嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青及混合料適用性研究

嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青及混合料適用性研究

劉晗（烏蘭察布市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)鑒定站，內(nèi)蒙古集寧012000）1引言在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，四季溫差變化大，易導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)低溫裂縫，進(jìn)而引發(fā)松散、坑槽等衍生病害，使路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，縮短了瀝青路面的使用壽命，增加了公路養(yǎng)護(hù)成本。如何減少或避免大溫差導(dǎo)致的低溫裂縫和水損害的產(chǎn)生，延長(zhǎng)路面使用壽命，成為當(dāng)前嚴(yán)寒地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)迫切需要解決的難題。橡膠瀝青具有良好的低溫穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗水損害性能，能夠有效提高瀝青混合料的耐久性和抗疲勞壽命，且具有抗滑降噪、無(wú)害化、資源化等特點(diǎn)，又能充分利用廢舊輪胎，緩解“黑色”環(huán)境污染。曹衛(wèi)東等[1]對(duì)歷時(shí)7年～17年的橡膠瀝青試驗(yàn)路及其對(duì)比路段進(jìn)行性能檢驗(yàn)和對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際道路運(yùn)用橡膠瀝青混合料其低溫抗裂性能均優(yōu)于其他改性瀝青路段；瑞典科學(xué)家為解決低溫環(huán)境瀝青路面壽命縮短、行車噪音過(guò)大的問(wèn)題，鋪筑了20多條橡膠瀝青試驗(yàn)段，取得了良好的效果[2]；RAbe等[3]采用三點(diǎn)彎曲疲勞等試驗(yàn)證明了橡膠瀝青的低溫抗裂性能均優(yōu)于SBS改性瀝青，并降低了施工成本。我國(guó)業(yè)界學(xué)者[4-10]針對(duì)東北、內(nèi)蒙古和新疆等嚴(yán)寒氣候環(huán)境，對(duì)橡膠瀝青及其混合料進(jìn)行了初步探索。2嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)和生產(chǎn)工藝瀝青的低溫性能對(duì)混合料的低溫性能貢獻(xiàn)率高達(dá)80%。我國(guó)對(duì)橡膠瀝青的研究仍以較成熟的聚合物改性瀝青體系為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)指標(biāo)也是沿襲了高分子聚合物改性瀝青的指標(biāo)要求。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)由于嚴(yán)寒地區(qū)特殊的環(huán)境溫度與施工條件，如果沿用聚合物改性瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)，無(wú)法取得良好的使用效果。2.1橡膠瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)從表1可以看出，國(guó)外橡膠瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為針入度（或錐入度）、軟化點(diǎn)、粘度和彈性恢復(fù)。從表2可以看出，國(guó)內(nèi)橡膠瀝青檢測(cè)指標(biāo)主要為25℃針入度、軟化點(diǎn)、5℃延度、粘度和彈性恢復(fù)。國(guó)內(nèi)外都以粘度指標(biāo)作為橡膠瀝青主要的判定依據(jù)，但國(guó)外并未表述延度對(duì)橡膠瀝青的影響。橡膠瀝青是一種非勻質(zhì)的兩相材料，延伸能力遠(yuǎn)較單相的瀝青材料小，常規(guī)的彈性恢復(fù)試驗(yàn)不能反映出橡膠瀝青的彈性恢復(fù)能力，對(duì)于橡膠瀝青混合料，需要試驗(yàn)其膠粉顆粒的抗壓恢復(fù)能力。橡膠目數(shù)越少，膠粉核心顆粒就越大，低溫回彈性能就越強(qiáng)，因此，嚴(yán)寒地區(qū)宜選用目數(shù)較低的粗顆粒橡膠瀝青。針入度試驗(yàn)針尖有可能扎到膠粉顆粒而使結(jié)果偏小，增加膠結(jié)料的粘度，有助于降低膠結(jié)料的溫度敏感性，延遲溫度裂縫的產(chǎn)生。橡膠瀝青拉伸柔度越小，低溫彎曲應(yīng)變?cè)酱??；谏鲜龇治霾⒕C合國(guó)內(nèi)外橡膠瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究，本文提出了嚴(yán)寒地區(qū)粗顆粒橡膠瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其技術(shù)要求見(jiàn)表3。表1國(guó)外橡膠瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)表2國(guó)內(nèi)橡膠瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)表3嚴(yán)寒地區(qū)粗顆粒橡膠瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)與技術(shù)要求2.2橡膠瀝青生產(chǎn)工藝我國(guó)目前的橡膠生產(chǎn)主要通過(guò)限定廢舊輪胎來(lái)源，僅用斜交胎和子午胎的胎面部分，采用常溫粉碎的方式生產(chǎn)橡膠粉。通過(guò)剝離廢胎鋼絲、電磁選除鋼絲、粗碎篩分、中碎篩分、選除纖維、集料和分散包裝等工藝流程，獲得不規(guī)則、大比表面積的膠粉顆粒，與基質(zhì)瀝青混合后有利于二者的溶脹反應(yīng)。目數(shù)作為橡膠粉的重要技術(shù)指標(biāo)之一，應(yīng)具備一定的級(jí)配范圍。廢舊輪胎在常溫粉碎的過(guò)程中受到強(qiáng)烈的剪切和氧化作用，產(chǎn)生酸性基團(tuán)，粒徑越小，表面積越大，表層酸性濃度也越大，與酸性集料接觸時(shí)，影響橡膠改性瀝青混合料的路用性能。膠粉較小的粒徑往往會(huì)引發(fā)膠粉結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，容易引發(fā)安全事故。粒徑較粗會(huì)導(dǎo)致橡膠瀝青性能不穩(wěn)定。因此本文推薦在嚴(yán)寒地區(qū)采用粗顆粒橡膠瀝青：30目橡膠粉，膠粉摻配比20%，發(fā)育時(shí)間45min，溫度185℃。為保證生產(chǎn)的橡膠瀝青性能穩(wěn)定和具有抗低溫的性能，生產(chǎn)橡膠瀝青的設(shè)備需滿足以下技術(shù)要求：①基質(zhì)瀝青貯存罐，應(yīng)具備導(dǎo)熱油的加熱系統(tǒng)和升控溫功能，供應(yīng)溫度應(yīng)控制在140℃～160℃。②橡膠粉的添加設(shè)備，應(yīng)具備體積與稱重雙計(jì)量方式，體積計(jì)量精度不大于0.5%。③橡膠瀝青發(fā)育罐，發(fā)育溫度180℃～190℃，應(yīng)具備攪拌功能，防止橡膠粉沉淀和積存，加速預(yù)混物的溶脹。④橡膠瀝青加工設(shè)備的加溫和控溫系統(tǒng)。⑤生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備，溫度、液位、進(jìn)料控制、轉(zhuǎn)速等顯示全部進(jìn)控制室。⑥安全、環(huán)保和可靠。3嚴(yán)寒區(qū)橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率決定著混合料的級(jí)配是否合理，對(duì)橡膠瀝青混合料體積參數(shù)和低溫性能有著重要影響。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，增大瀝青用量，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性降低，易導(dǎo)致路面車轍病害?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)僅對(duì)最小瀝青用量進(jìn)行限制，忽略了最大瀝青用量，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)并不能充分發(fā)揮瀝青混合料自身性能。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)增大瀝青用量可以增加集料油膜裹覆厚度，提高瀝青混合料的低溫性能。3.1關(guān)鍵篩孔通過(guò)率嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面產(chǎn)生的裂縫主要為低溫裂縫和溫度疲勞裂縫。通常瀝青混合料低溫抵抗開(kāi)裂破壞的能力通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)破壞彎拉應(yīng)變來(lái)反映和表示，彎拉應(yīng)變?cè)酱螅瑸r青混合料低溫時(shí)抵抗收縮應(yīng)力的效果越好，路面越不容易出現(xiàn)低溫裂縫，相應(yīng)服役壽命越長(zhǎng)。嚴(yán)寒地區(qū)道路冬凍春融導(dǎo)致了路面的水損害，加速了路面的早期損壞，嚴(yán)重縮短了瀝青路面的使用壽命，增加后期養(yǎng)護(hù)成本，因此人們通常用浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性能，浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)道路有著重要影響。長(zhǎng)安大學(xué)安海超博士[11]通過(guò)大量試驗(yàn)獲得關(guān)鍵篩孔通過(guò)率，得出嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青混合料體積指標(biāo)與低溫性能指標(biāo)的影響規(guī)律：0.075mm和4.75mm篩孔通過(guò)率分別為30%～32.5%和8.9%～10.9%時(shí)，橡膠瀝青混合料具有較好的低溫穩(wěn)定性及抗水損害能力。彎拉應(yīng)變、浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比作為重要控制指標(biāo)。3.2橡膠瀝青油膜厚度增大油膜厚度，有利于提高瀝青混合料的柔韌性與低溫耐久性，可以有效預(yù)防早期裂縫的產(chǎn)生，從而延長(zhǎng)路面使用壽命，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混合料的設(shè)計(jì)和低溫性能有著重要影響。嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青混合料油膜厚度的選擇應(yīng)首先保證其低溫性能，避免瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下過(guò)早產(chǎn)生低溫裂縫，其次應(yīng)盡量提高水穩(wěn)定性能。由于嚴(yán)寒地區(qū)夏季雖然短暫，但紫外線比較強(qiáng)烈，路表溫度也較高，因此還應(yīng)兼顧高溫穩(wěn)定性。綜合考慮，推薦瀝青混合料油膜厚度范圍為19μm～21μm。3.3橡膠瀝青混合料級(jí)配范圍和性能要求本文綜合國(guó)內(nèi)外橡膠瀝青混合料的評(píng)價(jià)指標(biāo)和技術(shù)要求以及大量馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證，提出嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青混合料（AR-AC-13）的級(jí)配范圍和技術(shù)性能要求，見(jiàn)表4和表5。表4AR-AC-13橡膠瀝青混合料級(jí)配范圍（嚴(yán)寒區(qū)）表5AR-AC-13橡膠瀝青混合料技術(shù)要求（嚴(yán)寒區(qū)）4嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青與SBS改性瀝青及其混合料低溫性能對(duì)比本文用低溫勁度模量和蠕變速率對(duì)比橡膠瀝青和SBS改性瀝青的低溫性能，見(jiàn)表6；橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料路用性能對(duì)比見(jiàn)表7。表6橡膠瀝青與SBS改性瀝青低溫性能對(duì)比表7橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料低溫性能對(duì)比通常膠結(jié)料的低溫勁度模量越小，蠕變速率越快，低溫抗裂性能越優(yōu)異，對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性越強(qiáng)，從表6可以看出，橡膠瀝青更有助于提高路面的抗低溫性能。從表7可以看出，橡膠瀝青混合料（AR-AC-13）低溫彎曲破壞應(yīng)變、殘留強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度比SBS改性瀝青混合料（SMA-13）提高了40.6%、4.6%和3.5%，可見(jiàn)粗顆粒橡膠瀝青及其混合料更適合嚴(yán)寒地區(qū)的特殊環(huán)境。5結(jié)語(yǔ)本文基于嚴(yán)寒地區(qū)特殊的應(yīng)用環(huán)境和國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠瀝青及混合料的研究成果，提出嚴(yán)寒地區(qū)橡膠瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)和生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵篩孔通過(guò)率和油膜厚度等橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，并通過(guò)橡膠瀝青與SBS改性瀝青及其混合料低溫性能的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：①綜合國(guó)內(nèi)外橡膠瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究，提出了嚴(yán)寒地區(qū)以粘度、針入度、軟化點(diǎn)、回彈恢復(fù)和拉伸柔度為粗顆粒橡膠瀝青主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。②推薦