橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的制備與路用性能分析

甘 偉，李家龍

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067; 2.重慶奉建高速公路有限公司，重慶 404600)

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的交通基礎(chǔ)建設(shè)經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，隨之而來(lái)的瀝青路面早期病害如坑槽、裂縫、松散等給公路養(yǎng)護(hù)行業(yè)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)?？硬圩鳛樵缙诼访娌『χ?，其形成迅速、蔓延速度快，而冷補(bǔ)瀝青混合料作為坑槽修補(bǔ)的一種方法，因其施工簡(jiǎn)便、不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行了大量研究。Biswas S等[1]將基質(zhì)瀝青、增塑劑、改性劑等混合制得冷補(bǔ)液，并用開(kāi)級(jí)配的堿性集料混合成冷補(bǔ)瀝青混合料，可避免鋪灑粘層油，且具有較強(qiáng)的保質(zhì)期；Shin O C等[2]研制了常溫型和低溫型2種冷補(bǔ)瀝青混合料，可在惡劣環(huán)境下施工；Ferrotti G等[3]對(duì)2種冷補(bǔ)瀝青混合料施工后的殘存率進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，表明其殘存率為普通冷補(bǔ)瀝青混合料的3倍；李峰等[4-6]在配制若干種冷補(bǔ)料的前提下，提出了新的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系，在北京干線道路驗(yàn)證了其具有很強(qiáng)的實(shí)用性；李加等[7-9]研究表明，集料的級(jí)配、粉膠比、纖維添加量對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的性能均有較大影響，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了最優(yōu)級(jí)配、粉膠比及纖維添加量；譚憶秋等[10]研制了針對(duì)冰凍地區(qū)的抗凍型冷補(bǔ)瀝青混合料，并得出了材料的最優(yōu)配合比；馬全紅等[11]利用多種礦物粘土和生物重油研發(fā)了新型冷補(bǔ)瀝青混合料，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其性能優(yōu)良；張爭(zhēng)奇等[12-13]提出了溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料，并指出其具有良好的路用性能；程谞等[14]分析了特殊路段瀝青路面抗滑性能修復(fù)技術(shù)；陳淼滎[15]分析了水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的粘附性能。但目前橡膠顆粒冷補(bǔ)混合料的研制與性能分析卻鮮有報(bào)道。為此，本文對(duì)橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及路用性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

1)基質(zhì)瀝青

制備橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的基質(zhì)瀝青，采用購(gòu)自山東某公司產(chǎn)的90#道路瀝青，參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[16]及JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]對(duì)基質(zhì)瀝青的基本性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 瀝青基本性能指標(biāo)

2)集料

試驗(yàn)集料為石灰?guī)r和花崗巖，級(jí)配類(lèi)型采用目前我國(guó)公路建設(shè)使用最多的AC-13密級(jí)配，其級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13密級(jí)配曲線

3)橡膠顆粒

試驗(yàn)所采用的橡膠顆粒從廢棄輪胎中獲取，如圖2所示，經(jīng)測(cè)定其彈性恢復(fù)性好、硬度大，且細(xì)長(zhǎng)扁平顆粒含量遠(yuǎn)小于10%，其指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 橡膠顆粒照片

表2 橡膠顆粒性能檢測(cè)結(jié)果

4)冷補(bǔ)液改良劑

冷補(bǔ)液的改良劑采用滲透率較低，但可顯著增強(qiáng)冷補(bǔ)液與集料粘附性的乙烯基玻璃鱗片膠泥，粘度高、吸附性強(qiáng)的EC-1高性能界面處理劑以及增塑效率高的ATBC增塑劑等，為簡(jiǎn)明表述這3個(gè)改良劑，分別用A、B、C表示(下同)，可以顯著增強(qiáng)冷補(bǔ)液的性能。

1.2 冷補(bǔ)液制備

試驗(yàn)冷補(bǔ)液的制備，采用90%的基質(zhì)瀝青，2%的阻聚劑，其余為改良劑。將基質(zhì)瀝青加熱到150 ℃～160 ℃后，加入2%的阻聚劑，將改良劑按照比例加入后采用高速瀝青剪切儀剪切30 min，然后在150 ℃恒溫箱中養(yǎng)生1 h后備用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.1 材料配比最優(yōu)化

1)冷補(bǔ)液改良劑的最優(yōu)配合比確定

為得到冷補(bǔ)液改良劑的最優(yōu)配合比，設(shè)定了冷補(bǔ)液改良劑A∶B∶C分別為2∶2∶4、1.5∶3.5∶3、2.5∶2∶3.5三個(gè)配合比。按上述冷補(bǔ)液制備方法制備，將水煮法測(cè)定冷補(bǔ)液與集料的粘附性以及橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的水穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。每種配合比進(jìn)行2組試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)值取均值。

2)最佳橡膠顆粒摻量確定

為確定橡膠顆粒瀝青冷補(bǔ)混合料最佳橡膠顆粒摻量，設(shè)定了4種橡膠顆粒摻加量分別為0%、2%、4%、6%，并模擬了橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料對(duì)瀝青路面坑槽的修補(bǔ)。步驟如下：(1)利用輪碾機(jī)制得車(chē)轍板試件；(2)將車(chē)轍板放入烘箱中90 ℃恒溫軟化1 h；(3)利用工具在車(chē)轍板中間部位挖出10 cm×10 cm的坑槽，將拌制完成的橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料填入坑槽，在輪碾機(jī)上碾壓至平整；(4)隨后放至車(chē)轍試驗(yàn)儀上進(jìn)行軸載為780 N的車(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)得1 h后的豎向變形量；(5)對(duì)相同試件進(jìn)行急速磨耗試驗(yàn)，確定不同次數(shù)下擺值(BPN)的衰變速率，用以確定橡膠顆粒的最佳添加量。

2.2 橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的性能影響分析

1)不同坑槽尺寸下的豎向變形量

為探明坑槽尺寸對(duì)橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料性能的影響，按2.1節(jié)中的制樣方法制得車(chē)轍板試件后，分別選取 15 cm×6 cm×4 cm、15 cm×10 cm×4 cm、15 cm×14 cm×4 cm三種尺寸的坑槽，測(cè)定采用橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料修補(bǔ)坑槽的豎向變形量。

2)不同溫度下的豎向變形量

經(jīng)2.1節(jié)分析，最優(yōu)坑槽尺寸為15 cm×10 cm×4 cm，為了分析溫度對(duì)橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料性能的影響，采用最優(yōu)坑槽尺寸且試驗(yàn)溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)得其豎向變形量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 最優(yōu)配合比

1)冷補(bǔ)液裹覆率

選用冷補(bǔ)液改良劑A∶B∶C為2∶2∶4、1.5∶3.5∶3、2.5∶2∶3.5三個(gè)配合比按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[16]規(guī)定測(cè)定了不同改良劑配合比的冷補(bǔ)液裹覆率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同改良劑配合比摻量的冷補(bǔ)液裹覆率 %

由表3可見(jiàn)，改良劑A∶B∶C為1.5∶3.5∶3具有更高的冷補(bǔ)液裹覆率，平均值為96%，較其他組改良劑高，因此，確定改良劑的最佳配合比A∶B∶C為 1.5∶3.5∶3。

2)不同橡膠顆粒摻量的豎向變形量

選取 0%、2%、4%、6%四種摻量的橡膠顆粒制備橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料，并模擬修補(bǔ)坑槽，且進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同橡膠顆粒摻加量的混合料試件豎向變形量

由圖3可見(jiàn)，不同橡膠顆粒摻量，試件豎向變形趨勢(shì)有一定的相似性。當(dāng)加載 1 h時(shí)，試件豎向變形量都較小，但添加了橡膠顆粒試件的豎向變形量都比未摻加的更小，說(shuō)明添加橡膠顆?？蓽p小混合料豎向變形，且當(dāng)其添加量為4%時(shí)，變形量最小，因此可確定橡膠顆粒的最優(yōu)摻加量為4%。

3)不同橡膠顆粒摻量下抗滑性能衰變規(guī)律

4種摻量下冷補(bǔ)瀝青混合料抗滑性能衰變?nèi)鐖D4所示。

圖4 不同橡膠顆粒摻量下的混合料試件擺值衰變曲線

圖4表明，4種摻量下擺值衰變特點(diǎn)為先快后慢，最后趨于穩(wěn)定，且4%摻量的橡膠顆?；旌狭蠑[值保有量最大。這是因?yàn)橐欢ū壤南鹉z顆粒替代部分細(xì)集料，使得混合料抗滑性能衰減程度減緩，也說(shuō)明了橡膠顆粒的添加可提升冷補(bǔ)瀝青混合料的耐久性，且橡膠顆粒摻量為4%時(shí)，其效果最佳。

3.2 橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能分析

1)高溫穩(wěn)定性

(1)坑槽尺寸的影響

選取 15 cm×6 cm×5 cm、15 cm×10 cm×5 cm、15 cm×14 cm×5 cm三種尺寸的坑槽進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，初步設(shè)定試驗(yàn)溫度為20 ℃，加載時(shí)間為1 h，取坑槽寬度為尺寸影響因素，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同坑槽尺寸下混合料試件豎向變形量

由圖5可知，在加載初期，豎向變形增長(zhǎng)較快，坑槽寬度為14 cm時(shí)，在加載1 h后其豎向變形量達(dá)7.86 mm，但未趨于穩(wěn)定；坑槽寬度為10 cm時(shí)，在加載中后期豎向變形量趨于穩(wěn)定；坑槽寬度為6 cm時(shí)，加載15 min后豎向變形量趨于穩(wěn)定。說(shuō)明在相同軸載和溫度下，豎向變形量隨試件坑槽尺寸的增大而逐漸增大，且隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)和試件坑槽尺寸的加大而加快。

(2)溫度的影響

選取冷補(bǔ)液改良劑配合比A∶B∶C為1.5∶3.5∶3進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，橡膠顆粒摻量為4%，坑槽尺寸為 15 cm×6 cm×5 cm，設(shè)定試驗(yàn)溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同溫度下冷補(bǔ)瀝青混合料豎向變形量

圖6表明，隨著試驗(yàn)溫度的升高，豎向變形量逐漸增大，究其原因一是溫度升高致使冷補(bǔ)液改良劑揮發(fā)，二是溫度升高冷補(bǔ)液變軟導(dǎo)致豎向變形過(guò)大。其中30 ℃溫度條件下車(chē)轍板豎向最大變形量為1.93 mm?？梢?jiàn)，橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料具有較好的溫度穩(wěn)定性。

2)水穩(wěn)定性

目前，評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法有很多，本文參考JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]，采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青混合料的水溫定性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，冷補(bǔ)瀝青混合料混合料殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比均滿(mǎn)足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]中大于80%的要求，且具有良好的水穩(wěn)定性。

表4 凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3)低溫抗裂性

本文參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]中T0715“瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)方法”，測(cè)定冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 冷補(bǔ)瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，瀝青混合料彎拉破壞應(yīng)變值在摻量為4%時(shí)最大，為3 604 με，滿(mǎn)足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[16]中大于2 500 με的技術(shù)要求，說(shuō)明該瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性。

4 結(jié)論

1)冷補(bǔ)液改良劑A∶B∶C的配合比對(duì)橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的集料裹覆性有一定影響，其最佳配合比為1.5∶3.5∶3。

2)不同摻量的橡膠顆粒，試件的豎向變形規(guī)律和抗滑性能衰變規(guī)律呈一定的相似性，橡膠顆粒的添加可有效增強(qiáng)橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的抗豎向變形能力及抗滑性能保持能力。

3)相同軸載和溫度下，豎向變形量隨坑槽尺寸的增大而逐漸增大，隨著試驗(yàn)溫度的升高，豎向變形量增大，且隨加載時(shí)間延長(zhǎng)，豎向變形速度也隨尺寸的增大而加快?？硬蹖挾仍酱?，豎向變形穩(wěn)定周期越長(zhǎng)，在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)注意控制挖補(bǔ)坑槽的寬度。

4)經(jīng)室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)試分析，冷補(bǔ)瀝青混合料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。

5)在今后的研究中，還需進(jìn)一步研究坑槽修補(bǔ)后，在槽壁約束作用下，橡膠顆粒冷補(bǔ)瀝青混合料的復(fù)合受力情況，建立相關(guān)模型，探析其受力機(jī)理。