橡塑復(fù)合改性瀝青的研發(fā)及在碎石封層中的應(yīng)用

吳童年

（甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 武威 733000）

0 引言

為了降低瀝青路面養(yǎng)護成本，同時提高其使用壽命，研制一種性能優(yōu)良、價格低廉的改性瀝青應(yīng)用于瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護，具有十分重要的現(xiàn)實意義。根據(jù)SBS改性瀝青和橡膠瀝青研發(fā)的成功經(jīng)驗，鑒于SBS改性瀝青和橡膠瀝青有各自的性能特性和優(yōu)勢，為充分發(fā)揮這兩種材料的性能優(yōu)勢，取長補短，降低成本，采用廢舊輪胎橡膠粉和SBS 為主的兩種改性劑對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性，形成穩(wěn)定性較高的橡塑復(fù)合改性瀝青材料，并將其用在路面碎石封層工程中。

1 橡塑復(fù)合改性瀝青配方設(shè)計及制備工藝流程

1.1 原材料的選擇

試驗采用的基質(zhì)瀝青為SKAH-90#瀝青，改性材料為60目廢舊輪胎脫硫橡膠粉、SBS改性劑，增溶劑為糠醛抽出油，穩(wěn)定劑為硫磺。

1.2 試驗配方設(shè)計

為了研究不同摻量的廢舊輪胎橡膠粉與SBS 改性劑對橡塑復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點、延度、彈性恢復(fù)和粘度性能的影響，筆者采用10%、12%、14%三種膠粉摻量，1%、2%、3%三種SBS 改性劑摻量，采用正交試驗方法設(shè)定9 種摻配比例制備橡塑復(fù)合改性瀝青，并總結(jié)出這2 種改性劑摻量與橡塑復(fù)合改性瀝青性能變化趨勢之間的關(guān)系，分析不同摻量的改性劑組合對橡塑復(fù)合改性瀝青性能的影響以及引起此變化趨勢的原因，從而確定最終的生產(chǎn)配方。采用表1 中的改性劑摻配比例組合進行正交試驗。

表1 廢舊輪胎橡膠粉、SBS改性劑摻配組合比例

1.3 瀝青試樣制備

根據(jù)橡膠瀝青與SBS 改性瀝青的制備經(jīng)驗，將1000g 基質(zhì)瀝青置于135℃的烘箱中預(yù)熱1h 左右，用于脫水與軟化，然后將其加熱到170~180℃，先將脫硫橡膠粉加入，用攪拌機攪拌10min 左右，然后加入SBS 改性劑攪拌10min 左右，兩種改性劑與基質(zhì)瀝青在攪拌作用下逐步均勻分散，慢慢形成初步溶解狀態(tài)。最后將增溶劑和穩(wěn)定劑一起放至改性瀝青中，將高速剪切機剪切速率設(shè)定為4200r/min，剪切時間設(shè)定為60~80min，開啟高速剪切機進行剪切[1]。加工完成后改性瀝青存在一定氣泡，此時繼續(xù)普通攪拌20~30min 消除氣泡，最終制備得到橡塑復(fù)合改性瀝青。

1.4 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

2 種改性劑的9 種摻配組合下的改性瀝青的性能試驗檢測結(jié)果見表2。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，相對其他變量，對針入度影響最大的是橡膠粉摻量，接著是SBS改性劑。由于2 種改性劑都能夠使瀝青形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而使得針入度較小。而較低的針入度在一定程度上代表瀝青具有較好的高溫性能。當(dāng)膠粉摻量較低時，橡塑復(fù)合改性瀝青的針入度隨膠粉的增多而減少，當(dāng)膠粉摻量達到一定量，隨著它的增加，橡塑復(fù)合改性瀝青的針入度就會隨著膠粉的增加而增大。橡膠粉對軟化點影響程度最大，SBS 改性劑次之，當(dāng)SBS 摻量一定，橡塑復(fù)合改性瀝青的軟化點會隨膠粉摻量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢，從而使瀝青感溫性明顯下降，同時伴隨軟化點明顯升高，使橡塑復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了極大改善。當(dāng)延度試驗溫度設(shè)定為5℃時，橡膠粉的增加對改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生的負面影響較大，而SBS 改性劑對改性瀝青低溫性能有改善作用，這說明SBS 改性劑改善了橡塑復(fù)合改性瀝青的低溫性能。橡膠粉和SBS 改性劑的增加可以提升改性瀝青的彈性恢復(fù)性能，優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能能夠增強改性瀝青抵抗變形的恢復(fù)能力，使得荷載較大的情況下不易產(chǎn)生裂縫[2]。橡膠粉與SBS 改性劑對復(fù)合改性瀝青黏度均有改善作用，但是橡膠粉對復(fù)合改性瀝青黏度的影響更大。從改性瀝青黏度方面而言，黏度越大，與礦料黏附性會越好，抗拉拔強度越大，抵抗外力剪切能力越強，對碎石封層路用性能有很大提升。

表2 試驗檢測結(jié)果

1.5 最終配方

對試驗數(shù)據(jù)進行分析后最終確定橡膠粉、SBS 改性劑的最優(yōu)配比為：SBS 改性劑3%，橡膠粉10%，糠醛抽出油4%，硫磺0.3%。根據(jù)此配方制備的橡塑復(fù)合改性瀝青的性能見表3所示。

表3 最佳配方的瀝青性能試驗檢測結(jié)果

1.6 瀝青制備流程及最優(yōu)工藝參數(shù)

通過試驗分析，廢舊輪胎橡膠粉為60 目的脫硫橡膠粉，先在180℃普通攪拌條件下先后加入脫硫橡膠粉及SBS 改性劑，然后在180℃條件下加入其他添加劑以4200r/min 的高速剪切80min，最后在165℃條件下普通攪拌發(fā)育至氣泡消失，最終生產(chǎn)出橡塑復(fù)合改性瀝青。加工參數(shù)及工藝流程如圖1所示。

圖1 瀝青制備工藝流程

2 橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層的應(yīng)用

2.1 施工準(zhǔn)備

2.1.1 下承層要求

實施路段瀝青路面損壞狀況評價PCI 值≥80[2]，評定等級為優(yōu)、良，施工前對路面各類病害進行處治，若瀝青路面局部結(jié)構(gòu)強度不足時,要先進行路面補強。瀝青路面病害處治完成后,要使路面保持清潔，無塵土、路面污染物等。

2.1.2 原材料

瀝青：該項目采用橡塑復(fù)合改性瀝青，技術(shù)要求參考甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB62/T 3130-2017）[3]中橡膠瀝青技術(shù)要求。

碎石：該項目采用蘭州市永登縣龍源采石場開采加工的粒徑為9.5~13.2mm 的石灰?guī)r堿性碎石，集料質(zhì)地堅硬、潔凈、無風(fēng)化現(xiàn)象且磨耗性能較好。通過檢驗，石料壓碎值12.8%，洛杉磯磨耗損失17.9%，針片狀含量6.2%，與瀝青的粘附性為四級，符合甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中的相關(guān)要求。

2.2 施工工藝參數(shù)的確定

2.2.1 施工溫度

路面溫度對碎石封層的施工影響較大。一般情況下，在實施路段夏季最熱天氣來臨之前,為碎石封層最佳的施工時段，碎石封層施工時的路面溫度不應(yīng)低于21℃，不宜高于54℃。

2.2.2 碎石撒布量

集料用量由集料級配、形狀和密度決定，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)路況及類似工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行動態(tài)優(yōu)化。本文參考了甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中推薦值，碎石撒布量為16~18kg/㎡，碎石覆蓋率為100%。

2.2.3 橡塑復(fù)合改性瀝青灑布量

礦料的級配、形狀、吸收度，實施路段的交通量以及路面現(xiàn)狀等眾多因素決定了橡塑復(fù)合改性瀝青用量。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)路況及類似工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行動態(tài)優(yōu)化。本文根據(jù)甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3130-2017）中橡膠瀝青推薦值參考使用[3]，橡塑復(fù)合改性瀝青灑布量為2.0~2.5kg/㎡。

2.2.4 施工機械參數(shù)

結(jié)合不同瀝青粘結(jié)材料碎石封層的施工經(jīng)驗，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層使用的機械與橡膠瀝青碎石封層、SBS 改性瀝青碎石封層相同。同步碎石封層車行駛速度應(yīng)控制在5±2km 內(nèi)均速前進，橡塑復(fù)合改性瀝青噴灑溫度應(yīng)不低于180℃，膠輪壓路機以時速6km的速度反復(fù)碾壓4~5遍，1h后即可開放交通。

2.3 路用性能檢測與結(jié)果分析

2.3.1 檢測內(nèi)容

為了研究橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層的路用性能，在鋪筑完成的G569 線K368+300-K369+200 段左、右幅路段設(shè)置16 處檢測點，對路面PCI 值、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)、抗拉拔強度、剪切強度、路面病害復(fù)發(fā)率等指標(biāo)進行了檢測。G569 線曼德拉至大通公路武威至民勤段路基寬度12m，設(shè)計速度為80km/h,K368+300-K369+200 試驗段位于該公路武威端，該路段經(jīng)武威公路事業(yè)發(fā)展中心批準(zhǔn)，于2022年實施了碎石封層。

2.3.2 檢測結(jié)果分析

通過對試驗結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，實施前該路段PCI為85.2，實施后PCI為93.6，比實施前提高了9.0%，表明了橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層有效地修復(fù)了瀝青路面初期發(fā)生的各類輕、中度病害。

實施前該路段滲水系數(shù)代表值為58ml/min，實施后該路段不再滲水，說明了橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層有很好的封水效果。

實施前該路段構(gòu)造深度平均值為0.32，實施后為0.85，比實施前提高了234%，有效增加了瀝青路面的摩擦力，確保了過往車輛的行車安全。

橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層層間粘結(jié)效果更好，結(jié)構(gòu)抗剪切強度更高。層間抗拉拔強度與抗剪切強度試驗結(jié)果見表4。

表4 層間抗拉拔強度與抗剪切強度試驗結(jié)果

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層與原瀝青路面面層之間的層間抗拉拔強度比其他改性瀝青材料碎石封層提高29.2%，結(jié)構(gòu)抗剪切強度提高18.3%。

3 結(jié)束語

本文采用廢舊輪胎橡膠粉和SBS 為主的兩種改性劑對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性，形成穩(wěn)定性較高的橡塑復(fù)合改性瀝青材料，并將其用在路面碎石封層工程中，得出以下結(jié)論：

（1）橡塑復(fù)合改性瀝青同時具有SBS 改性瀝青和橡膠瀝青雙重性能特性，發(fā)揮兩種材料之間相互增強、增韌、增塑的效果，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、溫度敏感性和抗自然老化性能等方面都有明顯提高。

（2）可消耗廢舊輪胎，解決廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題，起到廢舊材料循環(huán)利用，實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展的目的，符合落實道路交通綠色發(fā)展理念和國家倡導(dǎo)的“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”政策。

（3）廢舊橡膠粉的利用可減少SBS 的用量，由于SBS 改性劑價格呈上漲趨勢，為了降低養(yǎng)護費用、提高養(yǎng)護質(zhì)量，在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護過程中，可以使用橡塑復(fù)合改性瀝青代替SBS 改性瀝青起到節(jié)約養(yǎng)護經(jīng)費的目的。

由此可見，研究和應(yīng)用橡塑復(fù)合改性瀝青具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。