嚴寒地區(qū)橡膠瀝青及混合料適用性研究

劉 晗

（烏蘭察布市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測鑒定站，內(nèi)蒙古 集寧 012000）

1 引言

在我國北方寒冷地區(qū)，低溫持續(xù)時間長，四季溫差變化大，易導致瀝青路面出現(xiàn)低溫裂縫，進而引發(fā)松散、坑槽等衍生病害，使路面整體結(jié)構(gòu)強度降低，縮短了瀝青路面的使用壽命，增加了公路養(yǎng)護成本。如何減少或避免大溫差導致的低溫裂縫和水損害的產(chǎn)生，延長路面使用壽命，成為當前嚴寒地區(qū)高等級公路建設(shè)、運營及養(yǎng)護迫切需要解決的難題。

橡膠瀝青具有良好的低溫穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗水損害性能，能夠有效提高瀝青混合料的耐久性和抗疲勞壽命，且具有抗滑降噪、無害化、資源化等特點，又能充分利用廢舊輪胎，緩解“黑色”環(huán)境污染。曹衛(wèi)東等[1]對歷時7 年～17 年的橡膠瀝青試驗路及其對比路段進行性能檢驗和對比研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗和實際道路運用橡膠瀝青混合料其低溫抗裂性能均優(yōu)于其他改性瀝青路段；瑞典科學家為解決低溫環(huán)境瀝青路面壽命縮短、行車噪音過大的問題，鋪筑了20多條橡膠瀝青試驗段，取得了良好的效果[2]；R Abe 等[3]采用三點彎曲疲勞等試驗證明了橡膠瀝青的低溫抗裂性能均優(yōu)于SBS 改性瀝青，并降低了施工成本。我國業(yè)界學者[4-10]針對東北、內(nèi)蒙古和新疆等嚴寒氣候環(huán)境，對橡膠瀝青及其混合料進行了初步探索。

2 嚴寒地區(qū)橡膠瀝青評價指標和生產(chǎn)工藝

瀝青的低溫性能對混合料的低溫性能貢獻率高達80%。我國對橡膠瀝青的研究仍以較成熟的聚合物改性瀝青體系為基礎(chǔ)，評價指標也是沿襲了高分子聚合物改性瀝青的指標要求。實踐中發(fā)現(xiàn)由于嚴寒地區(qū)特殊的環(huán)境溫度與施工條件，如果沿用聚合物改性瀝青的評價指標，無法取得良好的使用效果。

2.1 橡膠瀝青評價指標

從表1可以看出，國外橡膠瀝青的評價指標主要為針入度（或錐入度）、軟化點、粘度和彈性恢復。從表2可以看出，國內(nèi)橡膠瀝青檢測指標主要為25℃針入度、軟化點、5℃延度、粘度和彈性恢復。國內(nèi)外都以粘度指標作為橡膠瀝青主要的判定依據(jù)，但國外并未表述延度對橡膠瀝青的影響。橡膠瀝青是一種非勻質(zhì)的兩相材料，延伸能力遠較單相的瀝青材料小，常規(guī)的彈性恢復試驗不能反映出橡膠瀝青的彈性恢復能力，對于橡膠瀝青混合料，需要試驗其膠粉顆粒的抗壓恢復能力。橡膠目數(shù)越少，膠粉核心顆粒就越大，低溫回彈性能就越強，因此，嚴寒地區(qū)宜選用目數(shù)較低的粗顆粒橡膠瀝青。針入度試驗針尖有可能扎到膠粉顆粒而使結(jié)果偏小，增加膠結(jié)料的粘度，有助于降低膠結(jié)料的溫度敏感性，延遲溫度裂縫的產(chǎn)生。橡膠瀝青拉伸柔度越小，低溫彎曲應(yīng)變越大?；谏鲜龇治霾⒕C合國內(nèi)外橡膠瀝青的評價指標研究，本文提出了嚴寒地區(qū)粗顆粒橡膠瀝青的評價指標，其技術(shù)要求見表3。

表1 國外橡膠瀝青評價指標

表2 國內(nèi)橡膠瀝青評價指標

表3 嚴寒地區(qū)粗顆粒橡膠瀝青評價指標與技術(shù)要求

2.2 橡膠瀝青生產(chǎn)工藝

我國目前的橡膠生產(chǎn)主要通過限定廢舊輪胎來源，僅用斜交胎和子午胎的胎面部分，采用常溫粉碎的方式生產(chǎn)橡膠粉。通過剝離廢胎鋼絲、電磁選除鋼絲、粗碎篩分、中碎篩分、選除纖維、集料和分散包裝等工藝流程，獲得不規(guī)則、大比表面積的膠粉顆粒，與基質(zhì)瀝青混合后有利于二者的溶脹反應(yīng)。

目數(shù)作為橡膠粉的重要技術(shù)指標之一，應(yīng)具備一定的級配范圍。廢舊輪胎在常溫粉碎的過程中受到強烈的剪切和氧化作用，產(chǎn)生酸性基團，粒徑越小，表面積越大，表層酸性濃度也越大，與酸性集料接觸時，影響橡膠改性瀝青混合料的路用性能。膠粉較小的粒徑往往會引發(fā)膠粉結(jié)團現(xiàn)象，容易引發(fā)安全事故。粒徑較粗會導致橡膠瀝青性能不穩(wěn)定。因此本文推薦在嚴寒地區(qū)采用粗顆粒橡膠瀝青：30目橡膠粉，膠粉摻配比20%，發(fā)育時間45min，溫度185℃。

為保證生產(chǎn)的橡膠瀝青性能穩(wěn)定和具有抗低溫的性能，生產(chǎn)橡膠瀝青的設(shè)備需滿足以下技術(shù)要求：

①基質(zhì)瀝青貯存罐，應(yīng)具備導熱油的加熱系統(tǒng)和升控溫功能，供應(yīng)溫度應(yīng)控制在140℃～160℃。

②橡膠粉的添加設(shè)備，應(yīng)具備體積與稱重雙計量方式，體積計量精度不大于0.5%。

③橡膠瀝青發(fā)育罐，發(fā)育溫度180℃～190℃，應(yīng)具備攪拌功能，防止橡膠粉沉淀和積存，加速預(yù)混物的溶脹。

④橡膠瀝青加工設(shè)備的加溫和控溫系統(tǒng)。

⑤生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備，溫度、液位、進料控制、轉(zhuǎn)速等顯示全部進控制室。

⑥安全、環(huán)保和可靠。

3 嚴寒區(qū)橡膠瀝青混合料設(shè)計關(guān)鍵指標

關(guān)鍵篩孔通過率決定著混合料的級配是否合理，對橡膠瀝青混合料體積參數(shù)和低溫性能有著重要影響。傳統(tǒng)經(jīng)驗認為，增大瀝青用量，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性降低，易導致路面車轍病害?，F(xiàn)有設(shè)計僅對最小瀝青用量進行限制，忽略了最大瀝青用量，對于嚴寒地區(qū)并不能充分發(fā)揮瀝青混合料自身性能。因此，在嚴寒地區(qū)增大瀝青用量可以增加集料油膜裹覆厚度，提高瀝青混合料的低溫性能。

3.1 關(guān)鍵篩孔通過率

嚴寒地區(qū)瀝青路面產(chǎn)生的裂縫主要為低溫裂縫和溫度疲勞裂縫。通常瀝青混合料低溫抵抗開裂破壞的能力通過低溫彎曲試驗破壞彎拉應(yīng)變來反映和表示，彎拉應(yīng)變越大，瀝青混合料低溫時抵抗收縮應(yīng)力的效果越好，路面越不容易出現(xiàn)低溫裂縫，相應(yīng)服役壽命越長。嚴寒地區(qū)道路冬凍春融導致了路面的水損害，加速了路面的早期損壞，嚴重縮短了瀝青路面的使用壽命，增加后期養(yǎng)護成本，因此人們通常用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)性能，浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比這兩項指標對嚴寒地區(qū)道路有著重要影響。長安大學安海超博士[11]通過大量試驗獲得關(guān)鍵篩孔通過率，得出嚴寒地區(qū)橡膠瀝青混合料體積指標與低溫性能指標的影響規(guī)律：0.075mm和4.75mm篩孔通過率分別為30%～32.5%和8.9%～10.9%時，橡膠瀝青混合料具有較好的低溫穩(wěn)定性及抗水損害能力。彎拉應(yīng)變、浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比作為重要控制指標。

3.2 橡膠瀝青油膜厚度

增大油膜厚度，有利于提高瀝青混合料的柔韌性與低溫耐久性，可以有效預(yù)防早期裂縫的產(chǎn)生，從而延長路面使用壽命，對于嚴寒地區(qū)瀝青混合料的設(shè)計和低溫性能有著重要影響。嚴寒地區(qū)橡膠瀝青混合料油膜厚度的選擇應(yīng)首先保證其低溫性能，避免瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下過早產(chǎn)生低溫裂縫，其次應(yīng)盡量提高水穩(wěn)定性能。由于嚴寒地區(qū)夏季雖然短暫，但紫外線比較強烈，路表溫度也較高，因此還應(yīng)兼顧高溫穩(wěn)定性。綜合考慮，推薦瀝青混合料油膜厚度范圍為19μm～21μm。

3.3 橡膠瀝青混合料級配范圍和性能要求

本文綜合國內(nèi)外橡膠瀝青混合料的評價指標和技術(shù)要求以及大量馬歇爾試驗驗證，提出嚴寒地區(qū)橡膠瀝青混合料（AR-AC-13）的級配范圍和技術(shù)性能要求，見表4和表5。

表4 AR-AC-13橡膠瀝青混合料級配范圍（嚴寒區(qū)）

表5 AR-AC-13橡膠瀝青混合料技術(shù)要求（嚴寒區(qū)）

4 嚴寒地區(qū)橡膠瀝青與SBS改性瀝青及其混合料低溫性能對比

本文用低溫勁度模量和蠕變速率對比橡膠瀝青和SBS改性瀝青的低溫性能，見表6；橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料路用性能對比見表7。

表6 橡膠瀝青與SBS改性瀝青低溫性能對比

表7 橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料低溫性能對比

通常膠結(jié)料的低溫勁度模量越小，蠕變速率越快，低溫抗裂性能越優(yōu)異，對低溫環(huán)境的適應(yīng)性越強，從表6可以看出，橡膠瀝青更有助于提高路面的抗低溫性能。從表7可以看出，橡膠瀝青混合料（AR-AC-13）低溫彎曲破壞應(yīng)變、殘留強度比和殘留穩(wěn)定度比SBS改性瀝青混合料（SMA-13）提高了40.6%、4.6%和3.5%，可見粗顆粒橡膠瀝青及其混合料更適合嚴寒地區(qū)的特殊環(huán)境。

5 結(jié)語

本文基于嚴寒地區(qū)特殊的應(yīng)用環(huán)境和國內(nèi)外學者對橡膠瀝青及混合料的研究成果，提出嚴寒地區(qū)橡膠瀝青的評價指標和生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵篩孔通過率和油膜厚度等橡膠瀝青混合料設(shè)計的關(guān)鍵指標，并通過橡膠瀝青與SBS改性瀝青及其混合料低溫性能的對比分析，得出以下結(jié)論：

①綜合國內(nèi)外橡膠瀝青的評價指標研究，提出了嚴寒地區(qū)以粘度、針入度、軟化點、回彈恢復和拉伸柔度為粗顆粒橡膠瀝青主要評價指標。

②推薦在嚴寒地區(qū)采用粗顆粒橡膠瀝青：30目橡膠粉，膠粉摻配比20%，發(fā)育時間45min，溫度185℃。

③通過分析關(guān)鍵篩孔和油膜厚度對橡膠瀝青混合料低溫性能的影響，提出嚴寒地區(qū)橡膠瀝青混合料（ARAC-13）的級配范圍和技術(shù)性能要求。

④對比分析橡膠瀝青與SBS 改性瀝青及其混合料低溫性能，發(fā)現(xiàn)粗顆粒橡膠瀝青更適合嚴寒地區(qū)的特殊環(huán)境。