù)合改性可兼顧橡膠和SBS性能。目前學(xué)者研究多停留在橡膠活化程度對(duì)瀝青的性能影響階段，鮮有綜合性工程應(yīng)用研究。基于此，本文以某一公路工程養(yǎng)護(hù)施工為例，對(duì)橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)進(jìn)行深入研究，為相關(guān)施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

某公路合同段起訖樁號(hào)為K4+300～K6+400，該路段為雙向四車道一級(jí)公路，路線全長(zhǎng)為2.1 km，路基寬度為24.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，橋梁荷載及等級(jí)為公路-I級(jí)。原瀝青路面采用4 cm普通瀝青細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）+6 cm普通瀝青中粒式瀝青混凝土（AC-20）+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm級(jí)配砂礫底基層，結(jié)構(gòu)層厚度為68 cm，于2016年通車運(yùn)營(yíng)。由于道路交通量巨大，重載、超限車輛多，在運(yùn)行數(shù)年后，瀝青混凝土路面先后出現(xiàn)裂縫、坑槽、唧漿、車轍等病害，服役期間雖實(shí)施了預(yù)養(yǎng)措施，但原有病害未得到根治，路面病害更加嚴(yán)重。分析路面病害原因，除交通荷載外，當(dāng)?shù)卮鬁夭瞽h(huán)境也是道路裂縫等病害的主要原因。

橡膠復(fù)合瀝青的黏彈性可在一定范圍內(nèi)吸收荷載應(yīng)力，抑制車轍、反射裂縫的形成，因此本工程以K4+900～K5+400段為試驗(yàn)段，左幅采用“4 cm橡膠復(fù)合改性瀝青細(xì)粒式瀝青混凝土（ARSMA-13）+6 cm普通瀝青中粒式瀝青混凝土（AC-20）”結(jié)構(gòu)層，右幅采用原設(shè)計(jì)“4cm普通瀝青細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）+6 cm普通瀝青中粒式瀝青混凝土（AC-20）”結(jié)構(gòu)層，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)路面狀況，探索橡膠復(fù)合改性瀝青技術(shù)的適用性。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

2.1.1 基質(zhì)瀝青

本文采用的基質(zhì)瀝青為鎮(zhèn)海-90#A級(jí)道路石油瀝青，其性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 SBS改性劑

本文采用SBS改性劑為岳陽(yáng)石化提供的1301線型改性劑，其性能如表2所示。

表2 SBS改性劑技術(shù)指標(biāo)

2.1.3 廢舊膠粉

本文選用了三種廢舊膠粉，按脫硫程度定義為未脫硫膠粉、輕度脫硫膠粉及重度脫硫膠粉，其性能如表3所示。

表3 廢舊膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

（4）集料及填料

粗集料為本地堅(jiān)硬、無(wú)風(fēng)化石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉為憎水性細(xì)磨石灰?guī)r，各檔集料及填料指標(biāo)均符合規(guī)范及施工要求。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的制備及關(guān)鍵參數(shù)的確定

研究表明，橡膠粉的活化程度、摻加比例，SBS改性劑的摻加比例均會(huì)顯著影響復(fù)合改性瀝青的性能[5]。為確定橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青最佳工藝參數(shù)，本文以鎮(zhèn)海90# A級(jí)道路石油瀝青為基礎(chǔ)，穩(wěn)定劑摻量為2‰，相容劑摻量為3%，設(shè)計(jì)了關(guān)于膠粉脫硫程度、膠粉摻量、SBS改性劑摻量的試驗(yàn)方案（見(jiàn)表4），且固定溶脹時(shí)間為30 min，剪切時(shí)間為40 min，發(fā)育時(shí)間為90 min。具體制備工藝如圖1所示。

圖1 SBS改性瀝青制備流程

表4 廢舊膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范內(nèi)容，對(duì)復(fù)合改性瀝青樣品進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、（5 ℃）延度、（180 ℃）旋轉(zhuǎn)黏度、存儲(chǔ)穩(wěn)定性及彈性恢復(fù)試驗(yàn)。以復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)，確定不同工藝的最佳參數(shù)。

2.2.2 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料級(jí)配選擇

研究表明，較多的橡膠細(xì)顆粒在拌合過(guò)程中無(wú)法充分分散，導(dǎo)致橡膠瀝青混合料的體積參數(shù)與油石比之間的關(guān)聯(lián)性較差，過(guò)高的膠粉摻量會(huì)對(duì)混合料的級(jí)配產(chǎn)生影響，導(dǎo)致橡膠瀝青混合料整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[6]。為探究橡膠復(fù)合改性瀝青的適用級(jí)配類型，分別以連續(xù)級(jí)配TRHMA-13和間斷級(jí)配ARSMA-13為例，開(kāi)展混合料配合比設(shè)計(jì)及性能測(cè)試試驗(yàn)。具體級(jí)配設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖2所示。

圖2 TRHMA-13和ARSMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

2.2.3 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證復(fù)合改性瀝青混合料路用性能，以間斷級(jí)配ARSMA-13為例，分別成型了SBS改性瀝青混合料試件及膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青試件，通過(guò)開(kāi)展車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)試其高溫動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎拉應(yīng)變及凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同因素對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

在采取不同膠粉類型、膠粉摻量及SBS改性劑摻量下，復(fù)合改性瀝青的性能如表5所示。

表5 橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合表5數(shù)據(jù)及試驗(yàn)情況可知，未脫硫膠粉摻量上限較低，30%摻量時(shí)膠粉吸收輕質(zhì)組分過(guò)量，瀝青黏度超限（見(jiàn)圖3）；20%摻量時(shí)黏度仍較大，需摻加相容劑至5‰并延長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間至7 h，經(jīng)濟(jì)效益較低且施工和易性差。重度脫硫膠粉30%摻量時(shí)黏度仍較低，可摻加上限較高，但過(guò)度脫硫喪失了橡膠的高溫性能，且對(duì)低溫性能的改性效果較差[7]；輕度脫硫膠粉平衡了改性瀝青的性能與和易性，兼顧高低溫性能，且保留了橡膠瀝青的黏彈特性。同時(shí)，對(duì)比第5、6、7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，SBS改性劑摻量提升1%與膠粉摻量提升10%所帶來(lái)的高溫性能提升幅度相近，故出于經(jīng)濟(jì)性考慮，確定SBS摻量為2%。綜上所述，最佳工藝為：輕度脫硫膠粉摻量20%，SBS改性劑摻量2%。

圖3 30%摻量未脫硫膠粉改性瀝青

3.2 不同級(jí)配類型對(duì)復(fù)合改性瀝青混合料體積參數(shù)的影響

連續(xù)級(jí)配TRHMA-13和間斷級(jí)配ARSMA-13瀝青混合料體積參數(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 TRHMA-13和ARSMA-13混合料體積參數(shù)指標(biāo)

由表6可知，連續(xù)級(jí)配TRHMA-13混合料體積參數(shù)與油石比之間的關(guān)聯(lián)性較差，主要表現(xiàn)在毛體積密度隨著油石比的增大而增大，很難達(dá)到峰值，同時(shí)礦料間隙率VMA很難呈現(xiàn)出凹曲線；間斷級(jí)配ARSMA-13混合料體積參數(shù)與油石比之間的關(guān)聯(lián)性較好?？赡茉蚴窍鹉z顆粒沖散了連續(xù)級(jí)配的連續(xù)性，導(dǎo)致混合料體積參數(shù)規(guī)律不明顯[8]，因而本項(xiàng)目中針對(duì)活化程度較低橡膠（顆粒較大）復(fù)合改性瀝青，最終采用間斷級(jí)配ARSMA-13鋪筑路面。

3.3 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能驗(yàn)證

SBS改性瀝青混合料、膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能指標(biāo)如表7所示。

表7 SBS改性瀝青與復(fù)合改性瀝青混合料路用性能技術(shù)指標(biāo)

由上表可知，復(fù)合改性瀝青混合料性能與SBS改性瀝青混合料相似，各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均符合規(guī)范，滿足施工要求。同時(shí)，因復(fù)合改性瀝青中包含大量低成本膠粉，其總成本與基質(zhì)瀝青相近，因此，復(fù)合瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料經(jīng)濟(jì)效益更高。

4 工程應(yīng)用情況

4.1 施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1.1 拌和

由于復(fù)合改性瀝青黏度較高，拌合過(guò)程中橡膠瀝青加熱溫度應(yīng)控制在175 ℃～185 ℃，實(shí)際溫度178 ℃；集料加熱溫度控制在190 ℃～200 ℃，實(shí)際溫度為200 ℃；控制濕拌合時(shí)間為35 s，現(xiàn)場(chǎng)觀察混合料拌和均勻，無(wú)花白料現(xiàn)象；混合料出料溫度控制不小于175 ℃，廢料溫度為200 ℃，拌和站實(shí)測(cè)出料溫度在177 ℃～191 ℃。

4.1.2 運(yùn)輸

混合料運(yùn)輸過(guò)程中采用篷布覆蓋保溫、防雨、防污，以保證混合料到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)卸入攤鋪機(jī)料斗前的溫度不低于160 ℃，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)料溫均高于175 ℃。

4.1.3 攤鋪

由于復(fù)合改性瀝青混合料施工溫度較高，故攤鋪機(jī)熨平板溫度應(yīng)適當(dāng)提高，此次試驗(yàn)段熨平板加熱溫度為130 ℃；攤鋪過(guò)程中保持恒定的攤鋪速度，下面層攤鋪速度為2 m/min～3 m/min，上面層可以適當(dāng)加快。

現(xiàn)場(chǎng)控制混合料在攤鋪螺旋處的溫度多為180 ℃左右[9]，說(shuō)明混合料在運(yùn)輸過(guò)程中溫度損失很?。粩備伋尚秃髮?shí)測(cè)溫度在162 ℃～170 ℃，攤鋪和易性良好。

4.1.4 碾壓

試驗(yàn)段碾壓過(guò)程中遵循“緊跟慢壓、高頻低幅”的原則，壓路機(jī)在每次碾壓時(shí)應(yīng)一直壓至攤鋪機(jī)熨平板的正后方約3 m處；控制初壓開(kāi)始溫度在155 ℃～165 ℃，初壓結(jié)束溫度在140 ℃～155 ℃，復(fù)壓結(jié)束溫度應(yīng)不低于125 ℃。

該試驗(yàn)段施工過(guò)程中，分別試驗(yàn)了三種碾壓方案：①膠輪碾壓7～8遍，鋼輪收面；②鋼輪和膠輪同進(jìn)同退6～8遍；③鋼輪穩(wěn)壓1遍，膠輪碾壓6～8遍，鋼輪收面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，橡膠改性瀝青混合料相比于普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料碾壓難度更高[9]，其壓實(shí)主要依靠膠輪的揉搓作用，鋼輪壓路機(jī)對(duì)橡膠改性瀝青混合料的壓實(shí)效果有限，且由于石灰?guī)r強(qiáng)度較低，鋼輪碾壓遍數(shù)過(guò)多將導(dǎo)致石料被壓碎。

采用方案①時(shí)，發(fā)現(xiàn)膠輪第一遍碾壓之后混合料產(chǎn)生較為明顯的軌跡，隨著碾壓遍數(shù)的增加軌跡雖然一直在減小，但很難消除，且鋼輪收面時(shí)路表溫度已經(jīng)在100 ℃左右，收面效果甚微。

采用方案②時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然能夠較好地消除方案①的輪跡問(wèn)題，但是隨著碾壓遍數(shù)的增多，推移現(xiàn)象十分明顯，對(duì)平整度和路面厚度有較大不利影響。

采用方案③時(shí)，鋼輪收面很好地解決了前兩種方案的缺陷。鋼輪穩(wěn)壓1遍后，膠輪碾壓所產(chǎn)生的軌跡很小，且隨著膠輪碾壓遍數(shù)的增多，軌跡逐漸消除，甚至不需要鋼輪收面，故該碾壓方案作為今后的推薦方案。

4.2 工程應(yīng)用效果

經(jīng)檢測(cè)，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青路面鉆芯壓實(shí)度為97%，平整度均值為0.59 mm，構(gòu)造深度均值為0.40 mm，滲水系數(shù)為117 mL/min，均滿足規(guī)范要求。

長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)顯示，公路運(yùn)行2年后，左幅橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青路面較右幅普通瀝青路面裂縫數(shù)量、車轍深度顯著降低，路面行車噪聲降低約3.7 dB。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)針入度、軟化點(diǎn)、延度、（180 ℃）旋轉(zhuǎn)黏度、存儲(chǔ)穩(wěn)定性、彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳工藝為：輕度脫硫膠粉摻量20%，SBS改性劑摻量2%。

（2）橡膠顆粒對(duì)連續(xù)級(jí)配的連續(xù)性有一定影響，建議活化程度較低的橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料采用間斷型級(jí)配鋪筑路面。

（3）復(fù)合改性瀝青混合料性能與SBS改性瀝青混合料相似，且較SBS改性瀝青混合料經(jīng)濟(jì)效益更高。

（4）復(fù)合改性瀝青路面施工時(shí)，宜采用鋼輪穩(wěn)壓1遍，膠輪碾壓6～8遍，鋼輪收面。橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青路面服役期間，路用性能良好，可有效降低路面早期病害率和道路行車噪聲，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。