高速公路施工中廢膠粉改性瀝青混合料的應(yīng)用

郝晗森

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展，不同城市和地區(qū)的汽車保有量不斷增加，隨之出現(xiàn)廢舊輪胎數(shù)量急劇增加的問(wèn)題。如果大量廢舊輪胎集中堆積，將造成嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。因此，對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行資源化處理，解決由廢舊輪胎造成的環(huán)境問(wèn)題極為必要?，F(xiàn)階段針對(duì)廢舊輪胎提出了很多處理方法，如熱能利用、再生膠和制造膠粉。其中，前兩種方法依然會(huì)造成不同程度的環(huán)境污染，而后者則屬于無(wú)害化處理，由廢舊輪胎制備的膠粉可以用于瀝青的改性。采用廢舊輪胎制備的膠粉改性而成的瀝青主要可用在以下兩個(gè)方面：其一，在碎石封層及應(yīng)力吸收層中使用，用于減緩或避免裂縫的反射；其二，直接在瀝青混合料的生產(chǎn)拌制中使用，用于上面層等路面結(jié)構(gòu)層的施工。

1 橡膠粉對(duì)混合料性能的影響

1.1 改善混合料高溫性能

對(duì)摻入橡膠粉的混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)可知，當(dāng)橡膠粉摻入量不斷增加時(shí)，混合料在高溫條件下抵抗車轍能力顯著增強(qiáng)。在70℃的溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于未摻入橡膠粉的混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果為1 468次/mm，而在混合料中按照10%的摻量摻入橡膠粉以后，動(dòng)穩(wěn)定度從1 468次/mm增加到2 795次/mm；在混合料中按照20%的摻量摻入橡膠粉以后，動(dòng)穩(wěn)定度從2 795次/mm增加至3 407次/mm；繼續(xù)按照30%的摻量摻入橡膠粉以后，可使動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)一步增加至3 870次/mm。

1.2 改善混合料低溫性能

根據(jù)低溫條件下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)橡膠粉實(shí)際摻入量不斷增加時(shí)，混合料在低溫條件下的勁度模量持續(xù)減小，但低溫條件下的極限彎拉應(yīng)變卻明顯增大，說(shuō)明橡膠粉的摻加可以提高混合料低溫性能。通過(guò)低溫約束試驗(yàn)可知，在混合料中摻入適量橡膠粉，低溫條件下的破斷溫度比未摻入橡膠粉改性瀝青混凝土低很多，但破斷應(yīng)力卻比未摻入橡膠粉的改性瀝青混凝土高，這在很大程度上說(shuō)明摻加橡膠粉能改善混合料的低溫性能。

1.3 改善混合料疲勞性能

通過(guò)疲勞試驗(yàn)可知，在混合料中適量摻入橡膠粉后，可起到延長(zhǎng)其疲勞壽命的作用。其原理為橡膠粉的摻入會(huì)使混合料彈性提高，此時(shí)受動(dòng)態(tài)荷載作用后，表現(xiàn)出更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)疲勞壽命，防止早期破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 影響混合料水穩(wěn)定性

橡膠粉的摻入對(duì)混合料水穩(wěn)定性造成的影響可分成兩個(gè)方面，即動(dòng)態(tài)荷載與靜態(tài)荷載。對(duì)于靜態(tài)荷載，常用試驗(yàn)方法包括殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)。雖然這些試驗(yàn)的加載速率均為快速加載，但相比于動(dòng)態(tài)荷載仍慢很多，可將其歸為靜態(tài)試驗(yàn)范疇。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在混合料中摻入橡膠粉后，隨摻量的增加，混合料TSR值明顯降低（即凍融劈裂強(qiáng)度比），這說(shuō)明在混合料中摻入橡膠粉后會(huì)使其水穩(wěn)定性出現(xiàn)一定程度的衰減。為避免這一問(wèn)題影響橡膠粉在瀝青路面施工中的應(yīng)用，可將礦粉替換為水泥或者是消石灰。

2 原材料要求

2.1 廢舊輪胎膠粉改性瀝青

對(duì)于瀝青混合料或應(yīng)力吸收層，都可采用廢舊輪胎膠粉改性瀝青，其質(zhì)量好壞決定了混合料各項(xiàng)性能。廢舊輪胎膠粉實(shí)際摻量多采用18%[1]。該改性瀝青及其加工所用基質(zhì)瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果為：①針入度：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為60.0（10-1mm），該改性瀝青為34.8（10-1mm）；②15℃溫度條件下的延度：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為大于150cm；③基于環(huán)球法的軟化點(diǎn)試驗(yàn)：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為48.0℃，該改性瀝青為68.9℃；④閃點(diǎn)：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為298℃；⑤60℃條件下的動(dòng)力黏度：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為208Pa·s；⑥177℃條件下的旋轉(zhuǎn)黏度：該改性瀝青的實(shí)測(cè)結(jié)果為2.525Pa·s；⑦彈性恢復(fù)：該改性瀝青的實(shí)測(cè)結(jié)果為81%；⑧15℃溫度條件下的密度：基質(zhì)瀝青實(shí)測(cè)結(jié)果為1.033g×cm-3，該改性瀝青為1.058g×cm-3。上述各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到規(guī)范要求。

2.2 粗、細(xì)集料

試驗(yàn)以石灰?guī)r為主，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 集料性能指標(biāo)

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 集料級(jí)配

選定原材料之后，混合料各項(xiàng)技術(shù)性能將由集料級(jí)配決定，采用不同級(jí)配可形成結(jié)構(gòu)不同的混合料。通過(guò)借鑒現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于該改性瀝青混合料的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將集料級(jí)配確定如下：19mm方孔篩通過(guò)率為100%，16mm方孔篩通過(guò)率為99.9%，13.2mm方孔篩通過(guò)率為85.4%，9.5mm方孔篩通過(guò)率為65.6%，4.75mm方孔篩通過(guò)率為27.4%，2.36mm方孔篩通過(guò)率為17.2%，0.075mm方孔篩通過(guò)率為3.0%。以上設(shè)計(jì)級(jí)配與SMA混合料所用礦料級(jí)配相似，骨料間的空隙由膠粉改性瀝青和細(xì)骨料形成的瀝青瑪蹄脂填充，以增加瀝青用量，提高抗裂性能[2]。

3.2 最佳油石比

配合比設(shè)計(jì)通過(guò)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)完成，將擊實(shí)次數(shù)確定為雙面分別擊實(shí)75次，將空隙率的設(shè)計(jì)值確定為5.5%，以0.5%的間隔使油石比發(fā)生變化，選取5種瀝青用量制備試件，然后以空隙率的設(shè)計(jì)值為依據(jù)，并結(jié)合其他現(xiàn)有指標(biāo)得出最終的油石比，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在空隙率設(shè)計(jì)值為5.5%這一條件下，以7.6%的油石比為宜。

3.3 性能檢驗(yàn)

在室內(nèi)條件下還需完成以下試驗(yàn)，以確定采用該改性瀝青拌和而成的混合料的水穩(wěn)性和高、低溫條件下的抗裂性，具體試驗(yàn)結(jié)果為：①凍融劈裂殘留強(qiáng)度比：實(shí)測(cè)結(jié)果（平均值）為83.9%，相關(guān)規(guī)范要求不低于80.0%，符合要求；②動(dòng)穩(wěn)定度：實(shí)測(cè)結(jié)果（平均值）為2 507次×mm-1，相關(guān)規(guī)范要求不低于2 800次×mm-1，符合要求；③低溫彎曲破壞應(yīng)變：實(shí)測(cè)結(jié)果（平均值）為3 585με，相關(guān)規(guī)范要求不低于2 500με，符合要求。

經(jīng)以上試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該改性瀝青拌和的混合料，在水穩(wěn)性及高低溫條件下的抗裂性均能達(dá)到要求，說(shuō)明所確定的油石比是合理的，可在施工中使用。

4 施工工藝

4.1 路段概況

以某高速改造路段為例，為避免直接在原路面上進(jìn)行加鋪產(chǎn)生的反射裂縫，并對(duì)采用該改性瀝青拌和而成的混合料的抗裂能力進(jìn)行檢驗(yàn)，制定了如下三套方案：方案一：膠粉改性AC-13（6cm）+膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層+舊路面（修復(fù)）；方案二：膠粉改性AC-13（5cm）+膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層+水穩(wěn)碎石基層（16cm）+舊路面（碎石化）；方案三：膠粉改性AC-13（4cm）+普通瀝青混合料AC-10（3cm）+水穩(wěn)碎石基層（16cm）+舊路面（碎石化）。其中，方案一主要在原路面狀況相對(duì)良好的段落中使用，而方案二、三則主要在病害較多的段落中使用。

4.2 工藝方法

4.2.1 應(yīng)力吸收層

應(yīng)力吸收層材料以石灰?guī)r碎石為主，由反擊式破碎機(jī)通過(guò)軋制而成，顆粒粒徑在9.5～13.2mm范圍內(nèi)。具體工藝方法如下：

（1）由人工對(duì)基層表面做全面清掃，將附著的泥漿及浮灰清除干凈，使基層表面顆粒盡可能外露。

（2）按照2.4kg/m2的用量灑布膠粉改性瀝青，期間需注意縱向銜接和完成灑布的部分要有10cm寬的重疊[3]。完成灑布后，應(yīng)臨時(shí)封閉交通，禁止車輛及行人進(jìn)入。

（3）按照14kg/m2的用量撒布碎石，要求達(dá)到滿鋪，若發(fā)現(xiàn)局部缺料，應(yīng)立即組織人工將其補(bǔ)全。

（4）將碎石撒布完成并檢查合格后，采用不小于25t的輪胎式壓路機(jī)開(kāi)始碾壓，一般需連續(xù)碾壓3遍[4]。

4.2.2 瀝青混合料

4.2.2.1 混合料生產(chǎn)

本次施工的段落工程量不大，可借助QLB-1000型間歇式拌和樓進(jìn)行混合料生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1.0t/盤。拌和時(shí)先干拌15s、再濕拌30s，總周期不超過(guò)60s，按設(shè)計(jì)產(chǎn)量每小時(shí)可生產(chǎn)60t混合料?；旌狭仙a(chǎn)前，需對(duì)瀝青與集料進(jìn)行加熱，其中，前者需加熱至190℃，后者需加熱至180℃，使出廠時(shí)的混合料溫度不低于170℃，以滿足攤鋪與碾壓施工要求[5]。

4.2.2.2 混合料攤鋪

混合料的攤鋪由2LTLZ45B型攤鋪機(jī)完成，每次攤鋪半幅，開(kāi)始前先將攤鋪機(jī)調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，確保料門開(kāi)度與送料器速度都能與布料器實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到良好匹配。攤鋪時(shí)，布料器內(nèi)料位應(yīng)始終比布料器自身高度的一半高，同時(shí)還要確保熨平板擋板之前的混合料，其料位高度在整個(gè)攤鋪寬度內(nèi)達(dá)到相同，這樣能有效防止離析現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2.2.3 混合料碾壓

碾壓是使攤鋪后的混合料達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？紤]到此次使用的改性瀝青比普通瀝青油石比大，施工中除了要保證整體外觀質(zhì)量和壓實(shí)度，還要防止由于過(guò)壓產(chǎn)生的泛油。結(jié)合以往的成功案例，將本次混合料碾壓方案確定如下：初壓采用1臺(tái)XD120型壓路機(jī)，先靜后振1遍，全幅碾壓；復(fù)壓采用1臺(tái)XD120型壓路機(jī)進(jìn)行，連續(xù)振壓5～6遍，全幅碾壓；終壓采用1臺(tái)LT200型壓路機(jī)進(jìn)行，靜壓2遍，全幅碾壓。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

新路面施工結(jié)束后，對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)：①構(gòu)造深度：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為1.2mm，構(gòu)造深度的最大值和平均值之比約等于1.0；②滲水系數(shù)：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為74mL/min，在所有測(cè)點(diǎn)中，有85%以上的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果在100mL/min以內(nèi)；③壓實(shí)度：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為93.6%。從以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，本次鋪筑效果良好。截至目前，該路段已經(jīng)通車近1年的時(shí)間，其間僅發(fā)現(xiàn)一條細(xì)小裂縫，可見(jiàn)其使用效果很好。

5 橡膠粉瀝青混合料應(yīng)用前景

橡膠粉瀝青混合料應(yīng)用前景主要包括以下方面：

（1）提高重載交通條件下的抗車轍能力。

（2）改善路面防水能力，并提高層間黏結(jié)力。

（3）無(wú)論是在舊路改造，還是在罩面施工中使用摻入橡膠粉的瀝青混合料，都能起到延長(zhǎng)路面壽命和減少裂縫的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將廢舊輪胎通過(guò)研磨等方法處理制得的膠粉添加到普通瀝青中形成改性瀝青，除了能改善瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄輪胎的資源化利用，減少占地、處理成本和對(duì)環(huán)境造成的影響及破壞。通過(guò)對(duì)采用廢舊輪胎膠粉完成改性的瀝青混合料科學(xué)調(diào)試，可以使該改性瀝青具有的各項(xiàng)性能得以充分發(fā)揮。經(jīng)過(guò)在試驗(yàn)路段中的應(yīng)用可知，基于廢舊輪胎膠粉改性的瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)可以達(dá)到要求；現(xiàn)有的施工條件，如施工機(jī)械設(shè)備及工藝方法等，均可滿足該混合料的大規(guī)模使用要求。