高聚熟化膠粉改性瀝青混合料在季凍區(qū)道路工程中的應(yīng)用研究

冀 超， 費 壯

(1.中交四公局第六工程有限公司，天津 301700；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

季節(jié)性凍土地區(qū)在我國分布廣泛，這類地區(qū)年平均氣溫低，冷熱懸殊，日、年溫差大，瀝青面層直接暴露在空氣中，承受行車荷載的同時，持續(xù)的水、低溫冰凍以及溫度交替變化的凍融循環(huán)作用，不斷加劇瀝青混合料內(nèi)部損傷，進而出現(xiàn)裂縫、松散、坑槽等破壞。凍融作用不僅削弱瀝青路面的路用及耐久性能，也加劇了路面發(fā)生早期病害，嚴(yán)重削弱了道路的服務(wù)水平與使用壽命。

改性瀝青的應(yīng)用可在很大程度上提升瀝青路面的抗凍融破壞能力。司偉[1]等基于青藏高寒地區(qū)凍融循環(huán)頻發(fā)，通過室內(nèi)凍融模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，SBS/SBR改性瀝青混合料，有利于提高瀝青混合料低溫抗裂性能。翟瑞鑫[2]等發(fā)現(xiàn)在20次凍融循環(huán)作用后，橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青用于大孔徑透水瀝青混合料具有良好的路用性能。橡膠瀝青因其高低溫性能突出、黏結(jié)性好、耐久性能優(yōu)異，近年來其應(yīng)用越發(fā)廣泛[3-4]。課題組研發(fā)的高聚熟化膠粉可進一步提升橡膠瀝青的綜合性能，但對于頻繁凍融作用下的耐久性能表現(xiàn)尚不明確[5-6]。

為此，本文基于前人的凍融循環(huán)試驗方法，并結(jié)合新疆地區(qū)當(dāng)?shù)貧鉁胤植继攸c設(shè)計了凍融循環(huán)作用次數(shù)和試驗方法，通過室內(nèi)試驗研究凍融對高聚熟化膠粉改性瀝青及混合料性能的影響，并在新疆烏尉高速上開展工程試驗，為其在高海拔季節(jié)性凍土地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料及瀝青混合料配合比

本研究依托新疆烏尉高速公路包PPP項目，試驗原材料在工程建設(shè)中現(xiàn)場取材，技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。基質(zhì)瀝青為克拉瑪依90號，改性瀝青為SBS I-B和成品橡膠瀝青。高聚熟化膠粉為30目普通廢舊輪胎橡膠粉與國產(chǎn)維他連接劑(China Tans-polyethylene Rubber，簡稱CTOR)預(yù)混而成，摻量為瀝青質(zhì)量的17.5%[6]，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高聚熟化膠粉物理化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

集料采用花崗巖，礦粉采用磨細(xì)石灰?guī)r礦粉，通過對粗細(xì)集料的篩分，得到各集料篩分曲線，確定礦料合成級配，結(jié)果如表2所示。參照馬歇爾配合比設(shè)計方法，最終得到高聚熟化膠粉改性瀝青混合料最佳油石比為4.5%、SBS改性瀝青和普通橡膠瀝青混合料最佳油石比均為4.6%。

表2 混合料合成級配及規(guī)范要求 %

1.2 高聚熟化膠粉改性瀝青及混合料制備

高聚熟化膠粉改性瀝青制備時，利用高速剪切機可有效防止膠粉沉淀，保證膠粉與瀝青的均勻性。首先按照比例稱取高聚熟化膠粉，分多次加入到流動狀態(tài)的熱基質(zhì)瀝青中，并手動攪拌初步混合。隨后用高速剪切機分兩個階段進行剪切，預(yù)剪切階段參數(shù)設(shè)為：速度3 000±100 r/min、攪拌時間15±1 min、攪拌溫度180±5 ℃，正式剪切階段參數(shù)設(shè)為：速度6 000±100 r/min、攪拌時間90±5 min、攪拌溫度190±5 ℃。剪切完成后將改性瀝青放于120 ℃的烘箱中發(fā)育1.0～1.5 h，即制作完成。高聚熟化膠粉改性瀝青混合料制備流程與普通改性瀝青混合料基本相同，但在拌和出鍋后混合料需在180 ℃恒溫烘箱內(nèi)燜料保溫1.0 h。

1.3 凍融循環(huán)試驗

目前，關(guān)于瀝青及瀝青混合料的凍融循環(huán)室內(nèi)模擬工況試驗參數(shù)設(shè)定并無明確的規(guī)程指導(dǎo)，大多數(shù)的研究也均是根據(jù)各自研究需要制定凍融試驗方法[2]。瀝青路面的設(shè)計年限一般為10～15 a，目前采用最大循環(huán)次數(shù)為45次；根據(jù)新疆地區(qū)氣候特點，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于季凍區(qū)室內(nèi)模擬凍融循環(huán)次數(shù)大多選擇20或25次，故本研究凍融循環(huán)次數(shù)上限設(shè)為25次，分別以3次、6次、10次、15次、20次、25次凍融循環(huán)開展試驗。

凍融條件借鑒麻昌盛[7]、李萍[8]等學(xué)者針對季凍區(qū)凍融條件設(shè)定研究成果；結(jié)合新疆地區(qū)氣候環(huán)境因素[9]，氣象資料表明：新疆地區(qū)冬季平均氣溫低于-17 ℃，夏季平均氣溫為20～25 ℃。按照最不利條件原則確定的凍融循環(huán)試驗條件為：

(1)將制作好的試件在真空條件下飽水15 min，瀝青混合料試樣裝入塑料袋中、加入10 mL水并扎緊袋口，瀝青試樣無須裝入塑料袋。

(2)試樣在低溫冷凍箱-20±1 ℃保持16±1 h，即完成“凍”處理；取出試樣后撤去塑料袋在常溫水浴25±1 ℃保持8±1 h，即完成“融”處理，以此完成一個凍融循環(huán)，重復(fù)上述步驟達到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)。

2 凍融循環(huán)試驗結(jié)果分析

2.1 瀝青性能

經(jīng)數(shù)次凍融循環(huán)后，高聚熟化膠粉改性瀝青的表觀樣貌見圖1，三種改性瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗結(jié)果如表3和圖2所示，其中高聚熟化膠粉改性瀝青簡稱MCR，普通成品橡膠瀝青簡稱AR。為準(zhǔn)確評價凍融工況作用下改性瀝青的抗水損害性能，引入抗水損害性能指數(shù)評價公式，見表4所示。

圖1 凍融循環(huán)后高聚熟化膠粉改性瀝青表觀變化

表3 改性瀝青凍融后常規(guī)指標(biāo)試驗結(jié)果

表4 瀝青抗水損害性能評價指標(biāo)

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下改性瀝青性能指標(biāo)試驗結(jié)果

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，15次凍融循環(huán)后，改性瀝青試樣表面由亮黑色向灰暗色轉(zhuǎn)化，試樣表面由初期的平整如鏡變得粗糙帶有部分顆粒感。

由表3及圖2可以看出，瀝青狀態(tài)在-20 ℃至25 ℃的溫度范圍內(nèi)反復(fù)變化，加劇了瀝青的水損害，三種改性瀝青均呈現(xiàn)不同程度的軟化點升高、針入度逐漸減小、延度減小趨勢。但高聚熟化膠粉改性瀝青的變化幅度相比于其他兩種相對緩和，在25次凍融循環(huán)后的針入度殘留度和殘留彈性恢復(fù)比最大，總體上受低溫凍融循環(huán)作用影響幅度較小，抗凍融能力優(yōu)異；延度殘留率方面，出現(xiàn)了不一樣的規(guī)律，高聚熟化膠粉改性、SBS改性瀝青和普通成品橡膠瀝青的延度殘留率最終分別為66.7%、69.4%、64.8% ，SBS改性瀝青要優(yōu)于橡膠瀝青，延度不是橡膠瀝青核心檢測指標(biāo)，顆粒的存在影響了測試結(jié)果，因此本文也僅是參考。黏度變化可在一定程度上反映瀝青抵抗環(huán)境水損害的能力；從0次到25次的凍融循環(huán)過程中，高聚熟化膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和普通成品橡膠瀝青的黏度增加值分別為1.537、2.029、1.612，高聚熟化膠粉改性瀝青最小，濕法橡膠瀝青次之，SBS改性瀝青最大。

2.2 瀝青混合料

對進行不同次數(shù)凍融循環(huán)后的瀝青混合料進行準(zhǔn)飛散試驗、低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料性能試驗結(jié)果

圖3試驗結(jié)果表明，三種改性瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下，飛散損失率增加、彎曲破壞應(yīng)變減小、殘留強度比減小。總體上前中期變化幅度較大，后期趨于平緩。在對應(yīng)的回歸方程中相關(guān)系數(shù)R在0.96以上，凍融循環(huán)次數(shù)與混合料技術(shù)指標(biāo)存在良好的關(guān)聯(lián)性。SBS和普通橡膠瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)飛散損失增長率大幅度提升出現(xiàn)在第10次凍融循環(huán)，高聚熟化膠粉改性瀝青為第15次，說明高聚熟化膠粉改性瀝青的黏附性能更好，混合料整體更加穩(wěn)定；25次凍融后，高聚熟化膠粉改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變衰減率為三者最低，最終彎曲破壞應(yīng)變?yōu)? 069 με，與普通成品橡膠瀝青基本相當(dāng)，高出SBS改性瀝青混合料12.3%，因而凍融作用下橡膠瀝青低溫抗裂性能更強。高聚熟化膠粉改性瀝青混合料在凍融到15次時，殘留強度比達到接近規(guī)范要求附近的81.7%，此時其他兩種混合料早已不符合規(guī)范要求。25次凍融作用下高聚熟化膠粉改性瀝青殘留強度比衰減率最低，為19.3%，水穩(wěn)定性能最好。

3 改善瀝青及混合料抗凍融機理分析

普通橡膠瀝青中的膠粉顆粒與瀝青之間雖然發(fā)生了溶脹、擴散等反應(yīng)，但二者未能發(fā)生交聯(lián)，沒有建成化學(xué)鍵聯(lián)系，依然是固-液兩相界面[6]。當(dāng)發(fā)生溫差反復(fù)變化的凍融循環(huán)作用后，不牢固的鏈接相對容易被破壞，性能稍差。高聚熟化膠粉在工廠預(yù)混過程中，雙鍵結(jié)構(gòu)的接枝杜仲膠已與橡膠粉中的硫分子發(fā)生硫化反應(yīng)形成了緊密連接，在與瀝青高溫共混后，接枝杜仲膠就如同“橋梁”一般將橡膠粉和瀝青以化學(xué)形式連接起來，形成三者間的連接網(wǎng)絡(luò)。從圖4可以看出，膠粉顆粒由原來的交纏聚集分布變得更加均質(zhì)，膠粉與瀝青間的相容性得到改善，橡膠瀝青形成了一個共聚相容的穩(wěn)定體系，橡膠瀝青穩(wěn)定性和粘結(jié)性大幅提升。

圖4 橡膠粉改性瀝青熒光鏡相片

當(dāng)瀝青混合料發(fā)生頻繁凍融后，水分更易進入瀝青膜內(nèi)部破壞瀝青與集料之間的粘結(jié)界面，降低混合料內(nèi)部粘聚力，集料的空間排列被破壞，混合料變得松散和脫落。高聚熟化膠粉與瀝青優(yōu)異的相容性，在二者界面之間形成牢固的化學(xué)鍵聯(lián)系，使其黏聚力、強度、穩(wěn)定性等性能遠優(yōu)于普通改性瀝青，不僅提升了瀝青綜合性能，還在凍融作用前期便能起到很好的抗水損害作用，顯著減緩混合料性能衰減速率。

4 工程應(yīng)用

2021年6月份，依托新疆烏尉公路包PPP項目，在G0612線依吞布拉克至若羌路面工程標(biāo)段K31+000—K33+000，開展了高聚熟化膠粉改性瀝青路面試驗，路寬11.8 m，所用高聚熟化膠粉總量約28 t。試驗段路面結(jié)構(gòu)層為：5 cm AC-16C高聚熟化膠粉改性瀝青混合料+SBS改性乳化瀝青粘層+7 cm AC-25C基質(zhì)瀝青混合料。試驗段施工過程中，攤鋪溫度不低于160 ℃，初壓、復(fù)壓、終壓溫度分別不低于160 ℃、130 ℃、110 ℃。現(xiàn)場情況如圖5所示。

圖5 高聚熟化膠粉改性瀝青混合料試驗段施工

試驗路段通車半年后參照《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)、采用多功能路況檢測車對路況進行現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果如表5所示。與同期的SBS改性瀝青路面相比，高聚熟化膠粉改性瀝青路面的各路面指標(biāo)表現(xiàn)更好，服役后的試驗路面的行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)、路面車轍深度指數(shù)(RDI)指標(biāo)評定優(yōu)良路率為100%。

表5 通車半年后試驗路路面技術(shù)狀況檢測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)高聚熟化膠粉改性瀝青在凍融下的三大指標(biāo)變化幅度相對緩和；黏度增加值最小，抗水損害效果好；殘留彈性恢復(fù)比方面，橡膠改性瀝青更占優(yōu)勢。總體上高聚熟化膠粉改性瀝青受低溫凍融循環(huán)作用影響幅度較小，抗凍融能力優(yōu)異。

(2)凍融循環(huán)下標(biāo)準(zhǔn)飛散損失增長率方面，SBS瀝青和普通橡膠瀝青出現(xiàn)大幅度提升的時間要早于高聚熟化膠粉改性瀝青；凍融作用下橡膠瀝青低溫抗裂性能更強；25次凍融作用下高聚熟化膠粉改性瀝青殘留強度比衰減率最慢，為19.3%，水穩(wěn)定性能最好。

(3)高聚熟化膠粉與瀝青之間優(yōu)異的相容性和牢固的化學(xué)鍵聯(lián)系，提升了瀝青性能，同時還起到很好的抗凍融水損害效果，顯著減緩混合料性能衰減速率。

(4)通車服役半年后的高聚熟化膠粉瀝青路面狀況優(yōu)于同期的SBS改性瀝青路面，RQI、RDI指標(biāo)評定優(yōu)良路率為100%，其抗凍融循環(huán)的耐久性還需進一步觀測。