SBS 橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料在城市小修改造中的應(yīng)用研究

宋大偉

（煙臺市數(shù)字化城市管理服務(wù)中心，山東煙臺264010）

城市道路是連接城市各個區(qū)域，承擔(dān)運輸通行功能的城市骨架脈絡(luò)。但是，隨著城市建設(shè)加快、居民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市道路交通能力提升，道路交通量日益增大，城市道路瀝青路面的病害愈加頻發(fā)且路病出現(xiàn)周期縮短。其中城市道路的交叉口、公交站等由于頻繁制（啟）動、夏季高溫且陽光直射、雨季雨水浸泡等原因會更加頻繁嚴(yán)重地產(chǎn)生車轍、擁包、龜裂等病害。嚴(yán)重地影響居民出行的安全與舒適。通常情況下在市政道路小修時，市政管理部門會采用SBS 改性瀝青混合料鋪筑交叉口、公交站臺附近的病害頻發(fā)區(qū)域的瀝青路面，但是單獨采用SBS 改性瀝青不能滿足高強(qiáng)度抗車轍、抗疲勞等使用要求；而利用廢舊橡膠粉改性瀝青，可使瀝青混合料更加安全耐用吸噪，適合在城市道路中使用。結(jié)合上述兩點，本文研究SBS 廢膠粉復(fù)合改性瀝青混合料在城市道路小修改造中的應(yīng)用，充分發(fā)揮復(fù)合改性瀝青抗車轍、抗病害、環(huán)保、美觀、安全、降噪、增強(qiáng)傳統(tǒng)廢膠粉改性瀝青貯存穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

1 復(fù)合改性瀝青改性原理

SBS 與橡膠粉對瀝青的改性過程既有物理變化又有化學(xué)變化，兩種變化相伴發(fā)生不分先后，且兩種改性劑相互影響共同對瀝青的性能產(chǎn)生改變［1］。根據(jù)溶解度理論，SBS 與廢膠粉的大分子在改性過程中在外力剪切及高溫作用下被打斷后形成活躍的小分子鏈，其中一部分與瀝青輕質(zhì)組分結(jié)合而形成新的共聚物，另一部分短鏈小分子改性劑自己結(jié)合生成新的共聚物［1-2］。復(fù)合改性過程中兩種改性劑可以相互影響、相互促進(jìn)，直徑較小的的橡膠粉顆粒能夠在瀝青體系中均勻分布，橡膠粉顆粒吸收瀝青當(dāng)中的輕質(zhì)組分，SBS 改性劑顆?？梢跃鶆蚍植荚趶U膠粉顆粒周圍，SBS 改性劑顆粒、橡膠粉顆粒和基質(zhì)瀝青形成了較單一改性更為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［3］。這種復(fù)合改性后的瀝青能夠具有更高的穩(wěn)定性、更好的熱穩(wěn)定性、更好的抗疲勞性能。

2 工程應(yīng)用

2.1 項目概況

某市政小修改造專項工程，共計小修改造交叉口18個，公交站臺下道路56 段，共計3789m2，采用銑刨重鋪方法。將產(chǎn)生病害的上面層與中面層銑刨后，噴灑粘層油重鋪中面層和上面層。中面層采用6cm 普通瀝青AC-25 混合料，上面層采用4cm SBS 橡膠粉復(fù)合改性瀝青SMA-13 混合料。

2.2 復(fù)合改性瀝青性改性劑摻量確定

2.2.1 原材料

本項目采用廢膠粉為項目所在地當(dāng)?shù)貜S家生產(chǎn)的40目廢膠粉，瀝青為中海油生產(chǎn)SBS 改性瀝青，SBS 改性劑的摻量為4%以及4.5%兩種。改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical properties of SBS modified asphalt

2.2.2 復(fù)合改性瀝青性能驗證

本項目采用在成品SBS 改性瀝青當(dāng)中摻加橡膠粉進(jìn)行復(fù)合改性的方法，這種復(fù)合改性方式對于實際操作來講更加穩(wěn)定、可靠、方便。本次研究計劃采用4% SBS、4.5% 摻量的單一改性瀝青摻加一系列的不同比例的廢膠粉制備得出不同比例的復(fù)合改性瀝青后，用傳統(tǒng)瀝青評價指標(biāo)針入度、延度、軟化點、動力粘度評價復(fù)合改性瀝青路用性能的優(yōu)劣從而選擇出最佳復(fù)合改性瀝青摻配比。試驗結(jié)果統(tǒng)計如圖1 所示。

圖1 復(fù)合瀝青傳統(tǒng)實驗結(jié)果統(tǒng)計Fig.1 Statistics of traditional test results of composite asphalt

由試驗結(jié)果可以看出兩組不同SBS 摻量改性瀝青的四個試驗的試驗數(shù)據(jù)隨著廢膠粉摻量的增加，試驗數(shù)據(jù)變化趨勢是一致的。對瀝青的溫度敏感性、塑性等都具有非常好的改善作用。（1）從針入度試驗結(jié)果來看，復(fù)合改性瀝青的改性效果相對于單一改性瀝青更加顯著。但是隨著橡膠粉摻加量的增加試驗數(shù)據(jù)趨于平緩，這表明改性劑的摻量存在一個范圍，一旦超出這個摻加量范圍，改性劑的改性效率會降低從而造成經(jīng)濟(jì)上的浪費。（2）從延度的試驗結(jié)果可以看出，廢膠粉的摻入對單一改性劑的改性瀝青隨著摻量的增加數(shù)據(jù)趨于平緩，并未明顯改善，改性效果并不非常明顯，4.0%SBS 摻量和4.5%SBS摻量的兩種復(fù)合改性瀝青的試驗結(jié)果非常接近，隨著廢膠粉摻量的增加試驗數(shù)據(jù)變化的趨勢也相同，說明廢膠粉對改性瀝青的低溫塑性的影響并不明顯。（3）從軟化點和動力粘度的試驗結(jié)果來看，兩種不同SBS 摻量的單一改性瀝青隨著廢膠粉摻量的逐漸增加，試驗數(shù)據(jù)的差異隨之縮小，說明SBS 改性劑在復(fù)合改性瀝青軟化點和動力粘度改性效果中并不占主導(dǎo)作用，隨著廢膠粉摻量的增加，廢膠粉在軟化點和動力粘度的改性效果越來愈占據(jù)主要作用。

本項目主要目的是解決城市道路交叉口車轍、擁包、路面老化破損嚴(yán)重等問題，所以不僅采用常規(guī)的馬歇爾體系指標(biāo)評價復(fù)合改性瀝青的路用性能，也采用了SHAP 體系當(dāng)中的動態(tài)剪切流變試驗來評價瀝青的抗車轍能力及抗疲勞能力。本試驗對復(fù)合改性瀝青、加熱老化的復(fù)合改性瀝青、壓力老化的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切試驗。采用復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ 計算得到的車轍因子G*/sinδ 和疲勞因子G*·sinδ 作為評價指標(biāo)，對復(fù)合改性瀝青高溫抗車轍能力以及中溫抗疲勞能力進(jìn)行評價。

采用復(fù)合改性瀝青以及薄膜烘箱加熱老化后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行 DSR 試驗，瀝青是典型的粘-彈性材料。在DSR 試驗當(dāng)中，G*通過試驗數(shù)據(jù)計算得出，表征瀝青在重復(fù)剪切作用下抵抗變形的能力［4］；相位角也是通過試驗數(shù)據(jù)計算得出，表征瀝青彈性性部分和粘性部分相對所占比例［5］。彈性部分越大，δ 越小，sinδ 越小，G*/sinδ 就越大，表明瀝青在荷載作用下恢復(fù)能力越強(qiáng)［6］。同理，G*?sinδ 越小，表明瀝青的彈性越強(qiáng)，抗疲勞恢復(fù)能力越強(qiáng)［7］。動態(tài)剪切流變試驗測定的是模擬瀝青受到反復(fù)剪切作用時的恢復(fù)能力，所以能夠更好地體現(xiàn)瀝青的抗車轍和抗疲勞性能［8］。復(fù)合改性瀝青的動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 復(fù)合改性瀝青車轍因子試驗結(jié)果Fig. 2 Rutting factor test results of composite modified asphalt

圖3 復(fù)合改性瀝青疲勞因子試驗結(jié)果Fig. 3 Fatigue factor test results of composite modified asphalt

通過車轍因子試驗結(jié)果（圖2）可以看出，相對于單一SBS 改性瀝青，加入廢膠粉形成復(fù)合改性瀝青后車轍因子試驗數(shù)據(jù)明顯增大。且隨著廢膠粉摻入比例增加，車轍因子數(shù)值呈正相關(guān)增加；隨著溫度上升，車轍因子數(shù)值降低。說明隨著溫度升高瀝青彈性恢復(fù)性能降低，荷載下抵抗永久變形能力減弱。但是降低的幅度越來越緩慢。且不同廢膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青隨著溫度升高，車轍因子降低的幅度的差異越來越接近。這一現(xiàn)象表明復(fù)合改性瀝青的改性劑摻加比例值有一個范圍，超過這個界限范圍改性效率將大幅降低從而造成經(jīng)濟(jì)上浪費。這個規(guī)律跟復(fù)合改性瀝青傳統(tǒng)試驗得出的規(guī)律相互印證。

通過疲勞因子試驗結(jié)果（圖3）可以看出，相對于單一SBS 改性瀝青，加入廢膠粉形成復(fù)合改性瀝青后疲勞因子試驗數(shù)據(jù)明顯降低。且隨著廢膠粉摻入比例增加，車轍因子數(shù)值呈負(fù)相關(guān)增加；隨著溫度上升，疲勞因子數(shù)值降低。說明隨著溫度升高瀝青抗疲勞性能改善。但是降低的幅度越來越緩慢。且不同廢膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青隨著溫度升高，疲勞因子降低的幅度的差異越來越接近。這一現(xiàn)象表明復(fù)合改性瀝青的改性劑摻加比例值有一個范圍，超過這個界限范圍改性效率將大幅降低從而造成經(jīng)濟(jì)上浪費。這個規(guī)律跟復(fù)合改性瀝青傳統(tǒng)試驗以及復(fù)合改性瀝青車轍因子試驗數(shù)據(jù)得出的規(guī)律相互印證。

2.2.3 復(fù)合改性瀝青改性劑最佳摻量

上文采用傳統(tǒng)瀝青評價指標(biāo)和動態(tài)剪切流變試驗指標(biāo)對復(fù)合改性瀝青的路用性能進(jìn)行評價驗證。結(jié)合路用性能評價指標(biāo)以及改性效率和經(jīng)濟(jì)合理性。嘗試確定適宜本項目的改性劑最佳摻配比例范圍。試驗指標(biāo)匯總見表2。

表2 復(fù)合改性瀝青路用性能試驗數(shù)據(jù)匯總表Table 2 Summary of road performance test data of composite modified asphalt

經(jīng)過上述必選分析，推薦采用4.0%SBS 含量成品改性瀝青當(dāng)中摻加13%～14% 比例的廢膠粉，能夠既能保證復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)良的路用性能，又能夠具有最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計

本項目所使用的復(fù)合改性瀝青是在成品SBS 改性瀝青當(dāng)中加入40 目廢膠粉復(fù)合改性而來，由于廢膠粉的加入使得瀝青混合料性能產(chǎn)生一定的變化，主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是廢膠粉的加入使得瀝青混合料的粘性增大，彈性增大增加拌和難度的同時也增加了路面的彈性，改善路面荷載狀態(tài)、增加行車舒適性、降低了噪音、路面更加美觀［9］，但是拌和難度增加而且難于壓實；另一方面若按照以往配合比設(shè)計方法設(shè)計復(fù)合改性瀝青混合料配合比，由于橡膠粉顆粒的加入會使得混合料瀝青用量增加，橡膠粉顆粒會影響混合料集料級配，降低混合料孔隙率［10］。所以應(yīng)該充分考慮含廢膠粉的復(fù)合改性瀝青的特點，利用復(fù)合改性瀝青的高路用性能，規(guī)避廢膠粉帶來的不利影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行混合料級配設(shè)計。

2.3.1 調(diào)整級配曲線

本項目所用復(fù)合改性瀝青混合料級配類型為SMA-13 型瀝青混合料，在進(jìn)行集料級配調(diào)整過程中的調(diào)整原則為保證骨架結(jié)構(gòu)，即控制粗集料的通過率；嚴(yán)格控制4.75mm 以及2.36mm 這兩檔關(guān)鍵篩孔的通過率。因為關(guān)鍵篩孔的通過率影響著混合料嵌擠性能以及瀝青用量。集料篩分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 復(fù)合改性瀝青SMA-13 瀝青混合料設(shè)計初試級配曲線圖Fig. 4 Primary test gradation curve of SMA-13 asphalt mixture

2.3.2 確定瀝青用量

按本項目選擇4%SBS 改性瀝青摻14% 廢膠粉制成復(fù)合改性瀝青，采用確定的集料級配比例拌制復(fù)合改性瀝青混合料，初步確定三組油石比分別進(jìn)行馬歇爾試驗驗證。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。

表3 復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試驗指標(biāo)匯總表Table 3 Marshall test index summary of composite modified asphalt mixture

考慮施工和易性、現(xiàn)場壓實度和規(guī)范要求，根據(jù)試件空隙率、其他指標(biāo)綜合考慮以及施工經(jīng)驗，最后確定本項目復(fù)合改性瀝青混合料的油石比為6.5%。

2.3.3 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能驗證

本項目主要是對城市道路交叉口公交站臺等高溫疲勞病害嚴(yán)重的路段進(jìn)行小修改造，故本項目主要針對高溫性能和抗疲勞性能進(jìn)行驗證。試驗結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合改性瀝青路用性能試驗結(jié)果匯總表Table 4 Summary of road performance test results of composite modified asphalt

通過對復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能驗證，可以看出復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力、抗水損害能力、低溫抗裂性能以及抗疲勞性能均滿足規(guī)范及使用要求。

3 結(jié)語

城市道路的好壞關(guān)系到居民日常出行方便與否，同時也關(guān)系到城市發(fā)展。加長城市道路維修周期，降低城市道路維修的頻率不僅可以節(jié)省財政開支還可以消除道路擁堵等帶給居民出行的不便利，將復(fù)合改性瀝青應(yīng)用于城市道路維修當(dāng)中，其卓越的路用性能可以延長市政道路的使用壽命，單位時間內(nèi)減少了城市道路維修次數(shù)，給居民出行帶來便利。同時復(fù)合改性瀝青混合料還具有降噪、抗滑、美觀等優(yōu)點適宜在城市道路中使用。