摻加橡膠顆粒的雙層碎石封層性能研究

朱其濤，秦宇

（1.陜西路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710075；2.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

碎石封層在道路養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用比較廣泛，但在使用過程中仍存在高溫泛油、脫落掉粒等問題。為解決碎石封層在使用過程中出現(xiàn)的問題，有學(xué)者提出了雙層碎石封層并進(jìn)行了大量的研究[1-3]。雙層碎石封層的結(jié)構(gòu)分兩層，下層為9.5mm～19.5mm的碎石加瀝青，上層為4.75mm～9.5mm 的碎石加瀝青，整個結(jié)構(gòu)層的厚度在1.5cm～2.5cm[3]。該結(jié)構(gòu)中，下層為大粒徑的碎石，上層為小粒徑的碎石，在瀝青的作用下可以形成嵌擠結(jié)構(gòu)，具有較好的路用性能。雙層碎石封層上層采用的碎石粒徑較小，與普通碎石封層相比平整度及行車舒適性更好。

為進(jìn)一步提高雙層碎石封層在使用過程中的舒適性，減少廢舊輪胎及碎石撒布時帶來的環(huán)境污染問題，增強(qiáng)碎石和瀝青的黏附性，李興隆等采用基質(zhì)瀝青進(jìn)行預(yù)裹覆，瀝青用量為碎石用量的0.4%～0.66%[4-6]。橡膠顆粒為彈性材料，阻尼性較好，在路面工程中應(yīng)用橡膠顆粒能夠達(dá)到減震降噪的效果[7，8]，還能解決廢舊輪胎的污染問題。根據(jù)施工實際，本文擬在雙層碎石封層中摻入橡膠顆粒并對上層碎石進(jìn)行預(yù)裹覆，采用車轍、掃刷、低溫黏附性等試驗對預(yù)裹附瀝青的種類、用量以及橡膠顆粒的生產(chǎn)方法、粒徑、摻量、摻加方法等進(jìn)行研究。

2 材料組成設(shè)計

2.1 瀝青

試驗過程中下層結(jié)合料為70#基質(zhì)瀝青，上層結(jié)合料為SBS改性瀝青（采用內(nèi)摻法改性，摻量為4.5%），選用90#瀝青進(jìn)行改性。瀝青主要性能指標(biāo)及測試結(jié)果見表1。

表1 瀝青的主要性能指標(biāo)及測試結(jié)果

2.2 碎石

碎石封層要求碎石必須具有較好的耐磨性能，因此選擇石灰?guī)r開展進(jìn)一步的研究。根據(jù)鄭平安等人的研究結(jié)果[1，2]，依據(jù)下層碎石的尺寸將雙層碎石封層分為兩種結(jié)構(gòu)，薄雙層碎石封層（碎石尺寸為9.5mm～13.2mm）和厚雙層碎石封層（碎石尺寸為13.2mm～16mm），上層碎石的尺寸均為7.1mm～9.5mm。試驗碎石主要性能指標(biāo)測試結(jié)果見表2。

表2 碎石的技術(shù)指標(biāo)及測試結(jié)果

2.3 材料組成

本路面結(jié)構(gòu)中結(jié)合料的最初用量用Mcleod 法計算。根據(jù)Mcleod 法計算得到的瀝青用量為：7.1mm～9.5mm 檔碎石（和碎石應(yīng)統(tǒng)一）對應(yīng)的初步瀝青用量為1.17kg/m2；9.5mm～13.2mm 檔碎石對應(yīng)的初步瀝青用量為1.56kg/m2；13.2mm～16mm 檔碎石對應(yīng)的初步瀝青用量為1.96kg/m2。

每種尺寸的碎石用量以試鋪試驗測試，試鋪結(jié)果為：7.1mm～9.5mm檔碎石用量為9kg/m2，9.5mm～13.2mm檔碎石用量為13kg/m2，13.2mm～16mm 檔碎石用量為17.5kg/m2。由于上層的碎石尺寸相對較小，撒布完成后會有部分填充在下層碎石形成的空隙中，所以上層碎石的撒布量還需進(jìn)一步通過試驗確定。

結(jié)構(gòu)的防水功能取決于下層結(jié)合料的用量，需要在初步瀝青用量確定后通過瀝青爬升高度試驗確定其用量。當(dāng)瀝青的爬升高度為碎石尺寸的2/3時，二者之間黏結(jié)牢固。9.5mm～13.2mm 與13.2mm～16mm 的碎石平均最小尺寸分別為9.91mm和12.71mm，對應(yīng)2/3 的爬升高度碎石尺寸分別為6.6mm 和8.5mm。根據(jù)需要，選取不同的瀝青用量進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表3。根據(jù)上述試驗結(jié)果展開計算，瀝青的合理使用量分別為1.6kg/m2（碎石尺寸9.5mm～13.2mm）和1.9kg/m2（碎石尺寸13.2mm～16mm）。

表3 瀝青爬升高度試驗結(jié)果

結(jié)構(gòu)的上層直接與車輛輪胎進(jìn)行接觸，需要較高的黏結(jié)性。上層碎石和瀝青用量對二者之間的黏結(jié)強(qiáng)度具有重要影響，需通過試驗確定其最合理用量。一是從碎石脫落率方面考慮用量，選擇掃刷試驗，用自然脫落率和掃刷脫落率進(jìn)行黏附性評價；二是從高溫泛油方面考慮用量，選擇車轍試驗進(jìn)行觀察。兩種試驗確定上層碎石和瀝青的最終用量，材料用量見表4。

表4 材料用量

2.4 預(yù)裹覆對碎石封層性能的影響

采用90#瀝青，用量為上層碎石用量的0.5%，加熱溫度為140℃，拌合溫度為140℃，拌合時間為30s。采用掃刷試驗進(jìn)行黏附性測定，試驗結(jié)果見表5。

由表5 可知，碎石經(jīng)預(yù)裹覆后，脫落率明顯降低。試驗結(jié)果表明碎石經(jīng)預(yù)裹覆后黏附性增強(qiáng)。

表5 掃刷試驗結(jié)果

3 橡膠顆粒對碎石封層路用性能影響研究

3.1 摻加橡膠顆粒的碎石封層預(yù)裹附瀝青用量的確定

橡膠顆粒能夠吸收瀝青，在結(jié)構(gòu)中添加橡膠顆粒后，會對預(yù)裹覆的瀝青進(jìn)行部分吸收，因此需要確定預(yù)裹覆瀝青的合理用量。試驗過程見第2.3節(jié)，試驗結(jié)果見表6。

表6 預(yù)裹覆后的拌合效果試驗結(jié)果

通過試驗可以看出，當(dāng)預(yù)裹覆的瀝青用量為碎石用量的0.7%時，效果最佳，適用于現(xiàn)場撒布。

3.2 橡膠顆粒對碎石封層高溫性能的影響

目前橡膠顆粒的生產(chǎn)方法有常溫法和低溫法。采用常溫法生產(chǎn)的橡膠顆粒表面比較粗糙，比表面積較大，能夠最大化瀝青、橡膠顆粒及碎石之間的黏附性[9，10]。為了更好地探究橡膠顆粒的目數(shù)及用量對雙層碎石封層高溫性能的影響，選擇常溫法生產(chǎn)的8 目、16目、30 目橡膠顆粒，通過車轍試驗觀察高溫使用性能，試驗結(jié)果見表7和表8。

表7 薄雙層碎石封層的車轍試驗結(jié)果

表8 厚雙層碎石封層的車轍試驗結(jié)果

試驗結(jié)果主要以觀察碎石封層表面泛油、碎石松動情況為主，動穩(wěn)定度、車轍深度為輔助參考指標(biāo)。由試驗結(jié)果可知，加入橡膠顆粒后對碎石封層高溫性能均有所改善，且橡膠顆粒粒徑的大小和用量對試驗結(jié)果都有明顯的影響。當(dāng)橡膠顆粒粒徑較大時（8目），由于其比表面積較小，不能充分吸附瀝青，會產(chǎn)生泛油，轍槽也較為明顯。當(dāng)橡膠顆粒粒徑較小時（30 目），基本已成為橡膠粉，比表面積增大，易與瀝青吸附而避免了泛油，但容易結(jié)團(tuán)，分布不均勻，導(dǎo)致瀝青與碎石的黏附效果較差，試件成型后自然脫落的碎石較多，表面平整度較差。對于每一種粒徑的橡膠顆粒，當(dāng)其用量增加到3%，都出現(xiàn)了試件表面有浮動碎石的情況。這也同樣說明更多的橡膠顆粒吸附了更多的瀝青，導(dǎo)致碎石缺乏黏結(jié)而松動，同時表面也出現(xiàn)了橡膠顆粒，這是由于橡膠顆粒用量過多，沒有足夠的瀝青與之吸附所造成的。綜上所述，16目的橡膠顆粒在用量2%以下時效果最好。解瑞和肖飛鵬等研究提出摻加橡膠顆粒并不是越多越好，結(jié)合路用性能建議摻量不超過4%[11，12]。當(dāng)橡膠顆粒摻量為3%時，封層表面有浮動碎石和橡膠顆粒情況，為進(jìn)一步優(yōu)化橡膠顆粒的用量，在薄、厚兩種碎石封層各增加一組摻量為1.5%的16目橡膠顆粒的試件進(jìn)行車轍試驗，試驗結(jié)果見表9。

表9 車轍試驗結(jié)果

與表7、表8 對比可以看出，橡膠顆粒摻量為1.5%時的高溫穩(wěn)定性更好，試驗過程中無黏輪現(xiàn)象，且與未添加橡膠顆粒的試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，高溫性能得到較大改善，表面平整，沒有出現(xiàn)碎石脫落現(xiàn)象。

3.3 橡膠顆粒對碎石封層黏附性的影響

碎石封層在使用過程中碎石脫落掉粒的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，是影響使用性能的重要原因之一。本文采用常溫條件下的自然脫落率、掃刷脫落率以及浸水條件下的掃刷脫落率作為評價黏附性的具體指標(biāo)。

自然脫落率計算見式（1）。

掃刷脫落率計算見式（2）。

浸水掃刷脫落率計算見式（3）。

式中，ρz為自然脫落率，%；m1為成型后試件的質(zhì)量，g；m2為自然脫落后試件的質(zhì)量，g；m3為上層碎石總質(zhì)量，g；ρs為掃刷脫落率，%；m4為掃刷后試件的質(zhì)量，g；mA為掃刷機(jī)掃刷面積對應(yīng)的碎石質(zhì)量，g；掃刷面積為20611.989mm2；ρ 為浸水掃刷脫落率，%；m 為浸水掃刷后碎石脫落質(zhì)量，g。

將之前碾壓成型的試件輕移到承載盤中央，選用軟硬度適當(dāng)?shù)拿υ嚰谋砻孢M(jìn)行清掃，清掃完浮動的碎石后進(jìn)行稱量，試件的前后質(zhì)量差值即為碎石的自然脫落質(zhì)量。采用掃刷機(jī)對封層進(jìn)行掃刷，時間為300s，碎石掉落的質(zhì)量為掃刷脫落質(zhì)量。試驗時，采用平行試驗的方法進(jìn)行，每次共計三組，以平均值作為最后的結(jié)果，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1 和圖2 中可知，當(dāng)橡膠顆粒的摻量分別是1%、1.5%時，碎石脫落率均較小。橡膠顆粒添加量為2%時，脫落率較大。因此，從黏附性方面考慮，16目的橡膠顆粒最佳用量應(yīng)在1%～1.5%。

圖1 橡膠顆粒用量對薄雙層碎石封層碎石脫落率的影響規(guī)律

圖2 橡膠顆粒用量對厚雙層碎石封層碎石脫落率的影響規(guī)律

考慮到碎石封層在實際使用過程中會受到雨水的影響，采用浸水掃刷試驗對其黏附性進(jìn)行研究。試驗前，需要把試件放置在20℃±5℃的水中進(jìn)行浸泡2h。浸泡過后將試件轉(zhuǎn)移至承載盤中，加入沒過試件的水，開始掃刷試驗。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 橡膠顆粒不同用量下的浸水掃刷脫落率

通過浸水掃刷試驗可知，脫落率均顯著大于常規(guī)掃刷試驗，這是由于水對瀝青的剝離作用降低了瀝青與碎石的黏結(jié)效果。隨著橡膠顆粒添加量的加大，浸水掃刷脫落率慢慢變大，主要是由于橡膠顆粒吸附了部分瀝青，進(jìn)而降低了瀝青與碎石的黏結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)橡膠顆粒添加量為1.5%時，浸水掃刷脫落率曲線出現(xiàn)了明顯的向上拐點。綜合考慮試驗結(jié)果，建議橡膠顆粒的使用量為1.5%以下。

3.4 橡膠顆粒對碎石封層低溫黏附性能的影響

脫落掉粒是碎石封層主要病害之一，低溫條件下瀝青與碎石黏附能力降低，碎石脫落率較常溫條件下會有所增加。本文把低溫條件下集料脫落率作為低溫黏附性評價指標(biāo)。在試驗過程中對《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的T0660-2000瀝青與集料的低溫黏附性進(jìn)行了部分改進(jìn)。規(guī)程中要求在鋼板中放置100顆碎石，為了更好地模擬雙層碎石封層在低溫條件下的碎石脫落率，按照封層試件制作方法以鋼板為模具成型試件。橡膠顆粒使用量分別為上層碎石用量的0、1%、1.5%、2%。沖擊板試驗參照鄭平安等人的研究[1，2]，計算方法參照公式（4）和公式（5），試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 薄雙層碎石封層中橡膠顆粒摻量對其低溫性能的影響

圖5 厚雙層碎石封層中橡膠顆粒摻量對其低溫性能的影響

自然脫落率計算方法：

低溫脫落率計算方法：

式中，ρa(bǔ)為自然脫落率，%；ρc為低溫脫落率，%；mb為上層對應(yīng)的碎石質(zhì)量，g；m5為試件質(zhì)量，g；m6為自然脫落后試件質(zhì)量，g；m7為沖擊脫落碎石質(zhì)量，g。

從圖4和圖5可知，橡膠顆粒對碎石封層的低溫性能影響較大，橡膠顆粒添加量為2%時，碎石的低溫脫落率相對較大，影響碎石封層在低溫季節(jié)的使用。因此從低溫性能角度出發(fā)，橡膠顆粒摻量不宜大于2%。

綜合以上試驗結(jié)論，橡膠顆粒摻量為上層碎石用量的1%～1.5%時，高低溫性能和黏附性效果均較好，且表面平整度和紋理構(gòu)造也較好。

3.5 橡膠顆粒添加工藝對性能的影響

雙層碎石封層中還可以選用橡膠瀝青作為結(jié)合料與碎石進(jìn)行黏結(jié)。試件的成型方法與前文一樣，瀝青選用橡膠改性瀝青（16 目橡膠顆粒，采用外摻法，用量為20%），基本性質(zhì)見表10，碎石粒徑規(guī)格為7.1mm～9.5mm；下層用70#瀝青，碎石尺寸為9.5mm～13.2mm。橡膠瀝青的用量分別為0.8kg/m2、1.0kg/m2、1.2kg/m2、1.4kg/m2。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 橡膠瀝青不同用量的自然脫落率和掃刷脫落率

表10 橡膠改性瀝青主要性能指標(biāo)

由試驗結(jié)果可知，干拌法的脫落率均低于濕法的脫落率。建議使用干拌法。

4 結(jié)語

①摻加橡膠顆粒的雙層碎石封層碎石宜選用石灰?guī)r；上層結(jié)合料宜選擇黏附效果較好的SBS 改性瀝青。薄雙層碎石封層的材料組成建議：下層70#瀝青用量為1.6kg/m2，碎石用量為13.0kg/m2，上層SBS改性瀝青用量為1.1kg/m2，上層碎石用量為9kg/m2。厚雙層碎石封層的材料組成建議：下層70#瀝青用量為1.9 kg/m2，碎石用量為17.5 kg/m2，上層SBS 改性瀝青用量為1.2 kg/m2，上層碎石用量為9.5 kg/m2。其中預(yù)裹覆的90#瀝青用量為上層碎石質(zhì)量的0.7%。

②當(dāng)橡膠顆粒為16 目時，碎石封層高溫穩(wěn)定性效果較好且表面無浮動碎石。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠顆粒摻量為1%～1.5%時，高溫穩(wěn)定性和黏附效果較好。

③從施工工藝方面考慮，濕法鋪筑的橡膠瀝青碎石封層脫落率明顯高于干拌法鋪筑的，建議施工過程中選擇干拌法。