高聚熟化胶粉改性沥青混合料在季冻区道路工程中的应用研究

冀 超， 费 壮

(1.中交四公局第六工程有限公司，天津 301700；2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037)

季节性冻土地区在我国分布广泛，这类地区年平均气温低，冷热悬殊，日、年温差大，沥青面层直接暴露在空气中，承受行车荷载的同时，持续的水、低温冰冻以及温度交替变化的冻融循环作用，不断加剧沥青混合料内部损伤，进而出现裂缝、松散、坑槽等破坏。冻融作用不仅削弱沥青路面的路用及耐久性能，也加剧了路面发生早期病害，严重削弱了道路的服务水平与使用寿命。

改性沥青的应用可在很大程度上提升沥青路面的抗冻融破坏能力。司伟[1]等基于青藏高寒地区冻融循环频发，通过室内冻融模拟试验研究发现，SBS/SBR改性沥青混合料，有利于提高沥青混合料低温抗裂性能。翟瑞鑫[2]等发现在20次冻融循环作用后，橡胶改性沥青和SBS改性沥青用于大孔径透水沥青混合料具有良好的路用性能。橡胶沥青因其高低温性能突出、黏结性好、耐久性能优异，近年来其应用越发广泛[3-4]。课题组研发的高聚熟化胶粉可进一步提升橡胶沥青的综合性能，但对于频繁冻融作用下的耐久性能表现尚不明确[5-6]。

为此，本文基于前人的冻融循环试验方法，并结合新疆地区当地气温分布特点设计了冻融循环作用次数和试验方法，通过室内试验研究冻融对高聚熟化胶粉改性沥青及混合料性能的影响，并在新疆乌尉高速上开展工程试验，为其在高海拔季节性冻土地区的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料及沥青混合料配合比

本研究依托新疆乌尉高速公路包PPP项目，试验原材料在工程建设中现场取材，技术指标均符合规范要求。基质沥青为克拉玛依90号，改性沥青为SBS I-B和成品橡胶沥青。高聚熟化胶粉为30目普通废旧轮胎橡胶粉与国产维他连接剂(China Tans-polyethylene Rubber，简称CTOR)预混而成，掺量为沥青质量的17.5%[6]，其技术指标如表1所示。

表1 高聚熟化胶粉物理化学技术指标

集料采用花岗岩，矿粉采用磨细石灰岩矿粉，通过对粗细集料的筛分，得到各集料筛分曲线，确定矿料合成级配，结果如表2所示。参照马歇尔配合比设计方法，最终得到高聚熟化胶粉改性沥青混合料最佳油石比为4.5%、SBS改性沥青和普通橡胶沥青混合料最佳油石比均为4.6%。

表2 混合料合成级配及规范要求 %

1.2 高聚熟化胶粉改性沥青及混合料制备

高聚熟化胶粉改性沥青制备时，利用高速剪切机可有效防止胶粉沉淀，保证胶粉与沥青的均匀性。首先按照比例称取高聚熟化胶粉，分多次加入到流动状态的热基质沥青中，并手动搅拌初步混合。随后用高速剪切机分两个阶段进行剪切，预剪切阶段参数设为：速度3 000±100 r/min、搅拌时间15±1 min、搅拌温度180±5 ℃，正式剪切阶段参数设为：速度6 000±100 r/min、搅拌时间90±5 min、搅拌温度190±5 ℃。剪切完成后将改性沥青放于120 ℃的烘箱中发育1.0～1.5 h，即制作完成。高聚熟化胶粉改性沥青混合料制备流程与普通改性沥青混合料基本相同，但在拌和出锅后混合料需在180 ℃恒温烘箱内焖料保温1.0 h。

1.3 冻融循环试验

目前，关于沥青及沥青混合料的冻融循环室内模拟工况试验参数设定并无明确的规程指导，大多数的研究也均是根据各自研究需要制定冻融试验方法[2]。沥青路面的设计年限一般为10～15 a，目前采用最大循环次数为45次；根据新疆地区气候特点，国内学者关于季冻区室内模拟冻融循环次数大多选择20或25次，故本研究冻融循环次数上限设为25次，分别以3次、6次、10次、15次、20次、25次冻融循环开展试验。

冻融条件借鉴麻昌盛[7]、李萍[8]等学者针对季冻区冻融条件设定研究成果；结合新疆地区气候环境因素[9]，气象资料表明：新疆地区冬季平均气温低于-17 ℃，夏季平均气温为20～25 ℃。按照最不利条件原则确定的冻融循环试验条件为：

(1)将制作好的试件在真空条件下饱水15 min，沥青混合料试样装入塑料袋中、加入10 mL水并扎紧袋口，沥青试样无须装入塑料袋。

(2)试样在低温冷冻箱-20±1 ℃保持16±1 h，即完成“冻”处理；取出试样后撤去塑料袋在常温水浴25±1 ℃保持8±1 h，即完成“融”处理，以此完成一个冻融循环，重复上述步骤达到规定的冻融循环次数。

2 冻融循环试验结果分析

2.1 沥青性能

经数次冻融循环后，高聚熟化胶粉改性沥青的表观样貌见图1，三种改性沥青常规指标试验结果如表3和图2所示，其中高聚熟化胶粉改性沥青简称MCR，普通成品橡胶沥青简称AR。为准确评价冻融工况作用下改性沥青的抗水损害性能，引入抗水损害性能指数评价公式，见表4所示。

图1 冻融循环后高聚熟化胶粉改性沥青表观变化

表3 改性沥青冻融后常规指标试验结果

表4 沥青抗水损害性能评价指标

图2 不同冻融循环次数下改性沥青性能指标试验结果

从图1可以发现，15次冻融循环后，改性沥青试样表面由亮黑色向灰暗色转化，试样表面由初期的平整如镜变得粗糙带有部分颗粒感。

由表3及图2可以看出，沥青状态在-20 ℃至25 ℃的温度范围内反复变化，加剧了沥青的水损害，三种改性沥青均呈现不同程度的软化点升高、针入度逐渐减小、延度减小趋势。但高聚熟化胶粉改性沥青的变化幅度相比于其他两种相对缓和，在25次冻融循环后的针入度残留度和残留弹性恢复比最大，总体上受低温冻融循环作用影响幅度较小，抗冻融能力优异；延度残留率方面，出现了不一样的规律，高聚熟化胶粉改性、SBS改性沥青和普通成品橡胶沥青的延度残留率最终分别为66.7%、69.4%、64.8% ，SBS改性沥青要优于橡胶沥青，延度不是橡胶沥青核心检测指标，颗粒的存在影响了测试结果，因此本文也仅是参考。黏度变化可在一定程度上反映沥青抵抗环境水损害的能力；从0次到25次的冻融循环过程中，高聚熟化胶粉改性沥青、SBS改性沥青和普通成品橡胶沥青的黏度增加值分别为1.537、2.029、1.612，高聚熟化胶粉改性沥青最小，湿法橡胶沥青次之，SBS改性沥青最大。

2.2 沥青混合料

对进行不同次数冻融循环后的沥青混合料进行准飞散试验、低温弯曲试验和冻融劈裂试验，试验结果见图3所示。

图3 不同冻融循环次数下沥青混合料性能试验结果

图3试验结果表明，三种改性沥青混合料在冻融循环作用下，飞散损失率增加、弯曲破坏应变减小、残留强度比减小。总体上前中期变化幅度较大，后期趋于平缓。在对应的回归方程中相关系数R在0.96以上，冻融循环次数与混合料技术指标存在良好的关联性。SBS和普通橡胶沥青混合料的标准飞散损失增长率大幅度提升出现在第10次冻融循环，高聚熟化胶粉改性沥青为第15次，说明高聚熟化胶粉改性沥青的黏附性能更好，混合料整体更加稳定；25次冻融后，高聚熟化胶粉改性沥青混合料的弯曲破坏应变衰减率为三者最低，最终弯曲破坏应变为2 069 με，与普通成品橡胶沥青基本相当，高出SBS改性沥青混合料12.3%，因而冻融作用下橡胶沥青低温抗裂性能更强。高聚熟化胶粉改性沥青混合料在冻融到15次时，残留强度比达到接近规范要求附近的81.7%，此时其他两种混合料早已不符合规范要求。25次冻融作用下高聚熟化胶粉改性沥青残留强度比衰减率最低，为19.3%，水稳定性能最好。

3 改善沥青及混合料抗冻融机理分析

普通橡胶沥青中的胶粉颗粒与沥青之间虽然发生了溶胀、扩散等反应，但二者未能发生交联，没有建成化学键联系，依然是固-液两相界面[6]。当发生温差反复变化的冻融循环作用后，不牢固的链接相对容易被破坏，性能稍差。高聚熟化胶粉在工厂预混过程中，双键结构的接枝杜仲胶已与橡胶粉中的硫分子发生硫化反应形成了紧密连接，在与沥青高温共混后，接枝杜仲胶就如同“桥梁”一般将橡胶粉和沥青以化学形式连接起来，形成三者间的连接网络。从图4可以看出，胶粉颗粒由原来的交缠聚集分布变得更加均质，胶粉与沥青间的相容性得到改善，橡胶沥青形成了一个共聚相容的稳定体系，橡胶沥青稳定性和粘结性大幅提升。

图4 橡胶粉改性沥青荧光镜相片

当沥青混合料发生频繁冻融后，水分更易进入沥青膜内部破坏沥青与集料之间的粘结界面，降低混合料内部粘聚力，集料的空间排列被破坏，混合料变得松散和脱落。高聚熟化胶粉与沥青优异的相容性，在二者界面之间形成牢固的化学键联系，使其黏聚力、强度、稳定性等性能远优于普通改性沥青，不仅提升了沥青综合性能，还在冻融作用前期便能起到很好的抗水损害作用，显著减缓混合料性能衰减速率。

4 工程应用

2021年6月份，依托新疆乌尉公路包PPP项目，在G0612线依吞布拉克至若羌路面工程标段K31+000—K33+000，开展了高聚熟化胶粉改性沥青路面试验，路宽11.8 m，所用高聚熟化胶粉总量约28 t。试验段路面结构层为：5 cm AC-16C高聚熟化胶粉改性沥青混合料+SBS改性乳化沥青粘层+7 cm AC-25C基质沥青混合料。试验段施工过程中，摊铺温度不低于160 ℃，初压、复压、终压温度分别不低于160 ℃、130 ℃、110 ℃。现场情况如图5所示。

图5 高聚熟化胶粉改性沥青混合料试验段施工

试验路段通车半年后参照《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018)、采用多功能路况检测车对路况进行现场检测，检测结果如表5所示。与同期的SBS改性沥青路面相比，高聚熟化胶粉改性沥青路面的各路面指标表现更好，服役后的试验路面的行驶质量指数(RQI)、路面车辙深度指数(RDI)指标评定优良路率为100%。

表5 通车半年后试验路路面技术状况检测结果

5 结论

(1)高聚熟化胶粉改性沥青在冻融下的三大指标变化幅度相对缓和；黏度增加值最小，抗水损害效果好；残留弹性恢复比方面，橡胶改性沥青更占优势。总体上高聚熟化胶粉改性沥青受低温冻融循环作用影响幅度较小，抗冻融能力优异。

(2)冻融循环下标准飞散损失增长率方面，SBS沥青和普通橡胶沥青出现大幅度提升的时间要早于高聚熟化胶粉改性沥青；冻融作用下橡胶沥青低温抗裂性能更强；25次冻融作用下高聚熟化胶粉改性沥青残留强度比衰减率最慢，为19.3%，水稳定性能最好。

(3)高聚熟化胶粉与沥青之间优异的相容性和牢固的化学键联系，提升了沥青性能，同时还起到很好的抗冻融水损害效果，显著减缓混合料性能衰减速率。

(4)通车服役半年后的高聚熟化胶粉沥青路面状况优于同期的SBS改性沥青路面，RQI、RDI指标评定优良路率为100%，其抗冻融循环的耐久性还需进一步观测。