橡膠改性乳化瀝青微表處混合料降噪特性與耐久性能

王宏臣

摘要：為了探討橡膠粉改性乳化瀝青用于微表處混合料的可行性，基于室內(nèi)試驗(yàn)和鋪筑試驗(yàn)路研究了橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的施工性能、耐磨耗性能、抗車轍性能、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、降噪性及長(zhǎng)期使用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有良好的工作性能，耐磨耗性能和低溫抗裂性能均優(yōu)于SBS改性微表處混合料，并且具有優(yōu)良的降噪功能。

關(guān)鍵詞：預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；橡膠粉改性乳化瀝青；微表處；降噪特性

中圖分類號(hào)：U414.75文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to explore the feasibility of the crumb rubber modified emulsified asphalt mixture for microsurfacing， the construction performance， abrasion resistance， antirutting performance， water stability， crack resistance at low temperature， noise reduction and longterm performance of the mixture were studied based on indoor test and the paving trials. The results show that the mixture has good working performance， better abrasion resistance and crack resistance at low temperature than SBS modified mixture， and has excellent noise reduction performance.

Key words： preventative maintenance； crumb rubber modified emulsified asphalt； microsurfacing； noise reduction characteristic

0引言

在眾多瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)中，微表處是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的主要措施之一，具有開(kāi)放交通快、封水效果好、抗滑性能卓越、可修復(fù)車轍、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)已得到廣泛推廣應(yīng)用[15]。然而，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，微表處并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，普通微表處行車噪聲大，缺乏對(duì)溫度疲勞裂縫和反射裂縫的抵御，影響其封水效果和使用壽命。研究表明，提高瀝青品質(zhì)是改善微表處混合料綜合路用性能和耐久性的有效措施。總結(jié)近幾年微表處在中國(guó)的推廣應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)[611]：采用SBS、SBR和環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的微表處存在噪音大、易片狀脫落、養(yǎng)生時(shí)間長(zhǎng)、耐久性差等缺點(diǎn)；采用Novachip超薄磨耗層和環(huán)氧覆層存在成本高、封閉施工時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為了提高微表處的性能并降低行車噪聲，國(guó)內(nèi)外做了不少相關(guān)研究[1215]。美國(guó)學(xué)者在微表處混合料中添加了5%聚乙烯纖維和5%橡膠，研究了柔性微表處技術(shù)。歐洲學(xué)者還發(fā)明了纖維改性微表處，認(rèn)為添加纖維有助于阻止離析。國(guó)內(nèi)學(xué)者一般通過(guò)采用較細(xì)的級(jí)配和摻加橡膠粉來(lái)改善微表處混合料的降噪功能[16]。目前，鮮見(jiàn)將橡膠粉改性瀝青用于生產(chǎn)乳化瀝青方面的研究報(bào)道，將橡膠粉改性乳化瀝青用于微表處混合料仍處于起步階段。本文將橡膠粉改性乳化瀝青用于生產(chǎn)微表處混合料，系統(tǒng)研究橡膠粉改性微表處混合料的施工性能、路用性能、降噪功能及長(zhǎng)期使用性能，結(jié)合實(shí)體工程應(yīng)用情況，為橡膠粉改性微表處混合料在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1原材料

1.1橡膠粉改性乳化瀝青

基質(zhì)瀝青選用殼牌 AH70道路石油瀝青，瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范要求。選用SBS改性乳化瀝青和普通乳化瀝青做對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的橡膠顆粒是華珠體有限公司生產(chǎn)的，粒徑為0～3 mm，摻量分別選取16%、18%、20%、22%（占瀝青質(zhì)量的百分比）。首先制備橡膠粉改性瀝青，乳化劑與調(diào)節(jié)改性劑為美德維實(shí)維克公司生產(chǎn)的MQI1D膠乳，膠乳添加量為4%，PC1468調(diào)節(jié)劑添加量為1%；乳化瀝青由乳化劑、鹽酸調(diào)節(jié)劑經(jīng)室內(nèi)小型膠體磨自制而成。不同橡膠粉摻量乳化瀝青技術(shù)性能檢測(cè)結(jié)果和蒸發(fā)殘留物試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足現(xiàn)行《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》（簡(jiǎn)稱“指南”）要求，橡膠粉改性瀝青可用于生產(chǎn)微表處混合料。此外，隨著橡膠粉摻量增大，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的延度呈先增大后減小的趨勢(shì)變化，軟化點(diǎn)指標(biāo)隨橡膠粉摻量的增大而增大，這與摻加橡膠粉后橡膠粉改性瀝青針入度和軟化點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果相類似，可見(jiàn)摻加橡膠粉能改善乳化瀝青的高、低溫性能。但隨著橡膠粉摻量增大，改性乳化瀝青的1、7 d常溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差，尤其橡膠粉摻量在22%時(shí)1、5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性顯著下降，以此確定橡膠粉摻量不宜超過(guò)22%。以15 ℃延度和25 ℃彈性恢復(fù)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，橡膠粉改性乳化瀝青具有更高的柔韌性和彈性。

1.2其他原材料及配比

水泥采用耀縣紅山子水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本研究采用ISSA推薦的MS3型級(jí)配，見(jiàn)表2。

2橡膠改性乳化瀝青微表處施工性能

2.1拌和試驗(yàn)

拌和試驗(yàn)主要用于確定微表處混合料的可拌和時(shí)間和成漿狀態(tài)，從而為最佳油石比的選擇提供依據(jù)[17]。為了評(píng)定規(guī)定時(shí)間內(nèi)不同橡膠粉摻量對(duì)微表處混合料成漿狀態(tài)的影響，經(jīng)室內(nèi)初步試驗(yàn)選擇油石比11%對(duì)不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青進(jìn)行拌和試驗(yàn)，每個(gè)橡膠粉摻量條件下變化4組拌和用水量，試驗(yàn)時(shí)水泥以外摻的形式添加，摻量為2%，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由拌和試驗(yàn)結(jié)果可知，橡膠粉摻量在16%～22%內(nèi)，相同拌和用水量條件下橡膠粉摻量越大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料拌和時(shí)間越長(zhǎng)，滿足指南微表處混合料可拌和時(shí)間大于120 s的要求。相比普通微表處混合料，摻加橡膠粉改性乳化瀝青后，微表處混合料的可拌和時(shí)間增加15～30 s，這對(duì)夏季高溫條件下微表處混合料的運(yùn)輸、施工、拌和有利?？傮w而言，采用橡膠粉改性乳化瀝青可增加微表處混合料的可拌和時(shí)間，且不影響其成漿狀態(tài)，施工可操作性良好。

2.2黏聚力試驗(yàn)

工程中通常通過(guò)測(cè)定混合料攤鋪后的黏聚力指

標(biāo)判定該種混合料是否能夠滿足迅速開(kāi)放交通的要求。微表處混合料的初凝時(shí)間和開(kāi)放交通時(shí)間主要通過(guò)黏聚力試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。不同橡膠粉摻量的改性乳化瀝青微表處混合料黏聚力試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1表明，橡膠粉改性乳化瀝青用量在7.5%～9.0%時(shí)，微表處混合料30 min和60 min黏聚力滿足指南“大于1.2 N·m”和“大于2.0 N·m”的要求，且遠(yuǎn)大于SBS改性乳化瀝青微表處混合料的黏聚力。此外，相同乳化瀝青用量下，隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的30 min黏聚力增大，這對(duì)早期開(kāi)放交通有利。

3橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料路用性能

3.1常規(guī)路用性能

負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)主要用于確定微表處混合料中瀝青用量的上限，濕輪磨耗試驗(yàn)用于確定瀝青用量的下限。輪轍變形試驗(yàn)

用于評(píng)價(jià)微表處混合料的抗變形能力。濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)和輪轍變形試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照指南要求進(jìn)行，不同橡膠粉摻量的橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料濕輪磨耗試驗(yàn)與負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～4。

由圖2可知：相同橡膠粉摻量下，乳化瀝青用量為7.5%～9.0%時(shí)，各微表處混合料1 h濕輪磨耗值遠(yuǎn)小于530 g·m-2的規(guī)范要求；且隨著乳化瀝青用量增大，微表處混合料1 h和6 d濕輪磨耗值減??；相同改性瀝青用量下，橡膠粉摻量越大，濕輪磨耗值越小。濕輪磨耗試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)微表處混合料成型后的集料乳化瀝青稀漿的配伍性及水穩(wěn)定性，同時(shí)確定稀漿混合料的最小瀝青用量。由此可見(jiàn)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處稀漿的配伍性和水穩(wěn)定性優(yōu)良，抗水損害能力優(yōu)于SBS改性乳化瀝青微表處稀漿。圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著橡膠粉改性乳化瀝青用量增大，微表處混合料的黏附砂量減?。幌嗤榛癁r青用量下，橡膠粉摻量越大，微表處混合料的黏附砂量越??；乳化瀝青用量為

75%～90%時(shí)，各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠(yuǎn)小于450 g·m-2的規(guī)范要求。圖4的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著橡膠粉改性乳化瀝青用量增大，微表處混合料的輪轍變形量增大，表明其抗車轍變形能力下降；相同乳化瀝青用量情況下，橡膠粉摻量越大，微表處混合料輪轍變形量越小，乳化瀝青用量為7.5%～9.0%時(shí)各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠(yuǎn)小于5%的規(guī)范要求。

3.2低溫抗裂性

隨著乳化瀝青冷再生混合料在國(guó)省干線和高速公路等高等級(jí)公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的大規(guī)模應(yīng)用，其低溫抗裂性引起更多關(guān)注。按照現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，以破壞強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、破壞勁度模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。在橡膠粉改性乳化瀝青用量為85%（對(duì)照組SBS改性乳化瀝青微表處乳化瀝青用量為75%，其余試驗(yàn)參數(shù)相同）、水泥摻量為20%、拌和用水量為5%的條件下成型單層車轍板，室內(nèi)溫度為110 ℃加速養(yǎng)生2 d后切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，相比SBS改性乳化瀝青微表處混合料，在16%～24%橡膠粉摻量范圍內(nèi)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料抗彎拉強(qiáng)度普遍增大22%

以上，彎拉應(yīng)變至少增大18%，可見(jiàn)橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有更高的柔性和抗低溫開(kāi)裂能力。此外，隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)橡膠粉摻量并非越大越好，故用于微表處混合料的橡膠粉改性乳化瀝青中適宜的橡膠粉摻量為18%～22%。

4橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的長(zhǎng)期使用性能

為了在短期內(nèi)研究橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的長(zhǎng)期使用性能，采用MMSL3室內(nèi)加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）試件制備。在橡膠粉改性乳化瀝青用量為85%（對(duì)照組SBS改性乳化瀝青微表處乳化瀝青用量為7.5%，其余試驗(yàn)參數(shù)相同）、水泥摻量為20%、拌和用水量為5%條件下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型直徑為150 mm、高為120 mm的試件，室內(nèi)溫度為110 ℃加速養(yǎng)生2d后采用芬蘭產(chǎn)雙面鋸取試件中間5 cm厚的部分，按照標(biāo)準(zhǔn)試模尺寸切割試件。

（2）試驗(yàn)荷載。試驗(yàn)采用的軸載為0.7 MPa。

（3）加載速率。加載速率統(tǒng)一采用6 000次·h-1，相當(dāng)于實(shí)際車輛行駛速度為72 km·h-1。

（4）試驗(yàn)溫度。常溫（20 ℃～25 ℃）。取不同加載次數(shù)下平行試件車轍深度的平均值，并記錄車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

加速加載試驗(yàn)結(jié)果表明，相同加載次數(shù)下試件的車轍深度由大到小依次為：18%橡膠粉改性乳化瀝青、20%橡膠粉改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、22%橡膠粉改性乳化瀝青、24%橡膠粉改性瀝青。可見(jiàn)22%、24%橡膠粉微表處混合料的抗疲勞性能最好。因此，可知橡膠粉改性乳化瀝青可改善微表處混合料的抗疲勞耐久性。

5橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的降噪性能

本文選取輪胎振動(dòng)衰減與室內(nèi)往復(fù)加載試驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)不同條件下橡膠顆粒瀝青混合料的減振降噪特性。試驗(yàn)選用德國(guó)大眾捷達(dá)小汽車輪胎，在尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土板上加鋪1 cm厚的橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料。試驗(yàn)時(shí)，將路面試件固定在特制的試驗(yàn)架上，使輪胎在試件上方約3 cm處垂直自由下落，以模擬車輛對(duì)路面的沖擊荷載作用。由固定在輪轂中心處的CPY2加速度傳感器將信號(hào)傳遞給YT092數(shù)據(jù)采集分析儀進(jìn)行記錄。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6不同加載頻率吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，各加載頻率下，隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料吸聲系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系增大。22%橡膠粉改性乳化瀝青和24%橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的降噪效果相當(dāng)，相比SBS改性乳化瀝青微表處混合料，二者降噪性能最好。路面行車荷載的振動(dòng)頻率在800～1 000 Hz之內(nèi)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數(shù)比SBS改性乳化瀝青微表處大8%～15%；在1 000～1 500 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數(shù)比SBS改性乳化瀝青微表處大16%～24%?？梢?jiàn)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有優(yōu)良的降噪功能。

6工程應(yīng)用

2013年10月，二廣高速懷仁段采用橡膠粉改性乳化瀝青微表處技術(shù)養(yǎng)護(hù)，雙向四車道總量37萬(wàn)m2，施工溫度為15 ℃～25 ℃，施工厚度為8 mm碎石封層和2層5 mm微表處，施工1 h后便開(kāi)放交通。工程實(shí)踐證明，采用橡膠粉改性微表處混合料對(duì)恢復(fù)路面摩擦系數(shù)、改善路面感官和防止路表水下滲具有極大的促進(jìn)作用。通過(guò)長(zhǎng)達(dá)2年的試驗(yàn)路檢測(cè)，22%橡膠粉摻量的改性乳化瀝青微表處混合料有效地減少了瀝青路面的早期破壞，目前沒(méi)有明顯的車轍和開(kāi)裂病害，微表處與舊瀝青路面黏附狀況良好。

7結(jié)語(yǔ)

（1）橡膠粉摻量在16%～22%范圍內(nèi)、相同拌和用水量下，橡膠粉摻量越大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的可拌和時(shí)間越長(zhǎng)，滿足指南“微表處混合料可拌和時(shí)間大于120 s”的要求。隨著橡膠粉摻量增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的30 min和60 min黏聚力增大。橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料工作性能良好，能滿微表處混合料快速開(kāi)放交通的要求。

（2）隨著橡膠粉摻量增大，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的抗車轍性能、耐磨耗性能顯著提高。橡膠粉改性乳化瀝青微表處稀漿的配伍性和水穩(wěn)定性優(yōu)良，抗水損害性和低溫抗裂性能優(yōu)于SBS改性乳化瀝青微表處。在乳化瀝青用量為75%～90%時(shí)，各橡膠粉摻量的微表處混合料黏附砂量遠(yuǎn)小于5%的規(guī)范要求。

（3）通過(guò)MMLS6室內(nèi)加速加載試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際車輛的荷載作用，得出橡膠粉改性乳化瀝青微表處長(zhǎng)期使用性能優(yōu)于SBS改性乳化瀝青微表處。

（4）隨著橡膠粉摻量增大，微表處混合料吸聲系數(shù)呈二次函數(shù)曲線增大，在800～1 000 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數(shù)比SBS改性乳化瀝青微表處大8%～15%，在1 000～1 500 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料的吸聲系數(shù)比SBS改性乳化瀝青微表處大16%～24%，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料具有優(yōu)良的降噪功能。

（5）工程實(shí)踐表明，橡膠粉改性乳化瀝青微表處混合料與舊瀝青路面黏附狀況良好，施工性能好。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]