高性能成品濕法橡膠在鋼橋面鋪裝中適用性研究

陳志祥

(海南省路橋投資建設(shè)有限公司，海南 三亞 570100)

0 前 言

橡膠瀝青(Asphalt Rubber)是一種減少?gòu)U舊輪胎“黑色污染”的有效辦法。它主要是通過(guò)一定的生產(chǎn)工藝將由廢舊輪胎制備的橡膠粉加入瀝青當(dāng)中，形成一種以橡膠粉為改性劑的改性瀝青，可廣泛應(yīng)用于瀝青混合料、應(yīng)力吸收層等。鋼橋面鋪裝不同于一般公路瀝青混凝土路面，它直接鋪設(shè)在鋼橋面板上，由于鋼橋面板柔度大，在行車(chē)荷載與溫度變化、風(fēng)載、地震等自然因素共同影響下，其受力和變形較公路路面或機(jī)場(chǎng)道面以及其他橋型結(jié)構(gòu)鋪裝復(fù)雜得多[1-4]。特別是在重型車(chē)輛荷載作用下，鋼橋面板局部變形更大，各縱向加勁肋縱隔板、橫肋(或橫隔板)與橋面板焊接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，這導(dǎo)致鋪裝層受力非常復(fù)雜，局部應(yīng)變較大。本文將根據(jù)鋼橋面鋪裝的特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)研究高性能成品濕法橡膠瀝青混合料在鋼橋面鋪裝中的適用性，旨在為后續(xù)相關(guān)研究作參考。

1 常用鋼橋面結(jié)構(gòu)

目前世界上鋼橋面鋪裝使用效果較好的有四類(lèi)：雙層改性SMA，澆筑式瀝青混凝土(GA10)+高彈SMA，雙層環(huán)氧瀝青混凝土，樹(shù)脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝技術(shù)(ERS)。雙層改性SMA具有良好的高溫抗車(chē)轍性能抗滑性，但鋪裝整體性、抗裂性能和防水性能較差；澆筑式+SMA結(jié)構(gòu)密水性好、隨從變形能力好、整體性強(qiáng)，但其高溫穩(wěn)定性差，與重載交通適應(yīng)性不佳；雙層環(huán)氧瀝青混凝土結(jié)構(gòu)合性能比較優(yōu)良，車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度較高，但是成本較高，對(duì)施工環(huán)境要求非?？量?，通常都會(huì)有施工缺陷，會(huì)造成早期病害的產(chǎn)生。ERS鋪裝結(jié)構(gòu)為組合式結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮各層材料特點(diǎn)，施工簡(jiǎn)便，建設(shè)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，但是目前工程運(yùn)用較少。

2 高性能成品濕法橡膠瀝青混合料與鋼橋面鋪裝適用性

目前常用鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)多采用SBS 改性瀝青SMA混合料，SBS改性瀝青SMA混合料具有優(yōu)異的綜合路用性能，用于高速公路路面、水泥混凝土橋面鋪裝可取得良好的使用效果，但在鋼橋面鋪裝中效果一般，因?yàn)樵阡摌蛎驿佈b中對(duì)瀝青混合料需具有良好的層間結(jié)合力和抗變形能力，而SBS改性瀝青SMA混合料的層間粘結(jié)性能和變形隨從性不佳，易造成鋼橋面鋪裝的層間剪切破壞和開(kāi)裂。

為改善SMA混合料的層間粘結(jié)性能和抗變形能力，目前SMA中瀝青膠結(jié)料中多采用高粘瀝青和高彈改性瀝青，取得了一定的效果。本文通過(guò)在基質(zhì)瀝青中加入SBS、橡膠粉、穩(wěn)定劑等制備了具有高粘彈特性的高性能成品濕法橡膠瀝青用于SMA中，在保持和提高混合料路用性能的基礎(chǔ)上，改善混合料的抗變形能力和層間粘結(jié)性能。高性能成品濕法橡膠瀝青的性能如表1所示。

表1 高性能成品濕法橡膠瀝青性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1性能測(cè)試結(jié)果，高性能成品濕法橡膠瀝青25℃彈性恢復(fù)達(dá)到93%，根據(jù)已有研究和文獻(xiàn)調(diào)研，參照T0662 試驗(yàn)方法測(cè)定的25℃橡膠瀝青和SBS 改性瀝青及其他改性瀝青的彈性恢復(fù)區(qū)分度很小，彈性恢復(fù)值幾乎都能夠達(dá)到90%以上，因此，25℃彈性恢復(fù)已不能全面表征和區(qū)分不同改性瀝青的恢復(fù)性能，基于此，筆者參照改性瀝青彈性恢復(fù)相關(guān)性能評(píng)價(jià)方法，研究了低溫彈性恢復(fù)和極限彈性恢復(fù)等試驗(yàn)方法下高性能成品濕法橡膠瀝青和其他改性瀝青的彈性恢復(fù)性能。

1)低溫彈性恢復(fù)試驗(yàn)。不同的改性瀝青在低溫條件下的性質(zhì)不同，對(duì)溫度的敏感性不同，隨著溫度的降低，改性瀝青的各項(xiàng)粘彈性指標(biāo)均發(fā)生變化，由流動(dòng)體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z體最終轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw狀態(tài)。根據(jù)改性瀝青的這種變化特性，本課題調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)彈性恢復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度，分別測(cè)試改性瀝青5℃、15℃的彈性恢復(fù)值，區(qū)分對(duì)比不同種類(lèi)改性瀝青的低溫恢復(fù)能力。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1試驗(yàn)結(jié)果可看出，高性能成品濕法橡膠瀝青在5℃、15℃、25℃彈性恢復(fù)值分別為72%、86%、93%，SBS改性瀝青在5℃、15℃、25℃彈性恢復(fù)值分別為41%、62%、78%，TPS改性瀝青在5℃、15℃、25℃彈性恢復(fù)值分別為53%、78%、86%，在相同溫度條件下，三種瀝青彈性恢復(fù)能力排序?yàn)楦咝阅艹善窛穹ㄏ鹉z瀝青>TPS改性瀝青>SBS改性瀝青，可見(jiàn)高性能成品濕法橡膠瀝青彈性恢復(fù)能力最強(qiáng)；此外，隨著溫度的升高，三種瀝青彈性恢復(fù)能力增強(qiáng)，且高性能成品濕法橡膠瀝青彈性恢復(fù)隨溫度增加變化幅度相對(duì)較小，這說(shuō)明了瀝青在溫度較高狀態(tài)下有著較好的延展性，而高性能成品濕法橡膠瀝青顯然溫度穩(wěn)定性更強(qiáng)，同時(shí)也側(cè)面反映了瀝青在低溫條件下容易產(chǎn)生開(kāi)裂。

圖1 低溫彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

2)極限彈性恢復(fù)試驗(yàn)。不同的改性瀝青的恢復(fù)速率是不同的，以傳統(tǒng)的彈性恢復(fù)方法拉伸至固定長(zhǎng)度(100 mm)后剪斷，會(huì)導(dǎo)致延度較低的瀝青處于“緊繃”的狀態(tài)，而延度值較大的瀝青則處于“松弛”的狀態(tài)。為避免恢復(fù)速率受瀝青內(nèi)部應(yīng)力水平的影響，極限彈性恢復(fù)試驗(yàn)的拉伸長(zhǎng)度為此種瀝青的延度值乘以0.8，并在剪斷瀝青后，立即開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄恢復(fù)過(guò)程中相應(yīng)時(shí)間的恢復(fù)值，比較不同改性瀝青的恢復(fù)速率。記錄方式為：剪斷后立刻記錄恢復(fù)開(kāi)始30 s 的彈性恢復(fù)數(shù)據(jù)，此后記錄頻率為前10 min，每1 min 記錄一次；10 min后，10 min 記錄一次，60 min 終止試驗(yàn)。圖2為不同改性瀝青極限彈性恢復(fù)值和時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖2 不同改性瀝青極限彈性恢復(fù)值和時(shí)間的關(guān)系曲線

為便于分析瀝青彈性恢復(fù)性能，筆者將改性瀝青在恢復(fù)30 s 的彈性恢復(fù)值稱(chēng)為瞬時(shí)恢復(fù)值，將20 s 至50 min 的彈性恢復(fù)值稱(chēng)為極限彈性恢復(fù)值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，三種改性瀝青的極限彈性恢復(fù)值大小順序?yàn)椋焊咝阅艹善窛穹ㄏ鹉z瀝青>TPS 改性瀝青>SBS 改性瀝青，這與低溫彈性恢復(fù)試驗(yàn)研究的結(jié)果一致。瞬時(shí)恢復(fù)值和極限彈性恢復(fù)值的大小排序一致，兩項(xiàng)指標(biāo)具有很好的相關(guān)性，這可說(shuō)明在特定的條件下瞬時(shí)恢復(fù)至在一定程度上決定了極限彈性恢復(fù)值。在三種不同改性瀝青中，高性能成品濕法橡膠瀝青的極限彈性恢復(fù)能力最優(yōu)，可見(jiàn)其具有突出的彈性變形能力。

根據(jù)上述分析，高性能成品濕法橡膠瀝青具有優(yōu)異的高粘和高彈性能，若用于SMA 級(jí)配將不僅獲得路用性能優(yōu)良的混合料，而且與鋼橋面鋪裝具有良好的適用性?；阡摌蛎驿佈b要求和成品濕法橡膠瀝青特點(diǎn)，提出適合鋼橋面鋪裝的高性能成品濕法橡膠瀝青的技術(shù)要求如表2所示。

表2 高性能成品濕法橡膠瀝青技術(shù)要求

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)鋼橋面鋪裝技術(shù)難點(diǎn)和不同鋼橋面結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)的調(diào)查了解，選用不同瀝青膠結(jié)料進(jìn)行低溫彈性恢復(fù)試驗(yàn)和極限彈性恢復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：高性能成品濕法橡膠瀝青低溫彈性恢復(fù)能力和極限恢復(fù)能力遠(yuǎn)強(qiáng)于其他瀝青，具有更好的低溫延展性，并提出高性能成品濕法橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。

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