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(hù)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(dá)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(yán)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(hù)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(jìn)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(dá)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(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)行混合料拌和，然后在170～175℃進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行［9］。為進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(hù)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(dá)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(hù)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。

［1］孫祖望.橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］Airey G.，Rahman M.，Collop A..The influence of crude source and penetration grade on the interaction of crumb rubber and bitumen［C］.Asphalt Rubber 2003 Conference.Brasilia：Star Print Editora，2003.

［3］鄭茂，黃衛(wèi)東，高川.基于SHRP分級試驗的橡膠瀝青抗裂性能評價［C］／／第四屆國際橡膠瀝青會議，南京，2009.

［4］任瑞波，王立志，耿立濤.穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料動態(tài)模量研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2013，28（4）：283－288.

［5］曹榮吉，陳榮生.橡膠瀝青工藝參數(shù)對其性能影響的試驗研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，38（2）：269－273.

［6］任瑞波.穩(wěn)定型橡膠改性瀝青與瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)的研究［R］.濟南：山東建筑大學(xué)，2011.

［7］任瑞波，常友功，耿立濤，等.應(yīng)力吸收層瀝青混合料的力學(xué)性能評價［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2012，27（5）：469－482.

［8］JTG F40—004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［9］JTG E20—011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［10］周鍵煒，王大明，白琦峰.瀝青混合料動態(tài)模量主曲線研究［J］.公路工程，2009，34（5）：60－62.

［11］Choa Y.H.，Parkb D.W.，Hwang S.D..A predictive equation for dynamic modulus of asphalt mixtures used in Korea［J］.Construction and Building Materials.2010，24（4）：513－519.

［12］NCHRP.Refining the Simple Performance Tester for Use in Routine Practice，NCHRPREPORT 614［R］.Washington，D.C.Transportation Research Board，2008.