橡塑瀝青混合料性能試驗研究

翟殿鋼， 秘林源， 敖清文

(貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司， 貴州 貴陽 550000)

受材料性質影響，隨著運營時間的增加，瀝青路面會出現裂縫、車轍等病害。隨著制造業的快速發展，產生了大量廢舊橡膠、塑料，將其直接廢棄，不僅造成環境污染，更是對資源的浪費。因此，橡膠及塑料改性瀝青應運而生。研究表明在瀝青中加入橡膠可增強其低溫穩定性，加入塑料可增強其高溫穩定性。任瑞波等通過調整橡膠、塑料的比例，配置出A、B、C 3種穩定型橡塑瀝青，通過室內試驗及試驗路鋪筑驗證了其高溫性能優于SBS改性瀝青，水穩定性可通過增加塑料的比例進行提升；楊正軍通過向70#基質瀝青中加入橡塑合金(TPE)得到橡塑合金改性瀝青，其動穩定度、水穩定性、低溫性能均優于SBS改性瀝青且試驗路鋪筑效果良好；張濤等通過在瀝青中加入7.5%抗車轍劑、20%～22%橡膠粉及EVOTHERM-DAT溫拌劑，增強了混合料的動穩定度及水穩定性；黃剛等通過正交試驗研發新型橡塑高黏瀝青，其OGFC-13混合料性能滿足施工要求。但以上研究未考慮到各結構層的核心功能不同，對瀝青的性能要求也不同。該文采用大摻量橡塑顆粒復合改性技術，通過調整橡膠、塑料的摻加比例，分別研發適用于上、中、下面層的新型橡塑瀝青，旨在通過提升各結構層核心功能，延緩路面病害發展，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：基質瀝青采用70#石油瀝青；橡膠采用輪胎廠生產的殘次品輪胎，橡膠含量≤45%，灰分含量≤8%；塑料為二級以上回收塑料，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，可增強混合料抵抗車轍、剪應力的能力)、G型(適用于下面層，可增強混合料抵抗反射裂縫的能力)，其摻配方式和摻配比例見表1。

表1 原材料、橡塑改性劑摻配方式和摻配比例

根據各結構層瀝青性質差異，建立橡塑瀝青指標體系，根據體系內指標要求對所用瀝青進行檢測，得到各結構層瀝青指標(見表2)。

表2 各結構層瀝青指標

1.2 集料

采用六威(六盤水—威寧)高速公路(試驗路)管理一處一標段K30料場提供的優質玄武巖及石灰巖，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1#、2#、3#；石灰巖用于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1#、2#、3#、4#；填料為礦粉。經試驗，所用集料的各項指標均滿足規范要求。

為便于試驗研究，將各檔集料按標準篩孔篩分為單一粒徑，對各檔集料及礦粉的物理指標和顆粒組成進行試驗，試驗結果見表3～5。

表3 SMA-13各檔集料的物理指標

表4 SUP-20各檔集料的物理指標

表5 礦粉的物理指標

1.3 配合比

設計3種不同結構層的橡塑瀝青混合料，用于橡塑瀝青性能研究及試驗段鋪筑，其級配及油石比見表6～8。

表6 SMA-13橡塑瀝青混合料的級配組成

表7 SUP-20橡塑瀝青混合料的級配組成

表8 SUP-25橡塑瀝青混合料的級配組成

2 性能試驗結果與分析

2.1 表面層抗疲勞開裂性能

表面層是與車輛輪胎直接接觸的層位，應具備較好的抵抗疲勞開裂的性能。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混合料進行SCB(半圓彎曲)對比試驗，方法如下：1) 成型直徑15 cm試件，高度15 cm左右。2) 對試件進行切割，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。試驗設備由底邊的2個托輪和半圓弧中點的加載輪組成，采用滾軸作為加載條和托輪，以減少摩擦。SCB試驗上部和下部加載環直徑為8 mm，2個托輪間的距離是SCB試件直徑的0.8倍(見圖1)，2a/D=0.8，其中D=100 mm。4) 試件在-10 ℃下保溫至恒定。5) 試驗前，使上壓條與試件緊密接觸，預加荷載不超過300 N。啟動MTS-810試驗機，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，以壓力機壓頭的位移作為垂直變形。試驗結果見表9、圖3。

圖1 SCB試件制作及加載

表9 瀝青混合料SCB試驗結果

圖2 SCB試驗測試的荷載-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的低溫柔韌性優勢明顯，在3種混合料中唯一呈現了柔性斷裂特性。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)。說明達到斷裂狀態，C型橡塑改性瀝青SMA-13需要更多的荷載作用次數，即抗疲勞開裂的能力優于其他2種混合料。

2.2 表面層抵抗低溫開裂性能

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，環境溫度變化會使其使用性能發生顯著變化，使用溫度降低會使瀝青混合料的勁度和強度明顯增加，但變形能力顯著下降，并可能出現脆性破壞，造成瀝青路面低溫開裂。采用上述試驗配置的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗。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250 mm、寬30 mm、高35 mm，試件密度控制為馬歇爾標準擊實密度的(100±1)%。在MTS-810型瀝青混合料綜合試驗測試系統上進行低溫彎曲試驗，測定瀝青混合料在-10 ℃、加載速率50 mm/min下彎曲破壞時的力學性質，評價指標為最大彎拉應變(破壞應變)和彎曲勁度模量，結果見表10。

表10 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

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，能顯著改善瀝青混合料的低溫性能，具有優異的抵抗疲勞開裂的能力。對于SMA-13這種間斷級配類型，橡塑復合改性瀝青的破壞應變高于SBS改性瀝青及基質瀝青，說明橡塑復合改性瀝青具有更強的抗低溫開裂能力。相比于其他改性瀝青，橡塑復合改性瀝青的耐疲勞和裂縫性能更優越。

2.3 表面層抗凍融循環能力

對上述3種瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，結果見表11。由表11可知：相比于SBS改性瀝青及基質瀝青，C型橡塑瀝青混合料具有更強的抵抗凍融循環的能力。

表11 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

2.4 中面層高溫穩定性

在瀝青路面結構中，為確保行車安全、增加行車摩阻系數，表面層一般按抗滑表層設計，表面粗糙，防滲水性能相對較低；下面層主要為整個路面結構提供穩定的支撐，并作為防止反射裂縫向上發展的主要功能層，故下面層主要考慮抗裂性能。在這樣的路面結構功能分工下，抵抗車轍的功能(高溫穩定性)自然落在了中面層上。針對這一現狀，以中面層為主要研究對象，對比研究M型橡塑復合SUP-20瀝青混合料的高溫穩定性。

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，進行動穩定度對比試驗，試驗結果見表12。

表12 瀝青混合料動穩定度試驗結果

由表12可知：對于SUP-20混合料，M型橡塑、SBS、橡膠改性瀝青混合料均具有優異的高溫性能；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穩定度分別提高35%～41%、45%～54%，說明M型橡塑改性瀝青混合料具有相當優越的高溫抗車轍能力。對比M型橡塑、橡膠改性瀝青混合料的動穩定度，塑料改性成分的摻入可明顯提高混合料的高溫穩定性。

2.5 下面層抗反射裂縫性能

對G型橡塑、普通70#和SBS改性瀝青混合料進行剪切反射疲勞試驗(見圖3)，試驗結果見表13。

圖3 剪切反射疲勞試驗

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比其他2種混合料有所提高，具有更強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結果

3 試驗路鋪筑

在貴州省六威(六盤水—威寧)高速公路六盤水北收費站采用橡塑瀝青混合料鋪筑300 m試驗路，1年后對試驗路表觀及性能指標進行跟蹤觀測，觀測對象主要為上面層。以SBS改性瀝青路面作為對比。結果如下：

(1) 表觀(見圖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，表面基本無病害，整體來看更美觀。

圖4 C型橡塑瀝青路面和SBS改性瀝青路面對比

(2) 性能指標。收費站為車輛集中路段，各類車輛頻繁剎車、起步均會對路面造成影響。試驗段構造深度、摩擦系數和滲水系數檢測結果見表14。由表14可知：試驗段構造深度、摩擦系數和滲水系數分別滿足≥0.55 m、≥54和≤60 mL/min的驗收標準，各項指標均較理想。

表14 試驗段質量指標檢測結果

4 結論

(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#基質瀝青相比具有更優異的耐疲勞、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#基質瀝青相比具有更強的抗反射裂縫能力。

(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期鋪筑的SBS改性瀝青路面更黑，構造深度更大；從跟蹤檢測結果來看，建成1年后，橡塑瀝青混合料路面的構造深度、滲水系數滿足驗收要求，且摩擦系數在70以上，抗滑性能較好。