橡胶高黏沥青排水混合料性能及施工效果评价研究

雷杰超,韦万峰,陈 杰,李运高

(1.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

排水性沥青路面是可以有效解决城市道路噪音大、道路雨天积水等问题的一种新型功能性路面[1]。排水沥青混合料内部存在大量的互相连通的空隙,路表水分能够渗入混合料内部,经过排水设施排入道路边沟。声波在排水沥青混合料内部传播会不断反射耗散,因此排水沥青混合料兼具降噪与排水的功能[2-3]。然而,多孔结构的排水沥青混合料与外界环境、紫外线等接触更充分,在紫外线、温度、车辆荷载的综合作用下,表面颗粒脱落、路用性能不足是排水沥青路面面临的主要问题[4-5]。为了保障排水沥青混合料的性能,其对集料、沥青胶结料的要求较高,高质量的集料保障排水混合料的力学稳定性,高黏度的沥青胶结料保障排水混合料的整体粘聚性[6-7]。考虑到废弃橡胶粉改性沥青具备经济环保的优势,利用高黏改性剂提高橡胶沥青的黏度,有利于改善排水沥青混合料抗车辙性能和抗剥落性能。

综上,本文研发了一种橡胶高黏沥青,并对比分析了橡胶沥青混合料与橡胶高黏沥青排水混合料的水稳定性、高温稳定性、抗飞散性能和渗水性能等混合料性能差异,然后依托广西某高速公路铺筑橡胶高黏沥青排水路面试验路段,探索了橡胶高黏沥青排水路面在实体工程中的适用性。

1 原材料

1.1 基质沥青

采用茂名70#石油沥青作为基质沥青,其主要技术指标如表1所示。

表1 70#基质沥青的性能指标表

1.2 橡胶粉

采用目数为30～80目的橡胶粉,基本性能见表2。

表2 橡胶粉的物理检测指标及技术要求表

1.3 高黏改性剂

采用Z型高黏剂,其基本性能如表3所示。

表3 Z型高黏剂的基本性能表

1.4 集料

粗集料采用辉绿岩,细集料采用石灰岩机制砂,填料采用石灰岩矿粉,集料基本性能见表4。

表4 集料基本性能表

1.5 橡胶高黏沥青制备过程

先将基质沥青在175 ℃加热到流动状态,加入15%橡胶粉后搅拌均匀,保持180 ℃溶胀30 min,然后高速剪切10 min,再把橡胶改性沥青升温至180 ℃,加入一定量的高黏剂溶胀30 min;在高速剪切机(剪切速率为4 000～5 000 r/min)中剪切40 min;将上述沥青混合物在180 ℃中发育120 min,冷却后即可得到橡胶高黏沥青。

2 配合比设计

为保障排水沥青混合料的排水功能,本文参照PAC-13的级配范围,通过优化级配范围内2.36 mm筛孔通过率得到最终级配。该级配的筛孔通过率见表5。

表5 最终级配的筛孔通过率表(%)

由于排水性沥青混凝土空隙率太大,马歇尔稳定度低,不会随沥青用量的增加出现最大值,所以不宜用常规的马歇尔试验法来确定其最佳油石比。应先通过析漏试验来确定最大油石比OACmax,再通过飞散试验确定最小油石比OACmin。以0.5%间隔变化,采用5个不同的油石比4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%进行谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验。试验结果见表6。

表6 谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验结果汇总表

根据表6的析漏和飞散试验结果,绘制油石比与析漏损失和飞散损失的关系图,见图1和图2。

图1 析漏损失与油石比关系曲线图

图2 飞散损失与油石比关系曲线图

根据表6和图1的谢伦堡沥青析漏试验结果,确定PAC-13的最大油石比OACmin=5.10%,根据肯塔堡飞散试验结果,确定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%。

取最佳油石比为5.0%,该油石比下的马歇尔试验、析漏试验和飞散试验结果见表7,各项指标符合技术要求,因此以5.0%油石比作为橡胶SBS-高黏剂复合改性高黏排水沥青混合料的最佳油石比。

表7 5.0%油石比下的试验结果表

3 沥青混合料性能对比分析

3.1 体积参数及力学稳定性

下页表8显示了两种沥青混合料的体积参数和力学稳定性计算结果。

表8 两种沥青混合料体积参数及力学稳定性计算结果对比表

由下页表8可知,橡胶沥青混合料、橡胶高黏沥青混合料的空隙率均达到20.3%,此时两种沥青混合料空隙率适中,既可以保障排水混合料的粘聚性、抗飞散能力,又可以满足混合料的排水功能。橡胶高黏沥青排水混合料的稳定度为8.79 kN,比橡胶沥青高36.91%,说明其具有较好的高温稳定性。橡胶高黏沥青排水混合料的谢伦堡析漏损失和肯塔堡飞散损失分别为0.1%、7.4%,均比橡胶沥青低2倍以上,说明其具有较好的抗离析性能和抗飞散能力,整体粘聚性较好。

3.2 水稳定性

排水沥青路面一般修建在多雨地区,混合料长期受雨水浸泡作用,其水稳定性对排水路面的耐久性至关重要。冻融劈裂抗拉强度比(TSR)可以表征沥青的水稳定性,其值越大则水稳定性越好。两种沥青混合料的冻融劈裂试验结果如表9所示。

表9 两种沥青混合料冻融劈裂试验结果对比表

由表9可知,橡胶高黏沥青排水混合料的TSR达到93.7%,比橡胶沥青高6.8%,说明高黏改性剂的掺入提高了排水混合料的抗水损害性能。这是因为橡胶沥青中大量橡胶颗粒的存在,使得水在空隙中的表面张力变大,从而增加在空隙中滞留的水的质量;经过冷冻后水结成冰在试件内部膨胀,沥青膜的压力更大,使得试件内部的结构遭到破坏,因此沥青混合料的结构强度大大降低。在橡胶沥青中掺入高黏改性剂后,在压实成型过程中高黏沥青胶浆被骨料压密填充骨架间空隙,被剪切分散成更小团聚胶浆的数量相对较少,因此形成的闭口空隙相对较少,形成连通空隙相对较大,内部空隙滞留的水质量减少。所以空隙中的水在低温凝固过程中的膨胀对高黏沥青混合料的影响较小。在常温下,橡胶高黏沥青比橡胶沥青拥有更高的黏性,与集料粘聚程度较好,水分不容易侵入沥青-集料的界面,所以增强了混合料结构的力学性能,提高了沥青混合料的水稳定性。

3.3 高温稳定性

动稳定度(DS)是评价混合料性能高温稳定性的关键指标。橡胶沥青混合料、橡胶高黏沥青混合料的60 ℃车辙试验结果如表10所示。

表10 两种沥青混合料60 ℃车辙试验结果对比表

由表10可知,橡胶沥青混合料的动稳定度为3 951次/mm。在橡胶沥青中掺入高黏改性剂后,其沥青混合料的动稳定度达到7 210次/mm,远远高于橡胶沥青,表明在橡胶沥青里掺入高黏改性剂后沥青混合料的高温稳定性得到了显著改善。这是因为高黏改性剂会吸收部分沥青轻质组分,使重质组分的相对含量增加,并在沥青内形成网状结构,使沥青的黏度大幅度提高,从而与集料结合得更加稳定。所以在高温条件下,沥青受到荷载作用时不容易发生永久变形。

3.4 抗飞散性能

为检测橡胶高黏沥青排水混合料的粘结性,对混合料马歇尔试件进行了浸水肯塔堡飞散试验。通过浸水马歇尔试件质量损失评价混合料的粘结性,浸水混合料马歇尔试件质量损失越小,代表混合料的粘结性越好。浸水肯塔堡飞散试验结果如表11所示。

表11 两种沥青混合料浸水飞散试验结果对比表

由表11可知,进行浸水肯塔堡飞散试验后,橡胶沥青混合料的损失率达到18.7%,而橡胶沥青混合料仅为9.3%,两者相差9.4%。橡胶沥青混合料相对更容易发生表面颗粒脱落,进而发生局部松散。因为橡胶沥青的粘聚性不足,而高黏改性剂的添加极大提高了橡胶沥青的黏度,提升了自身内聚能,增大了集料之间的粘附力,增强了沥青混合料的磨耗能力,所以降低了损失率。

3.5 渗水性能

排水路面的主要功能是排水,减少雨水在路面的汇集,渗水系数是评价排水混合料的代表性指标。对两种排水沥青混合料进行渗水试验,试验结果见表12。由表12可知,橡胶沥青排水混合料的平均渗水系数为6 492.1 mL/min,橡胶高黏排水混合料的平均渗水系数为6 571.1 mL/min,两者差异不大,均能达到良好的排水效果。

表12 两种沥青混合料渗水试验结果对比表

4 工程应用

4.1 依托项目概况

试验路段依托广西某高速公路项目,起点桩号为K4+800,终点桩号为K49+682.284,初步设计推荐路线长为44.882 km。主线采用设计时速为120 km的四车道高速公路标准建设,路基宽度为28 m。为了解决S形路段反坡点(零坡度)处雨天易积水导致的行车安全隐患问题,根据对全线路线调研及现场施工进度情况,综合考虑确定排水沥青路面试验路位置为左幅K040+070～K040+580路段,共计510 m,路面宽度为11.8 m,排水沥青路面应用于上面层,层厚为4.0 cm。该路段属于S形曲线段,存在零坡点位置,雨天行车安全隐患较大,通过在此路段开展排水沥青路面工程应用,进一步评价橡胶改性高黏沥青排水路面在高速公路中的应用效果。

4.2 施工效果评价

为了检测高黏沥青排水混合料试验路段的压实情况,在试验路段不同位置钻取五个芯样。试验路段芯样体积指标、厚度、压实情况如表13所示。利用摆式摩擦系数测定仪测试排水路面的抗滑摆值,利用渗水仪对排水路面的渗水系数进行检测,采用平整度测试仪测试排水路面的平整度,具体结果如表14所示。

表13 橡胶高黏沥青排水路面芯样基本情况表

表14 橡胶高黏沥青排水路面的抗滑摆值、渗水系数及平整度检测结果表

由表13可知,橡胶高黏沥青排水路面的厚度达到了设计厚度40 mm,路面的平均标准压实度在98.54%～101.51%,芯样的空隙率分布在19.0%～21.5%,排水路面空隙率同室内橡胶高黏沥青排水混合料的空隙率相差较小,排水路面压实度基本达到要求。

由表14可知,橡胶高黏沥青排水路面的抗滑摆值、渗水系数、平整度都能达到广西吴隆高速公路工程技术要求。

5 结语

本文通过沥青混合料基本性能试验分析了橡胶高黏沥青排水混合料的路用性能,检验橡胶高黏沥青排水混合料在实体工程的铺筑效果。结果表明,橡胶高黏沥青排水混合料的谢伦堡析漏损失和肯塔堡飞散损失均比橡胶沥青混合料低2倍以上,冻融劈裂抗拉强度比比橡胶沥青高6.8%,动稳定度比橡胶沥青高将近1倍,渗水系数者相差不大,说明橡胶高黏沥青排水混合料的水稳定性、抗车辙性能、浸水飞散性能均远远优于橡胶沥青混合料,并且渗水性能良好。在实体工程中,橡胶高黏沥青排水路面压实度、摩擦系数、渗水系数、平整度等性能满足工程技术要求,充分说明了橡胶高黏沥青可保障排水沥青混合料的路用性能,可用于排水沥青路面的铺筑。