農(nóng)村水泥混凝土路面裂縫密封用改性瀝青性能研究

申力濤，張 影

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重交通公路養(yǎng)護(hù)材料協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái) 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

“十二五”時(shí)期，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速崛起，農(nóng)村公路在國家和地區(qū)發(fā)展，特別是社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)中的地位越來越重要，被重視程度越來越高，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)越來越高，在公路建設(shè)中所占比重也越來越大[1-2]。

水泥混凝土路面因強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)良、日常養(yǎng)護(hù)工作量少、施工機(jī)械簡單、抗水害能力強(qiáng)、水泥來源廣以及便于夜間行車等原因，在農(nóng)村公路中得到廣泛應(yīng)用，但是由于水泥混凝土材料的固有特性和施工過程中各種因素的影響，混凝土路面使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生不同種類的路面病害，主要有：裂縫類、變形類、接縫損壞類以及表面損壞類。農(nóng)村水泥混凝土路面病害中，裂縫破損最為普遍、嚴(yán)重和復(fù)雜，裂縫的表現(xiàn)形式多種多樣，例如表面裂縫、貫穿裂縫、板角斷裂以及化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫[3-6]。

裂縫一旦出現(xiàn)，就應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，否則在車輛荷載的往復(fù)作用下，加上環(huán)境因素的影響，裂縫將隨時(shí)間擴(kuò)展貫穿，在裂縫處發(fā)生應(yīng)力集中，混凝土發(fā)生沿縫碎落、在裂縫處斷裂、混凝土板產(chǎn)生滑移，破壞混凝土路面的整體性。當(dāng)破損發(fā)展到一定程度，裂縫處開始唧泥，板面出現(xiàn)交叉裂縫，并且導(dǎo)致其他板裂縫，最終喪失應(yīng)有的承載力，進(jìn)而使整塊板發(fā)生破壞，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。

本文針對農(nóng)村水泥混凝土路面裂縫病害及其養(yǎng)護(hù)預(yù)算有限的現(xiàn)狀，擬以石油瀝青/煤焦油瀝青共混物為基礎(chǔ)，采用SBS、廢舊橡膠粉和短切碳纖維廢絲對其進(jìn)行復(fù)合改性，開發(fā)出合適農(nóng)村水泥混凝土路面裂縫密封材料，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

石油瀝青為殼牌90號、殼牌70號；煤焦油瀝青為營口華源石化有限公司生產(chǎn)的低溫煤焦油瀝青；SBS為中國石化巴陵石化股份分公司產(chǎn)品；廢舊橡膠粉為青島惠商橡膠有限公司生產(chǎn)；短切碳纖維廢絲為太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

a）高速剪切機(jī) 德國弗魯克FLUKO FM300高剪切分散機(jī)。

b）低速攪拌機(jī) 無錫市海之藍(lán)環(huán)保設(shè)備有限公司BLY5攪拌機(jī)。

c）可控溫油浴鍋 上海一凱儀器設(shè)備有限公司HH-W0（5 L）油浴鍋。

1.3 試驗(yàn)步驟

將石油瀝青與煤焦油瀝青按比例混合，然后取一定量的共混瀝青，使用油浴鍋加熱至180℃，然后按比例加入SBS、廢舊橡膠粉，采用高速剪切機(jī)在4 000 rpm/min速率下剪切1 h，然后加入短切碳纖維廢絲，使用低速攪拌機(jī)在1 000 rpm/min速率下攪拌1 h即可。

2 原料摻量及形態(tài)對裂縫密封材料性能的影響

密封材料性能試驗(yàn)按照我國JT/T 589—2004水泥混凝土路面嵌縫密封材料相關(guān)測試方法進(jìn)行測定。

2.1 煤焦油瀝青摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次實(shí)驗(yàn)采用殼牌90號、殼牌70號兩種石油瀝青，煤焦油瀝青摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，加熱后共混攪拌，然后進(jìn)行嵌縫密封材料試件制作，測試其性能，測試結(jié)果見表1。

表1 不同煤焦油瀝青摻量的嵌縫密封材料性能測試結(jié)果

兩種石油瀝青隨著煤焦油瀝青摻量的增加，針入度、彈性（復(fù)原）率、流動(dòng)度和拉伸量均不斷下降，其中針入度指標(biāo)，殼牌90號瀝青大于50，不滿足規(guī)范要求；彈性（復(fù)原）率指標(biāo)，兩種瀝青均滿足要求；流動(dòng)度指標(biāo)，只有殼牌70號中煤焦油瀝青摻量大于15%滿足要求；最后一項(xiàng)拉伸量指標(biāo)，只有殼牌70號中煤焦油瀝青摻量小于25%滿足要求，綜合分析，當(dāng)殼牌70號瀝青在煤焦油瀝青摻量為20%時(shí)，滿足規(guī)范全部要求，因此本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)選殼牌70號石油瀝青摻加20%的煤焦油瀝青。

2.2 SBS摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次試驗(yàn)中共混瀝青選用上節(jié)試驗(yàn)的優(yōu)選結(jié)果，即殼牌70號石油瀝青摻加20%煤焦油瀝青，改性劑SBS在一定溫度下使用高速剪切機(jī)進(jìn)行分散，使其均勻分布在共混瀝青中。

本次試驗(yàn)測試了SBS六種摻量，分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，嵌縫密封材料性能變化，結(jié)果見表2。

表2 嵌縫密封材料性能隨SBS摻量變化

隨著SBS摻量的增加，嵌縫密封材料的針入度、流動(dòng)度逐漸下降，彈性（復(fù)原）率、拉伸量逐漸增大，當(dāng)SBS摻量高于4%時(shí)，彈性（復(fù)原）率、拉伸量增長幅度降低，考慮到SBS摻量直接影響嵌縫密封材料成本，因此建議摻量不高于4%。

2.3 橡膠粉摻量對嵌縫密封材料性能影響

為分析廢舊橡膠粉摻量對共混瀝青改性效果的影響，分別用不同橡膠粉摻量對共混瀝青進(jìn)行改性，橡膠粉粒徑為60目，結(jié)果見表3。

表3 密封材料性能隨廢舊橡膠粉摻量變化

由測試結(jié)果可知，隨著廢舊橡膠粉摻量的增加，嵌縫密封材料針入度、流動(dòng)度逐漸下降，彈性（復(fù)原）率逐漸提高，拉伸量則先增大后減小，橡膠粉最佳摻量為20%。

2.4 橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能影響

在分析橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能的影響時(shí)，橡膠粉摻量確定為20%，剪切溫度為180℃，剪切時(shí)間為1 h，分別使用40目、60目、80目橡膠粉進(jìn)行試驗(yàn)，對嵌縫密封材料變化規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行分析，并篩選出適用于制備嵌縫密封材料的橡膠粉粒徑。結(jié)果見表4。

表4 橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能影響

廢胎膠粉的細(xì)度對橡膠瀝青針入度影響顯著，橡膠瀝青針入度隨廢胎膠粉目數(shù)的增大而逐漸增大。僅從橡膠瀝青的針入度來分析，40目的膠粉的摻入使得瀝青針入度大幅降低，起到了顯著的改性效果；60目膠粉的改性作用介于兩者之間。當(dāng)膠粉粒徑較粗時(shí)，膠粉在熱瀝青中經(jīng)歷的主要過程是吸收瀝青中的輕質(zhì)組分而溶脹，當(dāng)膠粉顆粒粒徑很小時(shí)，與高溫接觸的比表面積更大，因而容易發(fā)生廢胎膠粉脫硫而恢復(fù)天然橡膠黏性。

2.5 碳纖維摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次試驗(yàn)中，碳纖維加入到共混瀝青后，利用機(jī)械攪拌使其均勻分散在共混瀝青中，嚴(yán)禁使用高速剪切分散方式，以免碳纖維形態(tài)被破壞，失去相應(yīng)功能。

本項(xiàng)試驗(yàn)暫定碳纖維長度選取0.5 mm，碳纖維體積摻量分別為4%、5%、6%、7%、8%、9%，攪拌速率1 000 r/min，攪拌時(shí)間1 h，測試結(jié)果見表5。

表5 碳纖維摻量對密封材料性能影響

隨著碳纖維摻量的增大，嵌縫密封材料的針入度、流動(dòng)度逐漸降低，彈性（復(fù)原）率、拉伸量逐漸升高，當(dāng)摻量大于6%后，變化幅度降低，原因是隨著碳纖維摻量增加，密封材料受力通過界面?zhèn)鹘o纖維，而纖維表面與共混瀝青發(fā)生的吸附、物理浸潤作用及化學(xué)鍵作用，導(dǎo)致界面黏結(jié)力較強(qiáng)，纖維的增強(qiáng)作用明顯，當(dāng)纖維摻量超過6%以后，纖維表面得不到共混瀝青的有效包裹，導(dǎo)致界面黏結(jié)力提升放緩，因此碳纖維最佳摻量應(yīng)小于6%。

2.6 碳纖維長度對嵌縫密封材料性能影響

根據(jù)上節(jié)試驗(yàn)結(jié)果確定碳纖維體積摻量一般為瀝青的 6%，碳纖維長度選取 0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和 0.7 mm，攪拌速率1 000 r/min，攪拌時(shí)間1 h，測試結(jié)果見表6。

表6 碳纖維長度對密封材料性能影響

隨著碳纖維長度的增加，針入度和流動(dòng)度不斷降低，彈性（復(fù)原）率和拉伸量逐漸升高，當(dāng)纖維長度達(dá)到0.5 mm后，增長放緩。

3 結(jié)論

通過以上單因素試驗(yàn)分析，最終得到結(jié)論為：石油瀝青與煤焦油瀝青質(zhì)量比為4∶1；SBS摻量為共混瀝青質(zhì)量的4%；橡膠粉摻量為共混瀝青質(zhì)量的20%，細(xì)度60目；碳纖維摻量為共混瀝青體積的6%，長度0.5 mm時(shí)，制備的密封材料性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，可用于農(nóng)村水泥混凝土路面裂縫密封，有效隔絕水分下滲，防止路面出現(xiàn)唧泥、托空、斷板等更為嚴(yán)重的病害，提高農(nóng)村水泥混凝土路面使用壽命。