成品橡胶沥青AR-SMA13在宁高高速公路中的应用研究

2014-01-08靳澍

城市道桥与防洪 2014年2期

靳澍

（南京市公路建设处，江苏南京 210008）

0 引言

宁高高速是南京市区连接溧水、高淳两县及苏南、皖南地区的主要快速通道。由于宁高高速通车时间已超过10 a，这段过程中大中修次数较少，沿线路面车辙情况较为严重。通过面层混合料的性能的改善，能够有效提高面层抗车辙性能。改善混合料性性能途径主要有两方面，一是沥青胶结料性能的提升，可以使用较高粘度或较高模量的改性沥青，橡胶沥青兼具这两项指标特点，且由于其对废旧橡胶制品的高效利用，其本身具有显著的节能减排效益。二是混合料级配设计的改进，SMA级配为间断级配粗集料骨架嵌锁结构，对混合料的高温抗车辙性能贡献率较传统密级配要高。

综上，本文通过对成品橡胶沥青改性机理分析、橡胶沥青AR-SMA13的配合比设计和路用性能研究，同时，对比SBS改性沥青和SMA13混合料性能试验结果，对AR-SMA13的工程应用优势做出验证和评价。

1 成品橡胶沥青综合研究

1.1 成品橡胶沥青简介

按照ASTM D6144-97标准定义[1]，橡胶沥青是含量15%以上的橡胶粉与高温状态下(180℃以上)的沥青发生吸附溶胀反应得到的改性沥青胶结料。

橡胶沥青的制作分为湿法与干法两种，普遍认为，采用湿法拌制而成的混合料要比干法拌制成的混合料稳定且耐久性好，而一般工程所采用的是现场湿法，这种方法在生产过程中繁琐且难以对其质量进行控制，成品橡胶沥青应运而生。

成品橡胶沥青是将原来现场拌制橡胶沥青的过程转移到工厂生产，生产出的橡胶沥青以成品沥青的形式运送到现场，既减少了施工单位现场拌合带来的诸多繁琐的工序，又可以保证橡胶沥青生产的质量，其技术指标要求见表1。

表1 成品橡胶沥青指标要求

1.2 成品橡胶沥青配制机理

废旧橡胶粉与沥青混合后,在高温及机械力的作用下发生吸附溶胀反应,该反应机理见图1。溶胀后的胶粉颗粒表面会形成一层沥青质含量很高的凝胶膜,胶粉颗粒通过这层凝胶膜与沥青紧密相连。正是由于存在通过凝胶膜与沥青相连的固体胶粉颗粒,橡胶沥青的特性不仅与基质沥青有关,同时也反映了橡胶颗粒的特性。

图1 橡胶沥青溶胀反应机理

1.3 成品橡胶沥青改性机理

胶粉颗粒经过溶胀反应后均匀悬浮分散在沥青中,橡胶颗粒间依靠凝胶膜相互连接,从而在橡胶沥青内部形成了一个粘度很大的半固态连续相。由溶胀后的胶粉所构成的空间网状结构体系与吸附沥青一起对沥青的微观流动产生明显阻尼作用,从而显著提高了橡胶沥青的粘度。

沥青界面性质的变化,导致了沥青性能发生了显著改变。胶粉与沥青在高温混溶的过程中,颗粒外围部分发生脱硫、降解反应,降解产物溶于沥青，改变了沥青的组分比例,通过增加了胶质等成分,有效提高沥青的低温性能和粘性。此外,胶粉颗粒中的炭黑、硫、抗氧化剂及抗老化剂等活性物质进入沥青后,对沥青的温度敏感性、低温性能和耐老化性能也起到了改善作用[2]。可见，橡胶沥青的改性是体系结构变化与基质沥青品质变化双重作用的效果。

1.4 成品橡胶沥青加工过程

成品橡胶沥青是将基质沥青快速升温到190℃与胶粉在高速高切的环境下预拌（必须在20 s内完成，时间过长会导致沥青老化，时间过短不易使沥青与胶粉均匀熔胀），将预拌的混合液注入熔胀反应系统中进行熔胀反应，最后输出成品橡胶沥青，具体流程见图2。

图2 成品橡胶沥青加工流程图

2 AR-SMA13混合料综合研究

2.1 集料要求

（1）粗集料

粗集料是构成 SMA混合料的骨架结构的主体材料，包括经加工（轧碎、筛分）而成的粒径大于2.36 mm的碎石，要求选用质地坚硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形状接近立方体的破碎石料，以形成稳固的传力受力骨架。

（2）细集料

细集料是指2.36 mm筛孔以下的集料。我国SMA施工指南规定：细集料宜采用专门制砂机生产的机制砂，且不得含有泥土、杂物。与天然砂混用时，天然砂用量不宜超过机制砂或石屑的用量。

创新式模块创建模式遵循一般产品设计规律,同时具有自身的特点,是从无到有创建模块的过程和方法,包括模块概念设计和模块结构设计两个阶段,这两个阶段交替进行,直到模块创建成功.模块概念设计包括装备功能分解、构建功能结构图、功能原理求解、原理结构求解和功能模块划分,结构设计包括模块结构设计和模块接口设计.

（3）填料

采用缓凝硅酸盐水泥和石灰石矿粉作为填料，磨细天然石灰岩粉末是SMA混合料通用的填料。矿粉必须存放在室内干燥的地方，不成团，且能从石粉仓自由流出。亲水系数应小于1，与沥青有良好的粘附性，同时矿粉的细度也应满足要求，小于0.075 mm的含量应大于75%。

2.2 设计思路

为保证橡胶沥青AR-SMA13能够形成良好的骨架结构、沥青用量适中、且具有合理的体积、力学指标以及良好的路用性能[3]。借鉴国外断级配橡胶沥青混合料和传统SMA13的级配特点,确定AR-SMA13配合比的设计思路如下：

（1）选择关键控制筛孔

选择以4.75 mm筛孔作为关键控制筛孔,在推荐的范围内变换3个通过率,并进行相应验证，以保证粗集料能够形成良好的骨架结构。

（2）调整矿粉用量

橡胶沥青与矿粉作用形成沥青胶浆后,才能更好的发挥胶结作用。与普通沥青区别的是,橡胶沥青中的胶粉颗粒能够起到填料的作用,为了避免胶粉对混合料骨架结构产生干涉作用,应适当减低矿粉含量。橡胶沥青混合料中石料表面的沥青膜较厚,如果添加大量的矿粉,会令吸附橡胶沥青导致石料表面的沥青膜变薄,进而影响混合料的性能。

基于上述原因,对橡胶沥青AR-SMA13级配组成中矿粉含量应进行适当调整。

（3）不添加纤维

橡胶沥青本身的粘度很大,添加纤维会导致混合料的流动性变差,严重影响施工和易性。

橡胶沥青混合料通过采用高油石比，并不会发生沥青析漏现象。因此,橡胶沥青AR-SMA不添加纤维稳定剂[4]。

（4）级配设计及油石比确定

综合以上AR-SMA13的配合比设计特有控制要点，参考传统SMA级配设计及油石比方法，对AR-SMA13混合料进行级配设计及最近油石比的确定。

2.3 配合比设计结果

在改性沥青SMA-13配合比设计基础上，将改性沥青换为成品橡胶沥青，不添加木质素纤维和沥青抗剥落剂，外掺2%水泥，进行马歇尔空隙率、最佳油石比、各项性能验证。选定级配比例1#∶2#∶3#∶矿粉=35.0∶38.0∶18.0∶9.0，油石比为6.3%，见表2。

2.4 AR-SMA13路用性能

对于同种SMA13级配，分别采用成品橡胶沥青和SBS改性沥青作为胶结料，进行室内性能试验，以评价两种改性沥青对于混合料性能改善情况，试验结果见表3。

表2 AR-SMA13配合比设计结果

表3 两种混合料性能试验对照表

由室内性能数据可见，两种胶结料条件下，混合料各项性能均较接近。相对于改性沥青SMA-13，成品橡胶沥青SMA-13的低温抗裂性能优势较为明显。

考虑工程造价AR-SMA13较SBS改性和SMA13降低约30%，同时AR-SMA13对于废旧轮胎橡胶的利用也是SBS改性和SMA13无法做到的。因此无论从经济效益或者社会效益出发，AR-SMA13均应较SBS改性和SMA13优先考虑。

2.5 AR-SMA13施工控制要点

本工程成品橡胶沥青SMA-13施工采用与改性沥青SMA-13相同的施工方法，在铺设之前原路面保持洁净、干燥，并喷洒规定用量的乳化沥青粘层油。运输过程中运料车用篷布覆盖，减少混合料在运输过程中温度的散失。

在现场施工过程中要严格控制压路机的碾压变数，尤其是开始阶段钢轮压路机的碾压，经现场试验段实践证明，橡胶沥青混合料较改性沥青混合料易碾压。如果开始阶段碾压次数过多会导致表面形成“糊面”现象，经过车辆反复碾压极易形成车辙，拥抱等路面病害，故在橡胶沥青SMA-13混合料施工过程中要严格控制碾压遍数数。建议初压采用2台戴纳帕克钢轮压路机前静后振各1遍，共初压2遍；复压采用2台钢轮压路机前振后振各压2遍（循环套压），共复压4遍；终压采用1台宝马钢轮压路机1～2遍静压，确保无轮迹。