橡膠高黏瀝青排水混合料性能及施工效果評價(jià)研究

雷杰超,韋萬峰,陳 杰,李運(yùn)高

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

排水性瀝青路面是可以有效解決城市道路噪音大、道路雨天積水等問題的一種新型功能性路面[1]。排水瀝青混合料內(nèi)部存在大量的互相連通的空隙,路表水分能夠滲入混合料內(nèi)部,經(jīng)過排水設(shè)施排入道路邊溝。聲波在排水瀝青混合料內(nèi)部傳播會不斷反射耗散,因此排水瀝青混合料兼具降噪與排水的功能[2-3]。然而,多孔結(jié)構(gòu)的排水瀝青混合料與外界環(huán)境、紫外線等接觸更充分,在紫外線、溫度、車輛荷載的綜合作用下,表面顆粒脫落、路用性能不足是排水瀝青路面面臨的主要問題[4-5]。為了保障排水瀝青混合料的性能,其對集料、瀝青膠結(jié)料的要求較高,高質(zhì)量的集料保障排水混合料的力學(xué)穩(wěn)定性,高黏度的瀝青膠結(jié)料保障排水混合料的整體粘聚性[6-7]。考慮到廢棄橡膠粉改性瀝青具備經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢,利用高黏改性劑提高橡膠瀝青的黏度,有利于改善排水瀝青混合料抗車轍性能和抗剝落性能。

綜上,本文研發(fā)了一種橡膠高黏瀝青,并對比分析了橡膠瀝青混合料與橡膠高黏瀝青排水混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、抗飛散性能和滲水性能等混合料性能差異,然后依托廣西某高速公路鋪筑橡膠高黏瀝青排水路面試驗(yàn)路段,探索了橡膠高黏瀝青排水路面在實(shí)體工程中的適用性。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

采用茂名70#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)表

1.2 橡膠粉

采用目數(shù)為30～80目的橡膠粉,基本性能見表2。

表2 橡膠粉的物理檢測指標(biāo)及技術(shù)要求表

1.3 高黏改性劑

采用Z型高黏劑,其基本性能如表3所示。

表3 Z型高黏劑的基本性能表

1.4 集料

粗集料采用輝綠巖,細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂,填料采用石灰?guī)r礦粉,集料基本性能見表4。

表4 集料基本性能表

1.5 橡膠高黏瀝青制備過程

先將基質(zhì)瀝青在175 ℃加熱到流動狀態(tài),加入15%橡膠粉后攪拌均勻,保持180 ℃溶脹30 min,然后高速剪切10 min,再把橡膠改性瀝青升溫至180 ℃,加入一定量的高黏劑溶脹30 min;在高速剪切機(jī)(剪切速率為4 000～5 000 r/min)中剪切40 min;將上述瀝青混合物在180 ℃中發(fā)育120 min,冷卻后即可得到橡膠高黏瀝青。

2 配合比設(shè)計(jì)

為保障排水瀝青混合料的排水功能,本文參照PAC-13的級配范圍,通過優(yōu)化級配范圍內(nèi)2.36 mm篩孔通過率得到最終級配。該級配的篩孔通過率見表5。

表5 最終級配的篩孔通過率表(%)

由于排水性瀝青混凝土空隙率太大,馬歇爾穩(wěn)定度低,不會隨瀝青用量的增加出現(xiàn)最大值,所以不宜用常規(guī)的馬歇爾試驗(yàn)法來確定其最佳油石比。應(yīng)先通過析漏試驗(yàn)來確定最大油石比OACmax,再通過飛散試驗(yàn)確定最小油石比OACmin。以0.5%間隔變化,采用5個(gè)不同的油石比4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果匯總表

根據(jù)表6的析漏和飛散試驗(yàn)結(jié)果,繪制油石比與析漏損失和飛散損失的關(guān)系圖,見圖1和圖2。

圖1 析漏損失與油石比關(guān)系曲線圖

圖2 飛散損失與油石比關(guān)系曲線圖

根據(jù)表6和圖1的謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果,確定PAC-13的最大油石比OACmin=5.10%,根據(jù)肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果,確定PAC-13的最小油石比OACmax=4.96%。因此最佳油石比OAC=(OACmax+OACmin)/2=(5.1%+4.96%)/2=5.03%。

取最佳油石比為5.0%,該油石比下的馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)結(jié)果見表7,各項(xiàng)指標(biāo)符合技術(shù)要求,因此以5.0%油石比作為橡膠SBS-高黏劑復(fù)合改性高黏排水瀝青混合料的最佳油石比。

表7 5.0%油石比下的試驗(yàn)結(jié)果表

3 瀝青混合料性能對比分析

3.1 體積參數(shù)及力學(xué)穩(wěn)定性

下頁表8顯示了兩種瀝青混合料的體積參數(shù)和力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。

表8 兩種瀝青混合料體積參數(shù)及力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對比表

由下頁表8可知,橡膠瀝青混合料、橡膠高黏瀝青混合料的空隙率均達(dá)到20.3%,此時(shí)兩種瀝青混合料空隙率適中,既可以保障排水混合料的粘聚性、抗飛散能力,又可以滿足混合料的排水功能。橡膠高黏瀝青排水混合料的穩(wěn)定度為8.79 kN,比橡膠瀝青高36.91%,說明其具有較好的高溫穩(wěn)定性。橡膠高黏瀝青排水混合料的謝倫堡析漏損失和肯塔堡飛散損失分別為0.1%、7.4%,均比橡膠瀝青低2倍以上,說明其具有較好的抗離析性能和抗飛散能力,整體粘聚性較好。

3.2 水穩(wěn)定性

排水瀝青路面一般修建在多雨地區(qū),混合料長期受雨水浸泡作用,其水穩(wěn)定性對排水路面的耐久性至關(guān)重要。凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)可以表征瀝青的水穩(wěn)定性,其值越大則水穩(wěn)定性越好。兩種瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果對比表

由表9可知,橡膠高黏瀝青排水混合料的TSR達(dá)到93.7%,比橡膠瀝青高6.8%,說明高黏改性劑的摻入提高了排水混合料的抗水損害性能。這是因?yàn)橄鹉z瀝青中大量橡膠顆粒的存在,使得水在空隙中的表面張力變大,從而增加在空隙中滯留的水的質(zhì)量;經(jīng)過冷凍后水結(jié)成冰在試件內(nèi)部膨脹,瀝青膜的壓力更大,使得試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)遭到破壞,因此瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低。在橡膠瀝青中摻入高黏改性劑后,在壓實(shí)成型過程中高黏瀝青膠漿被骨料壓密填充骨架間空隙,被剪切分散成更小團(tuán)聚膠漿的數(shù)量相對較少,因此形成的閉口空隙相對較少,形成連通空隙相對較大,內(nèi)部空隙滯留的水質(zhì)量減少。所以空隙中的水在低溫凝固過程中的膨脹對高黏瀝青混合料的影響較小。在常溫下,橡膠高黏瀝青比橡膠瀝青擁有更高的黏性,與集料粘聚程度較好,水分不容易侵入瀝青-集料的界面,所以增強(qiáng)了混合料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.3 高溫穩(wěn)定性

動穩(wěn)定度(DS)是評價(jià)混合料性能高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。橡膠瀝青混合料、橡膠高黏瀝青混合料的60 ℃車轍試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 兩種瀝青混合料60 ℃車轍試驗(yàn)結(jié)果對比表

由表10可知,橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度為3 951次/mm。在橡膠瀝青中摻入高黏改性劑后,其瀝青混合料的動穩(wěn)定度達(dá)到7 210次/mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于橡膠瀝青,表明在橡膠瀝青里摻入高黏改性劑后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了顯著改善。這是因?yàn)楦唣じ男詣詹糠譃r青輕質(zhì)組分,使重質(zhì)組分的相對含量增加,并在瀝青內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使瀝青的黏度大幅度提高,從而與集料結(jié)合得更加穩(wěn)定。所以在高溫條件下,瀝青受到荷載作用時(shí)不容易發(fā)生永久變形。

3.4 抗飛散性能

為檢測橡膠高黏瀝青排水混合料的粘結(jié)性,對混合料馬歇爾試件進(jìn)行了浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)。通過浸水馬歇爾試件質(zhì)量損失評價(jià)混合料的粘結(jié)性,浸水混合料馬歇爾試件質(zhì)量損失越小,代表混合料的粘結(jié)性越好。浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 兩種瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果對比表

由表11可知,進(jìn)行浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)后,橡膠瀝青混合料的損失率達(dá)到18.7%,而橡膠瀝青混合料僅為9.3%,兩者相差9.4%。橡膠瀝青混合料相對更容易發(fā)生表面顆粒脫落,進(jìn)而發(fā)生局部松散。因?yàn)橄鹉z瀝青的粘聚性不足,而高黏改性劑的添加極大提高了橡膠瀝青的黏度,提升了自身內(nèi)聚能,增大了集料之間的粘附力,增強(qiáng)了瀝青混合料的磨耗能力,所以降低了損失率。

3.5 滲水性能

排水路面的主要功能是排水,減少雨水在路面的匯集,滲水系數(shù)是評價(jià)排水混合料的代表性指標(biāo)。對兩種排水瀝青混合料進(jìn)行滲水試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表12。由表12可知,橡膠瀝青排水混合料的平均滲水系數(shù)為6 492.1 mL/min,橡膠高黏排水混合料的平均滲水系數(shù)為6 571.1 mL/min,兩者差異不大,均能達(dá)到良好的排水效果。

表12 兩種瀝青混合料滲水試驗(yàn)結(jié)果對比表

4 工程應(yīng)用

4.1 依托項(xiàng)目概況

試驗(yàn)路段依托廣西某高速公路項(xiàng)目,起點(diǎn)樁號為K4+800,終點(diǎn)樁號為K49+682.284,初步設(shè)計(jì)推薦路線長為44.882 km。主線采用設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km的四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),路基寬度為28 m。為了解決S形路段反坡點(diǎn)(零坡度)處雨天易積水導(dǎo)致的行車安全隱患問題,根據(jù)對全線路線調(diào)研及現(xiàn)場施工進(jìn)度情況,綜合考慮確定排水瀝青路面試驗(yàn)路位置為左幅K040+070～K040+580路段,共計(jì)510 m,路面寬度為11.8 m,排水瀝青路面應(yīng)用于上面層,層厚為4.0 cm。該路段屬于S形曲線段,存在零坡點(diǎn)位置,雨天行車安全隱患較大,通過在此路段開展排水瀝青路面工程應(yīng)用,進(jìn)一步評價(jià)橡膠改性高黏瀝青排水路面在高速公路中的應(yīng)用效果。

4.2 施工效果評價(jià)

為了檢測高黏瀝青排水混合料試驗(yàn)路段的壓實(shí)情況,在試驗(yàn)路段不同位置鉆取五個(gè)芯樣。試驗(yàn)路段芯樣體積指標(biāo)、厚度、壓實(shí)情況如表13所示。利用擺式摩擦系數(shù)測定儀測試排水路面的抗滑擺值,利用滲水儀對排水路面的滲水系數(shù)進(jìn)行檢測,采用平整度測試儀測試排水路面的平整度,具體結(jié)果如表14所示。

表13 橡膠高黏瀝青排水路面芯樣基本情況表

表14 橡膠高黏瀝青排水路面的抗滑擺值、滲水系數(shù)及平整度檢測結(jié)果表

由表13可知,橡膠高黏瀝青排水路面的厚度達(dá)到了設(shè)計(jì)厚度40 mm,路面的平均標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度在98.54%～101.51%,芯樣的空隙率分布在19.0%～21.5%,排水路面空隙率同室內(nèi)橡膠高黏瀝青排水混合料的空隙率相差較小,排水路面壓實(shí)度基本達(dá)到要求。

由表14可知,橡膠高黏瀝青排水路面的抗滑擺值、滲水系數(shù)、平整度都能達(dá)到廣西吳隆高速公路工程技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文通過瀝青混合料基本性能試驗(yàn)分析了橡膠高黏瀝青排水混合料的路用性能,檢驗(yàn)橡膠高黏瀝青排水混合料在實(shí)體工程的鋪筑效果。結(jié)果表明,橡膠高黏瀝青排水混合料的謝倫堡析漏損失和肯塔堡飛散損失均比橡膠瀝青混合料低2倍以上,凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比比橡膠瀝青高6.8%,動穩(wěn)定度比橡膠瀝青高將近1倍,滲水系數(shù)者相差不大,說明橡膠高黏瀝青排水混合料的水穩(wěn)定性、抗車轍性能、浸水飛散性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于橡膠瀝青混合料,并且滲水性能良好。在實(shí)體工程中,橡膠高黏瀝青排水路面壓實(shí)度、摩擦系數(shù)、滲水系數(shù)、平整度等性能滿足工程技術(shù)要求,充分說明了橡膠高黏瀝青可保障排水瀝青混合料的路用性能,可用于排水瀝青路面的鋪筑。