橡膠高黏瀝青排水混合料性能及施工效果評價研究

雷杰超,韋萬峰,陳 杰,李運高

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

排水性瀝青路面是可以有效解決城市道路噪音大、道路雨天積水等問題的一種新型功能性路面[1]。排水瀝青混合料內部存在大量的互相連通的空隙,路表水分能夠滲入混合料內部,經過排水設施排入道路邊溝。聲波在排水瀝青混合料內部傳播會不斷反射耗散,因此排水瀝青混合料兼具降噪與排水的功能[2-3]。然而,多孔結構的排水瀝青混合料與外界環(huán)境、紫外線等接觸更充分,在紫外線、溫度、車輛荷載的綜合作用下,表面顆粒脫落、路用性能不足是排水瀝青路面面臨的主要問題[4-5]。為了保障排水瀝青混合料的性能,其對集料、瀝青膠結料的要求較高,高質量的集料保障排水混合料的力學穩(wěn)定性,高黏度的瀝青膠結料保障排水混合料的整體粘聚性[6-7]?？紤]到廢棄橡膠粉改性瀝青具備經濟環(huán)保的優(yōu)勢,利用高黏改性劑提高橡膠瀝青的黏度,有利于改善排水瀝青混合料抗車轍性能和抗剝落性能。

綜上,本文研發(fā)了一種橡膠高黏瀝青,并對比分析了橡膠瀝青混合料與橡膠高黏瀝青排水混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、抗飛散性能和滲水性能等混合料性能差異,然后依托廣西某高速公路鋪筑橡膠高黏瀝青排水路面試驗路段,探索了橡膠高黏瀝青排水路面在實體工程中的適用性。

1 原材料

1.1 基質瀝青

采用茂名70#石油瀝青作為基質瀝青,其主要技術指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青的性能指標表

1.2 橡膠粉

采用目數為30～80目的橡膠粉,基本性能見表2。

表2 橡膠粉的物理檢測指標及技術要求表

1.3 高黏改性劑

采用Z型高黏劑,其基本性能如表3所示。

表3 Z型高黏劑的基本性能表

1.4 集料

粗集料采用輝綠巖,細集料采用石灰?guī)r機制砂,填料采用石灰?guī)r礦粉,集料基本性能見表4。

表4 集料基本性能表

1.5 橡膠高黏瀝青制備過程

先將基質瀝青在175 ℃加熱到流動狀態(tài),加入15%橡膠粉后攪拌均勻,保持180 ℃溶脹30 min,然后高速剪切10 min,再把橡膠改性瀝青升溫至180 ℃,加入一定量的高黏劑溶脹30 min;在高速剪切機(剪切速率為4 000～5 000 r/min)中剪切40 min;將上述瀝青混合物在180 ℃中發(fā)育120 min,冷卻后即可得到橡膠高黏瀝青。

2 配合比設計

為保障排水瀝青混合料的排水功能,本文參照PAC-13的級配范圍,通過優(yōu)化級配范圍內2.36 mm篩孔通過率得到最終級配。該級配的篩孔通過率見表5。

表5 最終級配的篩孔通過率表(%)

由于排水性瀝青混凝土空隙率太大,馬歇爾穩(wěn)定度低,不會隨瀝青用量的增加出現(xiàn)最大值,所以不宜用常規(guī)的馬歇爾試驗法來確定其最佳油石比。應先通過析漏試驗來確定最大油石比OACmax,再通過飛散試驗確定最小油石比OACmin。以0.5%間隔變化,采用5個不同的油石比4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%進行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗。試驗結果見表6。

表6 謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗結果匯總表

根據表6的析漏和飛散試驗結果,繪制油石比與析漏損失和飛散損失的關系圖,見圖1和圖2。

圖1 析漏損失與油石比關系曲線圖

圖2 飛散損失與油石比關系曲線圖

根據表6和圖1的謝倫堡瀝青析漏試驗結果,確定PAC-13的最大油石比OACmin=5.10%,根據肯塔堡飛散試驗結果,確定PAC-13的最小油石比OACmax=4.96%。因此最佳油石比OAC=(OACmax+OACmin)/2=(5.1%+4.96%)/2=5.03%。

取最佳油石比為5.0%,該油石比下的馬歇爾試驗、析漏試驗和飛散試驗結果見表7,各項指標符合技術要求,因此以5.0%油石比作為橡膠SBS-高黏劑復合改性高黏排水瀝青混合料的最佳油石比。

表7 5.0%油石比下的試驗結果表

3 瀝青混合料性能對比分析

3.1 體積參數及力學穩(wěn)定性

下頁表8顯示了兩種瀝青混合料的體積參數和力學穩(wěn)定性計算結果。

表8 兩種瀝青混合料體積參數及力學穩(wěn)定性計算結果對比表

由下頁表8可知,橡膠瀝青混合料、橡膠高黏瀝青混合料的空隙率均達到20.3%,此時兩種瀝青混合料空隙率適中,既可以保障排水混合料的粘聚性、抗飛散能力,又可以滿足混合料的排水功能。橡膠高黏瀝青排水混合料的穩(wěn)定度為8.79 kN,比橡膠瀝青高36.91%,說明其具有較好的高溫穩(wěn)定性。橡膠高黏瀝青排水混合料的謝倫堡析漏損失和肯塔堡飛散損失分別為0.1%、7.4%,均比橡膠瀝青低2倍以上,說明其具有較好的抗離析性能和抗飛散能力,整體粘聚性較好。

3.2 水穩(wěn)定性

排水瀝青路面一般修建在多雨地區(qū),混合料長期受雨水浸泡作用,其水穩(wěn)定性對排水路面的耐久性至關重要。凍融劈裂抗拉強度比(TSR)可以表征瀝青的水穩(wěn)定性,其值越大則水穩(wěn)定性越好。兩種瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果如表9所示。

表9 兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗結果對比表

由表9可知,橡膠高黏瀝青排水混合料的TSR達到93.7%,比橡膠瀝青高6.8%,說明高黏改性劑的摻入提高了排水混合料的抗水損害性能。這是因為橡膠瀝青中大量橡膠顆粒的存在,使得水在空隙中的表面張力變大,從而增加在空隙中滯留的水的質量;經過冷凍后水結成冰在試件內部膨脹,瀝青膜的壓力更大,使得試件內部的結構遭到破壞,因此瀝青混合料的結構強度大大降低。在橡膠瀝青中摻入高黏改性劑后,在壓實成型過程中高黏瀝青膠漿被骨料壓密填充骨架間空隙,被剪切分散成更小團聚膠漿的數量相對較少,因此形成的閉口空隙相對較少,形成連通空隙相對較大,內部空隙滯留的水質量減少。所以空隙中的水在低溫凝固過程中的膨脹對高黏瀝青混合料的影響較小。在常溫下,橡膠高黏瀝青比橡膠瀝青擁有更高的黏性,與集料粘聚程度較好,水分不容易侵入瀝青-集料的界面,所以增強了混合料結構的力學性能,提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.3 高溫穩(wěn)定性

動穩(wěn)定度(DS)是評價混合料性能高溫穩(wěn)定性的關鍵指標。橡膠瀝青混合料、橡膠高黏瀝青混合料的60 ℃車轍試驗結果如表10所示。

表10 兩種瀝青混合料60 ℃車轍試驗結果對比表

由表10可知,橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度為3 951次/mm。在橡膠瀝青中摻入高黏改性劑后,其瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到7 210次/mm,遠遠高于橡膠瀝青,表明在橡膠瀝青里摻入高黏改性劑后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了顯著改善。這是因為高黏改性劑會吸收部分瀝青輕質組分,使重質組分的相對含量增加,并在瀝青內形成網狀結構,使瀝青的黏度大幅度提高,從而與集料結合得更加穩(wěn)定。所以在高溫條件下,瀝青受到荷載作用時不容易發(fā)生永久變形。

3.4 抗飛散性能

為檢測橡膠高黏瀝青排水混合料的粘結性,對混合料馬歇爾試件進行了浸水肯塔堡飛散試驗。通過浸水馬歇爾試件質量損失評價混合料的粘結性,浸水混合料馬歇爾試件質量損失越小,代表混合料的粘結性越好。浸水肯塔堡飛散試驗結果如表11所示。

表11 兩種瀝青混合料浸水飛散試驗結果對比表

由表11可知,進行浸水肯塔堡飛散試驗后,橡膠瀝青混合料的損失率達到18.7%,而橡膠瀝青混合料僅為9.3%,兩者相差9.4%。橡膠瀝青混合料相對更容易發(fā)生表面顆粒脫落,進而發(fā)生局部松散。因為橡膠瀝青的粘聚性不足,而高黏改性劑的添加極大提高了橡膠瀝青的黏度,提升了自身內聚能,增大了集料之間的粘附力,增強了瀝青混合料的磨耗能力,所以降低了損失率。

3.5 滲水性能

排水路面的主要功能是排水,減少雨水在路面的匯集,滲水系數是評價排水混合料的代表性指標。對兩種排水瀝青混合料進行滲水試驗,試驗結果見表12。由表12可知,橡膠瀝青排水混合料的平均滲水系數為6 492.1 mL/min,橡膠高黏排水混合料的平均滲水系數為6 571.1 mL/min,兩者差異不大,均能達到良好的排水效果。

表12 兩種瀝青混合料滲水試驗結果對比表

4 工程應用

4.1 依托項目概況

試驗路段依托廣西某高速公路項目,起點樁號為K4+800,終點樁號為K49+682.284,初步設計推薦路線長為44.882 km。主線采用設計時速為120 km的四車道高速公路標準建設,路基寬度為28 m。為了解決S形路段反坡點(零坡度)處雨天易積水導致的行車安全隱患問題,根據對全線路線調研及現(xiàn)場施工進度情況,綜合考慮確定排水瀝青路面試驗路位置為左幅K040+070～K040+580路段,共計510 m,路面寬度為11.8 m,排水瀝青路面應用于上面層,層厚為4.0 cm。該路段屬于S形曲線段,存在零坡點位置,雨天行車安全隱患較大,通過在此路段開展排水瀝青路面工程應用,進一步評價橡膠改性高黏瀝青排水路面在高速公路中的應用效果。

4.2 施工效果評價

為了檢測高黏瀝青排水混合料試驗路段的壓實情況,在試驗路段不同位置鉆取五個芯樣。試驗路段芯樣體積指標、厚度、壓實情況如表13所示。利用擺式摩擦系數測定儀測試排水路面的抗滑擺值,利用滲水儀對排水路面的滲水系數進行檢測,采用平整度測試儀測試排水路面的平整度,具體結果如表14所示。

表13 橡膠高黏瀝青排水路面芯樣基本情況表

表14 橡膠高黏瀝青排水路面的抗滑擺值、滲水系數及平整度檢測結果表

由表13可知,橡膠高黏瀝青排水路面的厚度達到了設計厚度40 mm,路面的平均標準壓實度在98.54%～101.51%,芯樣的空隙率分布在19.0%～21.5%,排水路面空隙率同室內橡膠高黏瀝青排水混合料的空隙率相差較小,排水路面壓實度基本達到要求。

由表14可知,橡膠高黏瀝青排水路面的抗滑擺值、滲水系數、平整度都能達到廣西吳隆高速公路工程技術要求。

5 結語

本文通過瀝青混合料基本性能試驗分析了橡膠高黏瀝青排水混合料的路用性能,檢驗橡膠高黏瀝青排水混合料在實體工程的鋪筑效果。結果表明,橡膠高黏瀝青排水混合料的謝倫堡析漏損失和肯塔堡飛散損失均比橡膠瀝青混合料低2倍以上,凍融劈裂抗拉強度比比橡膠瀝青高6.8%,動穩(wěn)定度比橡膠瀝青高將近1倍,滲水系數者相差不大,說明橡膠高黏瀝青排水混合料的水穩(wěn)定性、抗車轍性能、浸水飛散性能均遠遠優(yōu)于橡膠瀝青混合料,并且滲水性能良好。在實體工程中,橡膠高黏瀝青排水路面壓實度、摩擦系數、滲水系數、平整度等性能滿足工程技術要求,充分說明了橡膠高黏瀝青可保障排水瀝青混合料的路用性能,可用于排水瀝青路面的鋪筑。