橡塑復(fù)合改性瀝青的研發(fā)及在碎石封層中的應(yīng)用

吳童年

（甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 武威 733000）

0 引言

為了降低瀝青路面養(yǎng)護(hù)成本，同時(shí)提高其使用壽命，研制一種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的改性瀝青應(yīng)用于瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)SBS改性瀝青和橡膠瀝青研發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，鑒于SBS改性瀝青和橡膠瀝青有各自的性能特性和優(yōu)勢(shì)，為充分發(fā)揮這兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，降低成本，采用廢舊輪胎橡膠粉和SBS 為主的兩種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，形成穩(wěn)定性較高的橡塑復(fù)合改性瀝青材料，并將其用在路面碎石封層工程中。

1 橡塑復(fù)合改性瀝青配方設(shè)計(jì)及制備工藝流程

1.1 原材料的選擇

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為SKAH-90#瀝青，改性材料為60目廢舊輪胎脫硫橡膠粉、SBS改性劑，增溶劑為糠醛抽出油，穩(wěn)定劑為硫磺。

1.2 試驗(yàn)配方設(shè)計(jì)

為了研究不同摻量的廢舊輪胎橡膠粉與SBS 改性劑對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度、彈性恢復(fù)和粘度性能的影響，筆者采用10%、12%、14%三種膠粉摻量，1%、2%、3%三種SBS 改性劑摻量，采用正交試驗(yàn)方法設(shè)定9 種摻配比例制備橡塑復(fù)合改性瀝青，并總結(jié)出這2 種改性劑摻量與橡塑復(fù)合改性瀝青性能變化趨勢(shì)之間的關(guān)系，分析不同摻量的改性劑組合對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青性能的影響以及引起此變化趨勢(shì)的原因，從而確定最終的生產(chǎn)配方。采用表1 中的改性劑摻配比例組合進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表1 廢舊輪胎橡膠粉、SBS改性劑摻配組合比例

1.3 瀝青試樣制備

根據(jù)橡膠瀝青與SBS 改性瀝青的制備經(jīng)驗(yàn)，將1000g 基質(zhì)瀝青置于135℃的烘箱中預(yù)熱1h 左右，用于脫水與軟化，然后將其加熱到170~180℃，先將脫硫橡膠粉加入，用攪拌機(jī)攪拌10min 左右，然后加入SBS 改性劑攪拌10min 左右，兩種改性劑與基質(zhì)瀝青在攪拌作用下逐步均勻分散，慢慢形成初步溶解狀態(tài)。最后將增溶劑和穩(wěn)定劑一起放至改性瀝青中，將高速剪切機(jī)剪切速率設(shè)定為4200r/min，剪切時(shí)間設(shè)定為60~80min，開啟高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切[1]。加工完成后改性瀝青存在一定氣泡，此時(shí)繼續(xù)普通攪拌20~30min 消除氣泡，最終制備得到橡塑復(fù)合改性瀝青。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

2 種改性劑的9 種摻配組合下的改性瀝青的性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表2。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，相對(duì)其他變量，對(duì)針入度影響最大的是橡膠粉摻量，接著是SBS改性劑。由于2 種改性劑都能夠使瀝青形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而使得針入度較小。而較低的針入度在一定程度上代表瀝青具有較好的高溫性能。當(dāng)膠粉摻量較低時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青的針入度隨膠粉的增多而減少，當(dāng)膠粉摻量達(dá)到一定量，隨著它的增加，橡塑復(fù)合改性瀝青的針入度就會(huì)隨著膠粉的增加而增大。橡膠粉對(duì)軟化點(diǎn)影響程度最大，SBS 改性劑次之，當(dāng)SBS 摻量一定，橡塑復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)會(huì)隨膠粉摻量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，從而使瀝青感溫性明顯下降，同時(shí)伴隨軟化點(diǎn)明顯升高，使橡塑復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了極大改善。當(dāng)延度試驗(yàn)溫度設(shè)定為5℃時(shí)，橡膠粉的增加對(duì)改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生的負(fù)面影響較大，而SBS 改性劑對(duì)改性瀝青低溫性能有改善作用，這說明SBS 改性劑改善了橡塑復(fù)合改性瀝青的低溫性能。橡膠粉和SBS 改性劑的增加可以提升改性瀝青的彈性恢復(fù)性能，優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能能夠增強(qiáng)改性瀝青抵抗變形的恢復(fù)能力，使得荷載較大的情況下不易產(chǎn)生裂縫[2]。橡膠粉與SBS 改性劑對(duì)復(fù)合改性瀝青黏度均有改善作用，但是橡膠粉對(duì)復(fù)合改性瀝青黏度的影響更大。從改性瀝青黏度方面而言，黏度越大，與礦料黏附性會(huì)越好，抗拉拔強(qiáng)度越大，抵抗外力剪切能力越強(qiáng)，對(duì)碎石封層路用性能有很大提升。

表2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

1.5 最終配方

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后最終確定橡膠粉、SBS 改性劑的最優(yōu)配比為：SBS 改性劑3%，橡膠粉10%，糠醛抽出油4%，硫磺0.3%。根據(jù)此配方制備的橡塑復(fù)合改性瀝青的性能見表3所示。

表3 最佳配方的瀝青性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

1.6 瀝青制備流程及最優(yōu)工藝參數(shù)

通過試驗(yàn)分析，廢舊輪胎橡膠粉為60 目的脫硫橡膠粉，先在180℃普通攪拌條件下先后加入脫硫橡膠粉及SBS 改性劑，然后在180℃條件下加入其他添加劑以4200r/min 的高速剪切80min，最后在165℃條件下普通攪拌發(fā)育至氣泡消失，最終生產(chǎn)出橡塑復(fù)合改性瀝青。加工參數(shù)及工藝流程如圖1所示。

圖1 瀝青制備工藝流程

2 橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層的應(yīng)用

2.1 施工準(zhǔn)備

2.1.1 下承層要求

實(shí)施路段瀝青路面損壞狀況評(píng)價(jià)PCI 值≥80[2]，評(píng)定等級(jí)為優(yōu)、良，施工前對(duì)路面各類病害進(jìn)行處治，若瀝青路面局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時(shí),要先進(jìn)行路面補(bǔ)強(qiáng)。瀝青路面病害處治完成后,要使路面保持清潔，無塵土、路面污染物等。

2.1.2 原材料

瀝青：該項(xiàng)目采用橡塑復(fù)合改性瀝青，技術(shù)要求參考甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB62/T 3130-2017）[3]中橡膠瀝青技術(shù)要求。

碎石：該項(xiàng)目采用蘭州市永登縣龍?jiān)床墒瘓?chǎng)開采加工的粒徑為9.5~13.2mm 的石灰?guī)r堿性碎石，集料質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、無風(fēng)化現(xiàn)象且磨耗性能較好。通過檢驗(yàn)，石料壓碎值12.8%，洛杉磯磨耗損失17.9%，針片狀含量6.2%，與瀝青的粘附性為四級(jí)，符合甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中的相關(guān)要求。

2.2 施工工藝參數(shù)的確定

2.2.1 施工溫度

路面溫度對(duì)碎石封層的施工影響較大。一般情況下，在實(shí)施路段夏季最熱天氣來臨之前,為碎石封層最佳的施工時(shí)段，碎石封層施工時(shí)的路面溫度不應(yīng)低于21℃，不宜高于54℃。

2.2.2 碎石撒布量

集料用量由集料級(jí)配、形狀和密度決定，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)路況及類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。本文參考了甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中推薦值，碎石撒布量為16~18kg/㎡，碎石覆蓋率為100%。

2.2.3 橡塑復(fù)合改性瀝青灑布量

礦料的級(jí)配、形狀、吸收度，實(shí)施路段的交通量以及路面現(xiàn)狀等眾多因素決定了橡塑復(fù)合改性瀝青用量。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)路況及類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。本文根據(jù)甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中橡膠瀝青推薦值參考使用[3]，橡塑復(fù)合改性瀝青灑布量為2.0~2.5kg/㎡。

2.2.4 施工機(jī)械參數(shù)

結(jié)合不同瀝青粘結(jié)材料碎石封層的施工經(jīng)驗(yàn)，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層使用的機(jī)械與橡膠瀝青碎石封層、SBS 改性瀝青碎石封層相同。同步碎石封層車行駛速度應(yīng)控制在5±2km 內(nèi)均速前進(jìn)，橡塑復(fù)合改性瀝青噴灑溫度應(yīng)不低于180℃，膠輪壓路機(jī)以時(shí)速6km的速度反復(fù)碾壓4~5遍，1h后即可開放交通。

2.3 路用性能檢測(cè)與結(jié)果分析

2.3.1 檢測(cè)內(nèi)容

為了研究橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層的路用性能，在鋪筑完成的G569 線K368+300-K369+200 段左、右幅路段設(shè)置16 處檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)路面PCI 值、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)、抗拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、路面病害復(fù)發(fā)率等指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。G569 線曼德拉至大通公路武威至民勤段路基寬度12m，設(shè)計(jì)速度為80km/h,K368+300-K369+200 試驗(yàn)段位于該公路武威端，該路段經(jīng)武威公路事業(yè)發(fā)展中心批準(zhǔn)，于2022年實(shí)施了碎石封層。

2.3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)施前該路段PCI為85.2，實(shí)施后PCI為93.6，比實(shí)施前提高了9.0%，表明了橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層有效地修復(fù)了瀝青路面初期發(fā)生的各類輕、中度病害。

實(shí)施前該路段滲水系數(shù)代表值為58ml/min，實(shí)施后該路段不再滲水，說明了橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層有很好的封水效果。

實(shí)施前該路段構(gòu)造深度平均值為0.32，實(shí)施后為0.85，比實(shí)施前提高了234%，有效增加了瀝青路面的摩擦力，確保了過往車輛的行車安全。

橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層層間粘結(jié)效果更好，結(jié)構(gòu)抗剪切強(qiáng)度更高。層間抗拉拔強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 層間抗拉拔強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層與原瀝青路面面層之間的層間抗拉拔強(qiáng)度比其他改性瀝青材料碎石封層提高29.2%，結(jié)構(gòu)抗剪切強(qiáng)度提高18.3%。

3 結(jié)束語

本文采用廢舊輪胎橡膠粉和SBS 為主的兩種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，形成穩(wěn)定性較高的橡塑復(fù)合改性瀝青材料，并將其用在路面碎石封層工程中，得出以下結(jié)論：

（1）橡塑復(fù)合改性瀝青同時(shí)具有SBS 改性瀝青和橡膠瀝青雙重性能特性，發(fā)揮兩種材料之間相互增強(qiáng)、增韌、增塑的效果，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、溫度敏感性和抗自然老化性能等方面都有明顯提高。

（2）可消耗廢舊輪胎，解決廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題，起到廢舊材料循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展的目的，符合落實(shí)道路交通綠色發(fā)展理念和國家倡導(dǎo)的“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”政策。

（3）廢舊橡膠粉的利用可減少SBS 的用量，由于SBS 改性劑價(jià)格呈上漲趨勢(shì)，為了降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)過程中，可以使用橡塑復(fù)合改性瀝青代替SBS 改性瀝青起到節(jié)約養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)的目的。

由此可見，研究和應(yīng)用橡塑復(fù)合改性瀝青具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。