農村水泥混凝土路面裂縫密封用改性瀝青性能研究

申力濤，張 影

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室重交通公路養護材料協同創新平臺 新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030006）

“十二五”時期，隨著我國經濟的迅速崛起，農村公路在國家和地區發展，特別是社會主義新農村建設中的地位越來越重要，被重視程度越來越高，補助標準越來越高，在公路建設中所占比重也越來越大[1-2]。

水泥混凝土路面因強度高、穩定性好、耐久性優良、日常養護工作量少、施工機械簡單、抗水害能力強、水泥來源廣以及便于夜間行車等原因，在農村公路中得到廣泛應用，但是由于水泥混凝土材料的固有特性和施工過程中各種因素的影響，混凝土路面使用一段時間后，會發生不同種類的路面病害，主要有：裂縫類、變形類、接縫損壞類以及表面損壞類。農村水泥混凝土路面病害中，裂縫破損最為普遍、嚴重和復雜，裂縫的表現形式多種多樣，例如表面裂縫、貫穿裂縫、板角斷裂以及化學反應引起的裂縫[3-6]。

裂縫一旦出現，就應及時進行修補，否則在車輛荷載的往復作用下，加上環境因素的影響，裂縫將隨時間擴展貫穿，在裂縫處發生應力集中，混凝土發生沿縫碎落、在裂縫處斷裂、混凝土板產生滑移，破壞混凝土路面的整體性。當破損發展到一定程度，裂縫處開始唧泥，板面出現交叉裂縫，并且導致其他板裂縫，最終喪失應有的承載力，進而使整塊板發生破壞，甚至造成嚴重的經濟損失[7-8]。

本文針對農村水泥混凝土路面裂縫病害及其養護預算有限的現狀，擬以石油瀝青/煤焦油瀝青共混物為基礎，采用SBS、廢舊橡膠粉和短切碳纖維廢絲對其進行復合改性，開發出合適農村水泥混凝土路面裂縫密封材料，并對其性能進行了評價。

1 試驗

1.1 試驗原材料

石油瀝青為殼牌90號、殼牌70號；煤焦油瀝青為營口華源石化有限公司生產的低溫煤焦油瀝青；SBS為中國石化巴陵石化股份分公司產品；廢舊橡膠粉為青島惠商橡膠有限公司生產；短切碳纖維廢絲為太原鋼鐵（集團）有限公司生產。

1.2 試驗設備

a）高速剪切機 德國弗魯克FLUKO FM300高剪切分散機。

b）低速攪拌機 無錫市海之藍環保設備有限公司BLY5攪拌機。

c）可控溫油浴鍋 上海一凱儀器設備有限公司HH-W0（5 L）油浴鍋。

1.3 試驗步驟

將石油瀝青與煤焦油瀝青按比例混合，然后取一定量的共混瀝青，使用油浴鍋加熱至180℃，然后按比例加入SBS、廢舊橡膠粉，采用高速剪切機在4 000 rpm/min速率下剪切1 h，然后加入短切碳纖維廢絲，使用低速攪拌機在1 000 rpm/min速率下攪拌1 h即可。

2 原料摻量及形態對裂縫密封材料性能的影響

密封材料性能試驗按照我國JT/T 589—2004水泥混凝土路面嵌縫密封材料相關測試方法進行測定。

2.1 煤焦油瀝青摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次實驗采用殼牌90號、殼牌70號兩種石油瀝青，煤焦油瀝青摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，加熱后共混攪拌，然后進行嵌縫密封材料試件制作，測試其性能，測試結果見表1。

表1 不同煤焦油瀝青摻量的嵌縫密封材料性能測試結果

兩種石油瀝青隨著煤焦油瀝青摻量的增加，針入度、彈性（復原）率、流動度和拉伸量均不斷下降，其中針入度指標，殼牌90號瀝青大于50，不滿足規范要求；彈性（復原）率指標，兩種瀝青均滿足要求；流動度指標，只有殼牌70號中煤焦油瀝青摻量大于15%滿足要求；最后一項拉伸量指標，只有殼牌70號中煤焦油瀝青摻量小于25%滿足要求，綜合分析，當殼牌70號瀝青在煤焦油瀝青摻量為20%時，滿足規范全部要求，因此本次實驗優選殼牌70號石油瀝青摻加20%的煤焦油瀝青。

2.2 SBS摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次試驗中共混瀝青選用上節試驗的優選結果，即殼牌70號石油瀝青摻加20%煤焦油瀝青，改性劑SBS在一定溫度下使用高速剪切機進行分散，使其均勻分布在共混瀝青中。

本次試驗測試了SBS六種摻量，分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，嵌縫密封材料性能變化，結果見表2。

表2 嵌縫密封材料性能隨SBS摻量變化

隨著SBS摻量的增加，嵌縫密封材料的針入度、流動度逐漸下降，彈性（復原）率、拉伸量逐漸增大，當SBS摻量高于4%時，彈性（復原）率、拉伸量增長幅度降低，考慮到SBS摻量直接影響嵌縫密封材料成本，因此建議摻量不高于4%。

2.3 橡膠粉摻量對嵌縫密封材料性能影響

為分析廢舊橡膠粉摻量對共混瀝青改性效果的影響，分別用不同橡膠粉摻量對共混瀝青進行改性，橡膠粉粒徑為60目，結果見表3。

表3 密封材料性能隨廢舊橡膠粉摻量變化

由測試結果可知，隨著廢舊橡膠粉摻量的增加，嵌縫密封材料針入度、流動度逐漸下降，彈性（復原）率逐漸提高，拉伸量則先增大后減小，橡膠粉最佳摻量為20%。

2.4 橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能影響

在分析橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能的影響時，橡膠粉摻量確定為20%，剪切溫度為180℃，剪切時間為1 h，分別使用40目、60目、80目橡膠粉進行試驗，對嵌縫密封材料變化規律及機理進行分析，并篩選出適用于制備嵌縫密封材料的橡膠粉粒徑。結果見表4。

表4 橡膠粉粒徑對嵌縫密封材料性能影響

廢胎膠粉的細度對橡膠瀝青針入度影響顯著，橡膠瀝青針入度隨廢胎膠粉目數的增大而逐漸增大。僅從橡膠瀝青的針入度來分析，40目的膠粉的摻入使得瀝青針入度大幅降低，起到了顯著的改性效果；60目膠粉的改性作用介于兩者之間。當膠粉粒徑較粗時，膠粉在熱瀝青中經歷的主要過程是吸收瀝青中的輕質組分而溶脹，當膠粉顆粒粒徑很小時，與高溫接觸的比表面積更大，因而容易發生廢胎膠粉脫硫而恢復天然橡膠黏性。

2.5 碳纖維摻量對嵌縫密封材料性能影響

本次試驗中，碳纖維加入到共混瀝青后，利用機械攪拌使其均勻分散在共混瀝青中，嚴禁使用高速剪切分散方式，以免碳纖維形態被破壞，失去相應功能。

本項試驗暫定碳纖維長度選取0.5 mm，碳纖維體積摻量分別為4%、5%、6%、7%、8%、9%，攪拌速率1 000 r/min，攪拌時間1 h，測試結果見表5。

表5 碳纖維摻量對密封材料性能影響

隨著碳纖維摻量的增大，嵌縫密封材料的針入度、流動度逐漸降低，彈性（復原）率、拉伸量逐漸升高，當摻量大于6%后，變化幅度降低，原因是隨著碳纖維摻量增加，密封材料受力通過界面傳給纖維，而纖維表面與共混瀝青發生的吸附、物理浸潤作用及化學鍵作用，導致界面黏結力較強，纖維的增強作用明顯，當纖維摻量超過6%以后，纖維表面得不到共混瀝青的有效包裹，導致界面黏結力提升放緩，因此碳纖維最佳摻量應小于6%。

2.6 碳纖維長度對嵌縫密封材料性能影響

根據上節試驗結果確定碳纖維體積摻量一般為瀝青的 6%，碳纖維長度選取 0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和 0.7 mm，攪拌速率1 000 r/min，攪拌時間1 h，測試結果見表6。

表6 碳纖維長度對密封材料性能影響

隨著碳纖維長度的增加，針入度和流動度不斷降低，彈性（復原）率和拉伸量逐漸升高，當纖維長度達到0.5 mm后，增長放緩。

3 結論

通過以上單因素試驗分析，最終得到結論為：石油瀝青與煤焦油瀝青質量比為4∶1；SBS摻量為共混瀝青質量的4%；橡膠粉摻量為共混瀝青質量的20%，細度60目；碳纖維摻量為共混瀝青體積的6%，長度0.5 mm時，制備的密封材料性能滿足國家標準，可用于農村水泥混凝土路面裂縫密封，有效隔絕水分下滲，防止路面出現唧泥、托空、斷板等更為嚴重的病害，提高農村水泥混凝土路面使用壽命。