大溫差條件下ARAC-13橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計與路用性能研究

法魯克·鐵來克,張譚龍

(1.新疆交通建設(shè)管理局項目執(zhí)行二處,新疆 烏魯木齊 830049；2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

近年來,由廢舊輪胎制成的橡膠粉在道路工程中的應(yīng)用得到關(guān)注。橡膠粉的摻入能改變?yōu)r青混合料的結(jié)構(gòu)狀態(tài),提高路面的整體彈性和抗車轍能力。新疆地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷,溫差較大,而使用橡膠瀝青鋪筑的路面具有良好的抗滑、耐高溫、噪聲較低等優(yōu)點；橡膠瀝青可提高瀝青混合料的耐久性、抗疲勞性能,提高抵抗路面產(chǎn)生反射裂縫的能力,非常適合在新疆等高溫差地區(qū)推廣應(yīng)用。該文通過優(yōu)選合理的級配及橡膠粉目數(shù),開展橡膠瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計和路用性能研究。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用克拉瑪依90＃A級石油瀝青,其各項技術(shù)指標(biāo)(見表1)符合規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 橡膠粉

采用新疆庫爾勒生產(chǎn)的橡膠粉,細(xì)度為40目,其技術(shù)指標(biāo)見表2、表3。

表2 橡膠粉的物理指標(biāo)

表3 橡膠粉的化學(xué)指標(biāo)

1.3 集料

粗集料和細(xì)集料均采用石灰?guī)r,其中：粗集料粒徑有兩種,分別為10～15和5～10 mm；細(xì)集料粒徑為0～5 mm。粗、細(xì)集料的各項技術(shù)指標(biāo)(見表4、表5)均符合規(guī)范要求。

1.4 填料

為提高橡膠瀝青混合料的粘附性,加入少量水泥作為填料,摻量為礦粉質(zhì)量的2%。采用普通硅酸鹽水泥(P·O32.5),其各項技術(shù)指標(biāo)(見表6)均符合規(guī)范要求。

表4 粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表5 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

表6 水泥(填料)的技術(shù)指標(biāo)

2 ARAC-13橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 橡膠粉摻量

當(dāng)基質(zhì)瀝青加溫至180～190℃時,嚴(yán)格控制溫度和加熱時間,將4種細(xì)度為40目的橡膠粉按16%、17%、18%、19%的摻量分別加入瀝青中,連續(xù)攪拌60～90 min,攪拌均勻,制得橡膠瀝青。檢測4種橡膠瀝青的177℃動力粘度,結(jié)果見表7。由表7可知：橡膠粉用量為18%時,橡膠瀝青的粘度最佳,為2.8 Pa·s。據(jù)此確定橡膠粉最佳用量為18%。

表7 橡膠瀝青粘度試驗結(jié)果

2.2 配合比設(shè)計

(1)級配確定。為提高橡膠瀝青與集料的粘附性,提高橡膠瀝青混合料的耐久性和橡膠瀝青路面的抗脫落能力,對ARAC－13橡膠瀝青混合料的礦料配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。礦料級配計算見表8,優(yōu)化級配曲線見圖1。

表8 ARAC-13橡膠瀝青混合料礦料級配計算

圖1 ARAC-13瀝青混合料的合成級配

(2)最佳油石比。根據(jù)設(shè)計級配,采用6.9%、7.1%、7.3%、7.5%和7.7%5種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗,結(jié)果見表9。由表9可知：油石比為7.3%時,空隙率最接近于設(shè)計空隙率。據(jù)此確定混合料的最佳油石比為7.3%。對油石比為7.3%的ARAC－13橡膠瀝青混合料進(jìn)行試驗驗證,試驗結(jié)果符合設(shè)計文件要求。

表9 ARAC-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

3 ARAC-13橡膠瀝青混合料路用性能分析

為了更好地分析ARAC－13橡膠瀝青混合料的路用性能,對ARAC－13橡膠瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料(采用的基質(zhì)瀝青、集料、級配與橡膠瀝青混合料相同,最佳油石比為4.9%)的路用性能進(jìn)行對比分析。

3.1 高溫性能

通過車轍試驗,以動穩(wěn)定度評價瀝青混合料的高溫抗車轍穩(wěn)定性能,試驗溫度為70℃,應(yīng)力水平為0.7 MPa。試驗結(jié)果顯示：ARAC－13橡膠瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別為2 057、1 633次/mm,均符合規(guī)范的要求。ARAC－13橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度大于SBS改性瀝青混合料,其高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,更適用于高溫環(huán)境地區(qū)。

3.2 低溫抗裂性能

采用彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。在－10℃條件下對試件進(jìn)行加載,加載速率為20 mm/min,分析試件的彎曲變形情況。兩種瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果見表10。由表10可知：兩種瀝青混合料的彎拉應(yīng)變均滿足相關(guān)規(guī)范要求；ARAC－13橡膠瀝青混合料的彎拉應(yīng)變比SBS改性瀝青混合料高18.1%,具有良好的低溫抗裂性能。

表10 瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果

3.3 疲勞性能

通過小梁彎曲疲勞試驗評價瀝青混合料的抗疲勞性能,試驗設(shè)備為MTS材料試驗系統(tǒng),試驗溫度為15℃±0.5℃,頻率為10 Hz。結(jié)果如下：ARAC－13橡膠瀝青混合料和SBS橡膠瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)分別為11 256、7 928次。ARAC－13橡膠瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,在行車荷載作用下,其路面使用壽命較長,具有良好的耐久性。

4 實際工程應(yīng)用

結(jié)合新疆地區(qū)吐烏大(吐魯番—烏魯木齊—大黃山)高速公路幸福路口至甘河子段路面工程對ARAC－13橡膠瀝青混合料的關(guān)鍵施工技術(shù)及使用效果進(jìn)行分析。

4.1 ARAC-13橡膠瀝青路面關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1.1 橡膠瀝青混合料的拌和和攤鋪

橡膠瀝青混合料需隨拌隨用,溫度控制在180～210℃,若大于210℃應(yīng)予以廢棄。瀝青需覆蓋滿集料。加入水泥后先與礦料拌和5 s,再添加橡膠粉和基質(zhì)瀝青攪拌30 s。從攪拌開始到結(jié)束,時間控制在60～65 s。拌和完成后,檢查混合料的均勻程度,并觀察是否有異常現(xiàn)象。

橡膠瀝青混合料宜采用噸位較大的車輛運輸。攤鋪時呈梯隊同步施工,攤鋪機(jī)就位后,先預(yù)熱2 h左右,使攤鋪機(jī)熨平板溫度達(dá)到130℃,并調(diào)整熨平板高度與松鋪厚度相等；攤鋪速度控制在3 m/min；攤鋪時螺旋布料器保持連續(xù)輸料；施工溫度不低于15℃。攤鋪后,及時檢查攤鋪厚度及橫坡,并及時作出調(diào)整。

4.1.2 碾壓成型及接縫處理

橡膠瀝青混合料的碾壓原則為緊跟、慢壓、高頻、低幅。由于橡膠瀝青混合料的特殊性,為防止出現(xiàn)壓路機(jī)“泵吸”現(xiàn)象,禁止使用膠輪壓路機(jī),宜采用雙軸雙鋼輪壓路機(jī),并保證壓實層厚度不超過100 mm。初壓溫度不低于155℃,壓路機(jī)和攤鋪機(jī)的距離不超過50 m；復(fù)壓溫度不低于135℃；終壓開始時的溫度不低于90℃。碾壓成型24 h且路面溫度低于50℃時,方可通行。

橡膠瀝青路面施工不得形成明顯的接縫現(xiàn)象,上面層和下面層的接縫錯開150 mm以上,相鄰兩幅的橫向接縫錯位1 m以上。施工完成后,檢查平整度是否符合要求。

4.2 施工質(zhì)量檢測

橡膠瀝青混合料面層施工完成后,鉆芯取樣進(jìn)行施工質(zhì)量分析。ZK570＋68—ZK571＋000路段的檢測結(jié)果見表11。按瀝青路面質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn),面層的各項性能指標(biāo)均符合要求。

表11 ARAC-13橡膠瀝青混合料面層檢測結(jié)果

5 結(jié)語

結(jié)合新疆地區(qū)吐烏大高速公路幸福路口至甘河子段路面試驗路段橡膠瀝青路面施工,對高溫差條件下橡膠瀝青混合料配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,確定橡膠粉細(xì)度為40目、用量為18%,油石比為7.3%。同時分析橡膠瀝青混合料的路用性能,結(jié)果顯示：與SBS改性瀝青混合料相比,ARAC－13橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更優(yōu)；低溫彎拉應(yīng)變提高18.1%,低溫抗裂性較好；在行車荷載作用下的疲勞壽命長。