成品橡膠瀝青AR-SMA13在寧高高速公路中的應用研究

靳澍

（南京市公路建設處，江蘇南京 210008）

0 引言

寧高高速是南京市區連接溧水、高淳兩縣及蘇南、皖南地區的主要快速通道。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較少，沿線路面車轍情況較為嚴重。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能減排效益。二是混合料級配設計的改進，SMA級配為間斷級配粗集料骨架嵌鎖結構，對混合料的高溫抗車轍性能貢獻率較傳統密級配要高。

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

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標準定義[1]，橡膠瀝青是含量15%以上的橡膠粉與高溫狀態下(180℃以上)的瀝青發生吸附溶脹反應得到的改性瀝青膠結料。

橡膠瀝青的制作分為濕法與干法兩種，普遍認為，采用濕法拌制而成的混合料要比干法拌制成的混合料穩定且耐久性好，而一般工程所采用的是現場濕法，這種方法在生產過程中繁瑣且難以對其質量進行控制，成品橡膠瀝青應運而生。

成品橡膠瀝青是將原來現場拌制橡膠瀝青的過程轉移到工廠生產，生產出的橡膠瀝青以成品瀝青的形式運送到現場，既減少了施工單位現場拌合帶來的諸多繁瑣的工序，又可以保證橡膠瀝青生產的質量，其技術指標要求見表1。

表1 成品橡膠瀝青指標要求

1.2 成品橡膠瀝青配制機理

廢舊橡膠粉與瀝青混合后,在高溫及機械力的作用下發生吸附溶脹反應,該反應機理見圖1。溶脹后的膠粉顆粒表面會形成一層瀝青質含量很高的凝膠膜,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瀝青有關,同時也反映了橡膠顆粒的特性。

圖1 橡膠瀝青溶脹反應機理

1.3 成品橡膠瀝青改性機理

膠粉顆粒經過溶脹反應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,從而在橡膠瀝青內部形成了一個粘度很大的半固態連續相。由溶脹后的膠粉所構成的空間網狀結構體系與吸附瀝青一起對瀝青的微觀流動產生明顯阻尼作用,從而顯著提高了橡膠瀝青的粘度。

瀝青界面性質的變化,導致了瀝青性能發生了顯著改變。膠粉與瀝青在高溫混溶的過程中,顆粒外圍部分發生脫硫、降解反應,降解產物溶于瀝青，改變了瀝青的組分比例,通過增加了膠質等成分,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進入瀝青后,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]?？梢?，橡膠瀝青的改性是體系結構變化與基質瀝青品質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瀝青快速升溫到190℃與膠粉在高速高切的環境下預拌（必須在20 s內完成，時間過長會導致瀝青老化，時間過短不易使瀝青與膠粉均勻熔脹），將預拌的混合液注入熔脹反應系統中進行熔脹反應，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

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

（2）細集料

細集料是指2.36 mm篩孔以下的集料。我國SMA施工指南規定：細集料宜采用專門制砂機生產的機制砂，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制砂或石屑的用量。

創新式模塊創建模式遵循一般產品設計規律,同時具有自身的特點,是從無到有創建模塊的過程和方法,包括模塊概念設計和模塊結構設計兩個階段,這兩個階段交替進行,直到模塊創建成功.模塊概念設計包括裝備功能分解、構建功能結構圖、功能原理求解、原理結構求解和功能模塊劃分,結構設計包括模塊結構設計和模塊接口設計.

（3）填料

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

2.2 設計思路

為保證橡膠瀝青AR-SMA13能夠形成良好的骨架結構、瀝青用量適中、且具有合理的體積、力學指標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SMA13的級配特點,確定AR-SMA13配合比的設計思路如下：

（1）選擇關鍵控制篩孔

選擇以4.75 mm篩孔作為關鍵控制篩孔,在推薦的范圍內變換3個通過率,并進行相應驗證，以保證粗集料能夠形成良好的骨架結構。

（2）調整礦粉用量

橡膠瀝青與礦粉作用形成瀝青膠漿后,才能更好的發揮膠結作用。與普通瀝青區別的是,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構產生干涉作用,應適當減低礦粉含量。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致石料表面的瀝青膜變薄,進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進行適當調整。

（3）不添加纖維

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

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

（4）級配設計及油石比確定

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

2.3 配合比設計結果

在改性瀝青SMA-13配合比設計基礎上，將改性瀝青換為成品橡膠瀝青，不添加木質素纖維和瀝青抗剝落劑，外摻2%水泥，進行馬歇爾空隙率、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改性瀝青作為膠結料，進行室內性能試驗，以評價兩種改性瀝青對于混合料性能改善情況，試驗結果見表3。

表2 AR-SMA13配合比設計結果

表3 兩種混合料性能試驗對照表

由室內性能數據可見，兩種膠結料條件下，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。因此無論從經濟效益或者社會效益出發，AR-SMA13均應較SBS改性和SMA13優先考慮。

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，在鋪設之前原路面保持潔凈、干燥，并噴灑規定用量的乳化瀝青粘層油。運輸過程中運料車用篷布覆蓋，減少混合料在運輸過程中溫度的散失。

在現場施工過程中要嚴格控制壓路機的碾壓變數，尤其是開始階段鋼輪壓路機的碾壓，經現場試驗段實踐證明，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過多會導致表面形成“糊面”現象，經過車輛反復碾壓極易形成車轍，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格控制碾壓遍數數。建議初壓采用2臺戴納帕克鋼輪壓路機前靜后振各1遍，共初壓2遍；復壓采用2臺鋼輪壓路機前振后振各壓2遍（循環套壓），共復壓4遍；終壓采用1臺寶馬鋼輪壓路機1～2遍靜壓，確保無輪跡。

3 結論

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

（2）AR-SMA13高溫、水穩性能相對于傳統SBS改性SMA13差不多，而低溫性能和經濟效益方面，AR-SMA13具有明顯優勢。

（3）成品橡膠瀝青作為節能、環保材料應用于路面材料中在寧高改造工程得到了成功的應用，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理研究[D].重慶:重慶交通大學,2009.

[3]JTJ F41—2008,公路瀝青路面再生技術規范[S].2008.

[4]武立超.橡膠瀝青在SMA中的應用[D].重慶:重慶交通大學,2009.