靳澍

（南京市公路建設(shè)處，江蘇南京 210008）

0 引言

寧高高速是南京市區(qū)連接溧水、高淳兩縣及蘇南、皖南地區(qū)的主要快速通道。由于寧高高速通車時間已超過10 a，這段過程中大中修次數(shù)較少，沿線路面車轍情況較為嚴(yán)重。通過面層混合料的性能的改善，能夠有效提高面層抗車轍性能。改善混合料性性能途徑主要有兩方面，一是瀝青膠結(jié)料性能的提升，可以使用較高粘度或較高模量的改性瀝青，橡膠瀝青兼具這兩項指標(biāo)特點，且由于其對廢舊橡膠制品的高效利用，其本身具有顯著的節(jié)能減排效益。二是混合料級配設(shè)計的改進(jìn)，SMA級配為間斷級配粗集料骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)，對混合料的高溫抗車轍性能貢獻(xiàn)率較傳統(tǒng)密級配要高。

綜上，本文通過對成品橡膠瀝青改性機(jī)理分析、橡膠瀝青AR-SMA13的配合比設(shè)計和路用性能研究，同時，對比SBS改性瀝青和SMA13混合料性能試驗結(jié)果，對AR-SMA13的工程應(yīng)用優(yōu)勢做出驗證和評價。

1 成品橡膠瀝青綜合研究

1.1 成品橡膠瀝青簡介

按照ASTM D6144-97標(biāo)準(zhǔn)定義[1]，橡膠瀝青是含量15%以上的橡膠粉與高溫狀態(tài)下(180℃以上)的瀝青發(fā)生吸附溶脹反應(yīng)得到的改性瀝青膠結(jié)料。

橡膠瀝青的制作分為濕法與干法兩種，普遍認(rèn)為，采用濕法拌制而成的混合料要比干法拌制成的混合料穩(wěn)定且耐久性好，而一般工程所采用的是現(xiàn)場濕法，這種方法在生產(chǎn)過程中繁瑣且難以對其質(zhì)量進(jìn)行控制，成品橡膠瀝青應(yīng)運(yùn)而生。

成品橡膠瀝青是將原來現(xiàn)場拌制橡膠瀝青的過程轉(zhuǎn)移到工廠生產(chǎn)，生產(chǎn)出的橡膠瀝青以成品瀝青的形式運(yùn)送到現(xiàn)場，既減少了施工單位現(xiàn)場拌合帶來的諸多繁瑣的工序，又可以保證橡膠瀝青生產(chǎn)的質(zhì)量，其技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1 成品橡膠瀝青指標(biāo)要求

1.2 成品橡膠瀝青配制機(jī)理

廢舊橡膠粉與瀝青混合后,在高溫及機(jī)械力的作用下發(fā)生吸附溶脹反應(yīng),該反應(yīng)機(jī)理見圖1。溶脹后的膠粉顆粒表面會形成一層瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜,膠粉顆粒通過這層凝膠膜與瀝青緊密相連。正是由于存在通過凝膠膜與瀝青相連的固體膠粉顆粒,橡膠瀝青的特性不僅與基質(zhì)瀝青有關(guān),同時也反映了橡膠顆粒的特性。

圖1 橡膠瀝青溶脹反應(yīng)機(jī)理

1.3 成品橡膠瀝青改性機(jī)理

膠粉顆粒經(jīng)過溶脹反應(yīng)后均勻懸浮分散在瀝青中,橡膠顆粒間依靠凝膠膜相互連接,從而在橡膠瀝青內(nèi)部形成了一個粘度很大的半固態(tài)連續(xù)相。由溶脹后的膠粉所構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系與吸附瀝青一起對瀝青的微觀流動產(chǎn)生明顯阻尼作用,從而顯著提高了橡膠瀝青的粘度。

瀝青界面性質(zhì)的變化,導(dǎo)致了瀝青性能發(fā)生了顯著改變。膠粉與瀝青在高溫混溶的過程中,顆粒外圍部分發(fā)生脫硫、降解反應(yīng),降解產(chǎn)物溶于瀝青，改變了瀝青的組分比例,通過增加了膠質(zhì)等成分,有效提高瀝青的低溫性能和粘性。此外,膠粉顆粒中的炭黑、硫、抗氧化劑及抗老化劑等活性物質(zhì)進(jìn)入瀝青后,對瀝青的溫度敏感性、低溫性能和耐老化性能也起到了改善作用[2]。可見，橡膠瀝青的改性是體系結(jié)構(gòu)變化與基質(zhì)瀝青品質(zhì)變化雙重作用的效果。

1.4 成品橡膠瀝青加工過程

成品橡膠瀝青是將基質(zhì)瀝青快速升溫到190℃與膠粉在高速高切的環(huán)境下預(yù)拌（必須在20 s內(nèi)完成，時間過長會導(dǎo)致瀝青老化，時間過短不易使瀝青與膠粉均勻熔脹），將預(yù)拌的混合液注入熔脹反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行熔脹反應(yīng)，最后輸出成品橡膠瀝青，具體流程見圖2。

圖2 成品橡膠瀝青加工流程圖

2 AR-SMA13混合料綜合研究

2.1 集料要求

（1）粗集料

粗集料是構(gòu)成 SMA混合料的骨架結(jié)構(gòu)的主體材料，包括經(jīng)加工（軋碎、篩分）而成的粒徑大于2.36 mm的碎石，要求選用質(zhì)地堅硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形狀接近立方體的破碎石料，以形成穩(wěn)固的傳力受力骨架。

（2）細(xì)集料

細(xì)集料是指2.36 mm篩孔以下的集料。我國SMA施工指南規(guī)定：細(xì)集料宜采用專門制砂機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂，且不得含有泥土、雜物。與天然砂混用時，天然砂用量不宜超過機(jī)制砂或石屑的用量。

創(chuàng)新式模塊創(chuàng)建模式遵循一般產(chǎn)品設(shè)計規(guī)律,同時具有自身的特點,是從無到有創(chuàng)建模塊的過程和方法,包括模塊概念設(shè)計和模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個階段,這兩個階段交替進(jìn)行,直到模塊創(chuàng)建成功.模塊概念設(shè)計包括裝備功能分解、構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)圖、功能原理求解、原理結(jié)構(gòu)求解和功能模塊劃分,結(jié)構(gòu)設(shè)計包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計和模塊接口設(shè)計.

（3）填料

采用緩凝硅酸鹽水泥和石灰石礦粉作為填料，磨細(xì)天然石灰?guī)r粉末是SMA混合料通用的填料。礦粉必須存放在室內(nèi)干燥的地方，不成團(tuán)，且能從石粉倉自由流出。親水系數(shù)應(yīng)小于1，與瀝青有良好的粘附性，同時礦粉的細(xì)度也應(yīng)滿足要求，小于0.075 mm的含量應(yīng)大于75%。

2.2 設(shè)計思路

為保證橡膠瀝青AR-SMA13能夠形成良好的骨架結(jié)構(gòu)、瀝青用量適中、且具有合理的體積、力學(xué)指標(biāo)以及良好的路用性能[3]。借鑒國外斷級配橡膠瀝青混合料和傳統(tǒng)SMA13的級配特點,確定AR-SMA13配合比的設(shè)計思路如下：

（1）選擇關(guān)鍵控制篩孔

選擇以4.75 mm篩孔作為關(guān)鍵控制篩孔,在推薦的范圍內(nèi)變換3個通過率,并進(jìn)行相應(yīng)驗證，以保證粗集料能夠形成良好的骨架結(jié)構(gòu)。

（2）調(diào)整礦粉用量

橡膠瀝青與礦粉作用形成瀝青膠漿后,才能更好的發(fā)揮膠結(jié)作用。與普通瀝青區(qū)別的是,橡膠瀝青中的膠粉顆粒能夠起到填料的作用,為了避免膠粉對混合料骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉作用,應(yīng)適當(dāng)減低礦粉含量。橡膠瀝青混合料中石料表面的瀝青膜較厚,如果添加大量的礦粉,會令吸附橡膠瀝青導(dǎo)致石料表面的瀝青膜變薄,進(jìn)而影響混合料的性能。

基于上述原因,對橡膠瀝青AR-SMA13級配組成中礦粉含量應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）不添加纖維

橡膠瀝青本身的粘度很大,添加纖維會導(dǎo)致混合料的流動性變差,嚴(yán)重影響施工和易性。

橡膠瀝青混合料通過采用高油石比，并不會發(fā)生瀝青析漏現(xiàn)象。因此,橡膠瀝青AR-SMA不添加纖維穩(wěn)定劑[4]。

（4）級配設(shè)計及油石比確定

綜合以上AR-SMA13的配合比設(shè)計特有控制要點，參考傳統(tǒng)SMA級配設(shè)計及油石比方法，對AR-SMA13混合料進(jìn)行級配設(shè)計及最近油石比的確定。

2.3 配合比設(shè)計結(jié)果

在改性瀝青SMA-13配合比設(shè)計基礎(chǔ)上，將改性瀝青換為成品橡膠瀝青，不添加木質(zhì)素纖維和瀝青抗剝落劑，外摻2%水泥，進(jìn)行馬歇爾空隙率、最佳油石比、各項性能驗證。選定級配比例1#∶2#∶3#∶礦粉=35.0∶38.0∶18.0∶9.0，油石比為6.3%，見表2。

2.4 AR-SMA13路用性能

對于同種SMA13級配，分別采用成品橡膠瀝青和SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，進(jìn)行室內(nèi)性能試驗，以評價兩種改性瀝青對于混合料性能改善情況，試驗結(jié)果見表3。

表2 AR-SMA13配合比設(shè)計結(jié)果

表3 兩種混合料性能試驗對照表

由室內(nèi)性能數(shù)據(jù)可見，兩種膠結(jié)料條件下，混合料各項性能均較接近。相對于改性瀝青SMA-13，成品橡膠瀝青SMA-13的低溫抗裂性能優(yōu)勢較為明顯。

考慮工程造價AR-SMA13較SBS改性和SMA13降低約30%，同時AR-SMA13對于廢舊輪胎橡膠的利用也是SBS改性和SMA13無法做到的。因此無論從經(jīng)濟(jì)效益或者社會效益出發(fā)，AR-SMA13均應(yīng)較SBS改性和SMA13優(yōu)先考慮。

2.5 AR-SMA13施工控制要點

本工程成品橡膠瀝青SMA-13施工采用與改性瀝青SMA-13相同的施工方法，在鋪設(shè)之前原路面保持潔凈、干燥，并噴灑規(guī)定用量的乳化瀝青粘層油。運(yùn)輸過程中運(yùn)料車用篷布覆蓋，減少混合料在運(yùn)輸過程中溫度的散失。

在現(xiàn)場施工過程中要嚴(yán)格控制壓路機(jī)的碾壓變數(shù)，尤其是開始階段鋼輪壓路機(jī)的碾壓，經(jīng)現(xiàn)場試驗段實踐證明，橡膠瀝青混合料較改性瀝青混合料易碾壓。如果開始階段碾壓次數(shù)過多會導(dǎo)致表面形成“糊面”現(xiàn)象，經(jīng)過車輛反復(fù)碾壓極易形成車轍，擁抱等路面病害，故在橡膠瀝青SMA-13混合料施工過程中要嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)數(shù)。建議初壓采用2臺戴納帕克鋼輪壓路機(jī)前靜后振各1遍，共初壓2遍；復(fù)壓采用2臺鋼輪壓路機(jī)前振后振各壓2遍（循環(huán)套壓），共復(fù)壓4遍；終壓采用1臺寶馬鋼輪壓路機(jī)1～2遍靜壓，確保無輪跡。

3 結(jié)論

（1）從成品橡膠瀝青的配制及改性原理角度研究分析表明，橡膠粉顆粒經(jīng)過溶脹反應(yīng)后，能夠與吸附瀝青一起對瀝青的微觀流動產(chǎn)生明顯阻尼作用，從而顯著提高了瀝青的粘度。

（2）AR-SMA13高溫、水穩(wěn)性能相對于傳統(tǒng)SBS改性SMA13差不多，而低溫性能和經(jīng)濟(jì)效益方面，AR-SMA13具有明顯優(yōu)勢。

（3）成品橡膠瀝青作為節(jié)能、環(huán)保材料應(yīng)用于路面材料中在寧高改造工程得到了成功的應(yīng)用，可供類似工程參考。

[1]ASTM D6144—97.Standard Specification for Asphalt Rubber Binder[Z].1998.

[2]張文武.廢胎膠粉改性瀝青機(jī)理研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.

[3]JTJ F41—2008,公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].2008.

[4]武立超.橡膠瀝青在SMA中的應(yīng)用[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.