橡膠改性乳化瀝青微表處混合料降噪特性與耐久性能

王宏臣

摘要：為了探討橡膠粉改性乳化瀝青用于微表處混合料的可行性，基于室內試驗和鋪筑試驗路研究了橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的施工性能、耐磨耗性能、抗車轍性能、水穩定性、低溫抗裂性、降噪性及長期使用性能。試驗結果表明：橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有良好的工作性能，耐磨耗性能和低溫抗裂性能均優于SBS改性微表處混合料，并且具有優良的降噪功能。

關鍵詞：預防性養護；橡膠粉改性乳化瀝青；微表處；降噪特性

中圖分類號：U414.75文獻標志碼：B

Abstract： In order to explore the feasibility of the crumb rubber modified emulsified asphalt mixture for microsurfacing， the construction performance， abrasion resistance， antirutting performance， water stability， crack resistance at low temperature， noise reduction and longterm performance of the mixture were studied based on indoor test and the paving trials. The results show that the mixture has good working performance， better abrasion resistance and crack resistance at low temperature than SBS modified mixture， and has excellent noise reduction performance.

Key words： preventative maintenance； crumb rubber modified emulsified asphalt； microsurfacing； noise reduction characteristic

0引言

在眾多瀝青路面養護技術中，微表處是預防性養護的主要措施之一，具有開放交通快、封水效果好、抗滑性能卓越、可修復車轍、經濟效益好等優點，在國內已得到廣泛推廣應用[15]。然而，經過多年的實踐發現，微表處并沒有達到預期的效果，普通微表處行車噪聲大，缺乏對溫度疲勞裂縫和反射裂縫的抵御，影響其封水效果和使用壽命。研究表明，提高瀝青品質是改善微表處混合料綜合路用性能和耐久性的有效措施。總結近幾年微表處在中國的推廣應用可以發現[611]：采用SBS、SBR和環氧樹脂改性乳化瀝青的微表處存在噪音大、易片狀脫落、養生時間長、耐久性差等缺點；采用Novachip超薄磨耗層和環氧覆層存在成本高、封閉施工時間長等缺點。為了提高微表處的性能并降低行車噪聲，國內外做了不少相關研究[1215]。美國學者在微表處混合料中添加了5%聚乙烯纖維和5%橡膠，研究了柔性微表處技術。歐洲學者還發明了纖維改性微表處，認為添加纖維有助于阻止離析。國內學者一般通過采用較細的級配和摻加橡膠粉來改善微表處混合料的降噪功能[16]。目前，鮮見將橡膠粉改性瀝青用于生產乳化瀝青方面的研究報道，將橡膠粉改性乳化瀝青用于微表處混合料仍處于起步階段。本文將橡膠粉改性乳化瀝青用于生產微表處混合料，系統研究橡膠粉改性微表處混合料的施工性能、路用性能、降噪功能及長期使用性能，結合實體工程應用情況，為橡膠粉改性微表處混合料在國內的推廣應用提供借鑒。

1原材料

1.1橡膠粉改性乳化瀝青

基質瀝青選用殼牌 AH70道路石油瀝青，瀝青各項性能指標均滿足現行施工技術規范要求。選用SBS改性乳化瀝青和普通乳化瀝青做對照試驗。試驗所用的橡膠顆粒是華珠體有限公司生產的，粒徑為0～3 mm，摻量分別選取16%、18%、20%、22%（占瀝青質量的百分比）。首先制備橡膠粉改性瀝青，乳化劑與調節改性劑為美德維實維克公司生產的MQI1D膠乳，膠乳添加量為4%，PC1468調節劑添加量為1%；乳化瀝青由乳化劑、鹽酸調節劑經室內小型膠體磨自制而成。不同橡膠粉摻量乳化瀝青技術性能檢測結果和蒸發殘留物試驗結果見表1。由表1可知，不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青各項性能指標均滿足現行《微表處和稀漿封層技術指南》（簡稱“指南”）要求，橡膠粉改性瀝青可用于生產微表處混合料。此外，隨著橡膠粉摻量增大，乳化瀝青蒸發殘留物的延度呈先增大后減小的趨勢變化，軟化點指標隨橡膠粉摻量的增大而增大，這與摻加橡膠粉后橡膠粉改性瀝青針入度和軟化點的試驗結果相類似，可見摻加橡膠粉能改善乳化瀝青的高、低溫性能。但隨著橡膠粉摻量增大，改性乳化瀝青的1、7 d常溫儲存穩定性變差，尤其橡膠粉摻量在22%時1、5 d儲存穩定性顯著下降，以此確定橡膠粉摻量不宜超過22%。以15 ℃延度和25 ℃彈性恢復率作為評價指標，橡膠粉改性乳化瀝青具有更高的柔韌性和彈性。

1.2其他原材料及配比

水泥采用耀縣紅山子水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥各項指標均滿足規范要求。本研究采用ISSA推薦的MS3型級配，見表2。

2橡膠改性乳化瀝青微表處施工性能

2.1拌和試驗

拌和試驗主要用于確定微表處混合料的可拌和時間和成漿狀態，從而為最佳油石比的選擇提供依據[17]。為了評定規定時間內不同橡膠粉摻量對微表處混合料成漿狀態的影響，經室內初步試驗選擇油石比11%對不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青進行拌和試驗，每個橡膠粉摻量條件下變化4組拌和用水量，試驗時水泥以外摻的形式添加，摻量為2%，試驗結果如表3所示。

由拌和試驗結果可知，橡膠粉摻量在16%～22%內，相同拌和用水量條件下橡膠粉摻量越大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料拌和時間越長，滿足指南微表處混合料可拌和時間大于120 s的要求。相比普通微表處混合料，摻加橡膠粉改性乳化瀝青后，微表處混合料的可拌和時間增加15～30 s，這對夏季高溫條件下微表處混合料的運輸、施工、拌和有利。總體而言，采用橡膠粉改性乳化瀝青可增加微表處混合料的可拌和時間，且不影響其成漿狀態，施工可操作性良好。

2.2黏聚力試驗

工程中通常通過測定混合料攤鋪后的黏聚力指

標判定該種混合料是否能夠滿足迅速開放交通的要求。微表處混合料的初凝時間和開放交通時間主要通過黏聚力試驗來評價。不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青微表處混合料黏聚力試驗結果如圖1所示。

圖1表明，橡膠粉改性乳化瀝青用量在7.5%～9.0%時，微表處混合料30 min和60 min黏聚力滿足指南“大于1.2 N·m”和“大于2.0 N·m”的要求，且遠大于SBS改性乳化瀝青微表處混合料的黏聚力。此外，相同乳化瀝青用量下，隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的30 min黏聚力增大，這對早期開放交通有利。

3橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料路用性能

3.1常規路用性能

負荷輪黏附砂試驗主要用于確定微表處混合料中瀝青用量的上限，濕輪磨耗試驗用于確定瀝青用量的下限。輪轍變形試驗

用于評價微表處混合料的抗變形能力。濕輪磨耗試驗、負荷輪黏附砂試驗和輪轍變形試驗方法嚴格按照指南要求進行，不同橡膠粉摻量的橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料濕輪磨耗試驗與負荷輪黏附砂試驗結果見圖2～4。

由圖2可知：相同橡膠粉摻量下，乳化瀝青用量為7.5%～9.0%時，各微表處混合料1 h濕輪磨耗值遠小于530 g·m-2的規范要求；且隨著乳化瀝青用量增大，微表處混合料1 h和6 d濕輪磨耗值減小；相同改性瀝青用量下，橡膠粉摻量越大，濕輪磨耗值越小。濕輪磨耗試驗主要用于檢驗微表處混合料成型后的集料乳化瀝青稀漿的配伍性及水穩定性，同時確定稀漿混合料的最小瀝青用量。由此可見，橡膠粉改性乳化瀝青微表處稀漿的配伍性和水穩定性優良，抗水損害能力優于SBS改性乳化瀝青微表處稀漿。圖3的試驗結果表明：隨著橡膠粉改性乳化瀝青用量增大，微表處混合料的黏附砂量減小；相同乳化瀝青用量下，橡膠粉摻量越大，微表處混合料的黏附砂量越小；乳化瀝青用量為

75%～90%時，各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠小于450 g·m-2的規范要求。圖4的試驗結果表明：隨著橡膠粉改性乳化瀝青用量增大，微表處混合料的輪轍變形量增大，表明其抗車轍變形能力下降；相同乳化瀝青用量情況下，橡膠粉摻量越大，微表處混合料輪轍變形量越小，乳化瀝青用量為7.5%～9.0%時各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠小于5%的規范要求。

3.2低溫抗裂性

隨著乳化瀝青冷再生混合料在國省干線和高速公路等高等級公路預防性養護中的大規模應用，其低溫抗裂性引起更多關注。按照現行《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求，采用低溫小梁彎曲試驗，以破壞強度、破壞應變、破壞勁度模量作為評價指標，按照應力應變曲線的形狀來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。在橡膠粉改性乳化瀝青用量為85%（對照組SBS改性乳化瀝青微表處乳化瀝青用量為75%，其余試驗參數相同）、水泥摻量為20%、拌和用水量為5%的條件下成型單層車轍板，室內溫度為110 ℃加速養生2 d后切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1，試驗結果見表4。

由表4可知，相比SBS改性乳化瀝青微表處混合料，在16%～24%橡膠粉摻量范圍內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料抗彎拉強度普遍增大22%

以上，彎拉應變至少增大18%，可見橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有更高的柔性和抗低溫開裂能力。此外，隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料的抗彎拉強度和彎拉應變均呈現先增大后減小的變化趨勢，可見橡膠粉摻量并非越大越好，故用于微表處混合料的橡膠粉改性乳化瀝青中適宜的橡膠粉摻量為18%～22%。

4橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的長期使用性能

為了在短期內研究橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的長期使用性能，采用MMSL3室內加速加載試驗系統進行試驗。

（1）試件制備。在橡膠粉改性乳化瀝青用量為85%（對照組SBS改性乳化瀝青微表處乳化瀝青用量為7.5%，其余試驗參數相同）、水泥摻量為20%、拌和用水量為5%條件下，旋轉壓實成型直徑為150 mm、高為120 mm的試件，室內溫度為110 ℃加速養生2d后采用芬蘭產雙面鋸取試件中間5 cm厚的部分，按照標準試模尺寸切割試件。

（2）試驗荷載。試驗采用的軸載為0.7 MPa。

（3）加載速率。加載速率統一采用6 000次·h-1，相當于實際車輛行駛速度為72 km·h-1。

（4）試驗溫度。常溫（20 ℃～25 ℃）。取不同加載次數下平行試件車轍深度的平均值，并記錄車轍深度隨加載次數的變化規律，試驗結果如圖5所示。

加速加載試驗結果表明，相同加載次數下試件的車轍深度由大到小依次為：18%橡膠粉改性乳化瀝青、20%橡膠粉改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、22%橡膠粉改性乳化瀝青、24%橡膠粉改性瀝青。可見22%、24%橡膠粉微表處混合料的抗疲勞性能最好。因此，可知橡膠粉改性乳化瀝青可改善微表處混合料的抗疲勞耐久性。

5橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的降噪性能

本文選取輪胎振動衰減與室內往復加載試驗研究和評價不同條件下橡膠顆粒瀝青混合料的減振降噪特性。試驗選用德國大眾捷達小汽車輪胎，在尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土板上加鋪1 cm厚的橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料。試驗時，將路面試件固定在特制的試驗架上，使輪胎在試件上方約3 cm處垂直自由下落，以模擬車輛對路面的沖擊荷載作用。由固定在輪轂中心處的CPY2加速度傳感器將信號傳遞給YT092數據采集分析儀進行記錄。試驗測試結果如圖6所示。

圖6不同加載頻率吸聲系數測試結果

由圖6可知，各加載頻率下，隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料吸聲系數呈二次函數關系增大。22%橡膠粉改性乳化瀝青和24%橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的降噪效果相當，相比SBS改性乳化瀝青微表處混合料，二者降噪性能最好。路面行車荷載的振動頻率在800～1 000 Hz之內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數比SBS改性乳化瀝青微表處大8%～15%；在1 000～1 500 Hz振動頻率范圍內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數比SBS改性乳化瀝青微表處大16%～24%。可見，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有優良的降噪功能。

6工程應用

2013年10月，二廣高速懷仁段采用橡膠粉改性乳化瀝青微表處技術養護，雙向四車道總量37萬m2，施工溫度為15 ℃～25 ℃，施工厚度為8 mm碎石封層和2層5 mm微表處，施工1 h后便開放交通。工程實踐證明，采用橡膠粉改性微表處混合料對恢復路面摩擦系數、改善路面感官和防止路表水下滲具有極大的促進作用。通過長達2年的試驗路檢測，22%橡膠粉摻量的改性乳化瀝青微表處混合料有效地減少了瀝青路面的早期破壞，目前沒有明顯的車轍和開裂病害，微表處與舊瀝青路面黏附狀況良好。

7結語

（1）橡膠粉摻量在16%～22%范圍內、相同拌和用水量下，橡膠粉摻量越大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的可拌和時間越長，滿足指南“微表處混合料可拌和時間大于120 s”的要求。隨著橡膠粉摻量增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的30 min和60 min黏聚力增大。橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料工作性能良好，能滿微表處混合料快速開放交通的要求。

（2）隨著橡膠粉摻量增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的抗車轍性能、耐磨耗性能顯著提高。橡膠粉改性乳化瀝青微表處稀漿的配伍性和水穩定性優良，抗水損害性和低溫抗裂性能優于SBS改性乳化瀝青微表處。在乳化瀝青用量為75%～90%時，各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠小于5%的規范要求。

（3）通過MMLS6室內加速加載試驗模擬實際車輛的荷載作用，得出橡膠粉改性乳化瀝青微表處長期使用性能優于SBS改性乳化瀝青微表處。

（4）隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料吸聲系數呈二次函數曲線增大，在800～1 000 Hz振動頻率范圍內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數比SBS改性乳化瀝青微表處大8%～15%，在1 000～1 500 Hz振動頻率范圍內，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數比SBS改性乳化瀝青微表處大16%～24%，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有優良的降噪功能。

（5）工程實踐表明，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料與舊瀝青路面黏附狀況良好，施工性能好。

參考文獻：

[1]王軍龍.橡膠粉與高模量劑復合改性瀝青混合料性能研究[J].筑路機械與施工機械化，2016，33（4）：5561.

[2]何華.改性乳化瀝青及微表處性能研究[D].西安：長安大學，2015.

[3]邵鵬康.功能型微表處路面養護材料設計研究[D].西安：長安大學，2015.

[4]李涵.微表處混合料路用性能室內試驗研究[D].西安：長安大學，2014.

[5]張坤.城市道路微表處降噪技術研究[D].北京：北京建筑大學，2013.

[6]鄺堅鋒.耐久性微表處混合料室內試驗及工程應用研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[7]王磊.陜西省干線公路瀝青路面典型病害成因分析與養護技術研究[D].西安：長安大學，2009.

[8]奚達源.高速公路路面微表處應用研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[9]李栓.微表處混合料級配優化研究[D].西安：長安大學，2013.

[10]孫曉立，張肖寧.高性能微表處室內試驗研究[J].同濟大學學報：自然科學版，2012，22（6）：2127.

[11]肖晶晶.微表處改性乳化瀝青及混合料性能研究[D].西安：長安大學，2007.

[12]于鵬程.稀漿封層與微表處配合比設計方法研究[D].長春：吉林大學，2008.

[13]孟媛.微表處用SBS改性瀝青乳化劑技術研究[J].石油瀝青，2013，27（5）：3742.

[14]楊建平，李園花，樊青娟.微表處技術在關中環線預防性養護中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2011，28（8）：6769.

[15]倪富健，徐中寧.微表處技術在高速公路養護中的應用研究[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2003，22（1）：2831.

[16]鄭如巖.微表處混合料路用性能室內試驗研究[D].長沙：長沙理工大學，2010.

[17]徐劍，黃頌昌，秦永春，等.添加劑對微表處混合料抗車轍性能改善效果的研究[J].石油瀝青，2010，24（3）：1114.

[責任編輯：王玉玲]