橡胶改性乳化沥青微表处混合料降噪特性与耐久性能

2017-05-17王宏臣

筑路机械与施工机械化 2017年4期

王宏臣

摘要：为了探讨橡胶粉改性乳化沥青用于微表处混合料的可行性，基于室内试验和铺筑试验路研究了橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的施工性能、耐磨耗性能、抗车辙性能、水稳定性、低温抗裂性、降噪性及长期使用性能。试验结果表明：橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料具有良好的工作性能，耐磨耗性能和低温抗裂性能均优于SBS改性微表处混合料，并且具有优良的降噪功能。

关键词：预防性养护；橡胶粉改性乳化沥青；微表处；降噪特性

中图分类号：U414.75文献标志码：B

Abstract： In order to explore the feasibility of the crumb rubber modified emulsified asphalt mixture for microsurfacing， the construction performance， abrasion resistance， antirutting performance， water stability， crack resistance at low temperature， noise reduction and longterm performance of the mixture were studied based on indoor test and the paving trials. The results show that the mixture has good working performance， better abrasion resistance and crack resistance at low temperature than SBS modified mixture， and has excellent noise reduction performance.

Key words： preventative maintenance； crumb rubber modified emulsified asphalt； microsurfacing； noise reduction characteristic

0引言

在众多沥青路面养护技术中，微表处是预防性养护的主要措施之一，具有开放交通快、封水效果好、抗滑性能卓越、可修复车辙、经济效益好等优点，在国内已得到广泛推广应用[15]。然而，经过多年的实践发现，微表处并没有达到预期的效果，普通微表处行车噪声大，缺乏对温度疲劳裂缝和反射裂缝的抵御，影响其封水效果和使用寿命。研究表明，提高沥青品质是改善微表处混合料综合路用性能和耐久性的有效措施。总结近几年微表处在中国的推广应用可以发现[611]：采用SBS、SBR和环氧树脂改性乳化沥青的微表处存在噪音大、易片状脱落、养生时间长、耐久性差等缺点；采用Novachip超薄磨耗层和环氧覆层存在成本高、封闭施工时间长等缺点。为了提高微表处的性能并降低行车噪声，国内外做了不少相关研究[1215]。美国学者在微表处混合料中添加了5%聚乙烯纤维和5%橡胶，研究了柔性微表处技术。欧洲学者还发明了纤维改性微表处，认为添加纤维有助于阻止离析。国内学者一般通过采用较细的级配和掺加橡胶粉来改善微表处混合料的降噪功能[16]。目前，鲜见将橡胶粉改性沥青用于生产乳化沥青方面的研究报道，将橡胶粉改性乳化沥青用于微表处混合料仍处于起步阶段。本文将橡胶粉改性乳化沥青用于生产微表处混合料，系统研究橡胶粉改性微表处混合料的施工性能、路用性能、降噪功能及长期使用性能，结合实体工程应用情况，为橡胶粉改性微表处混合料在国内的推广应用提供借鉴。

1原材料

1.1橡胶粉改性乳化沥青

基质沥青选用壳牌 AH70道路石油沥青，沥青各项性能指标均满足现行施工技术规范要求。选用SBS改性乳化沥青和普通乳化沥青做对照试验。试验所用的橡胶颗粒是华珠体有限公司生产的，粒径为0～3 mm，掺量分别选取16%、18%、20%、22%（占沥青质量的百分比）。首先制备橡胶粉改性沥青，乳化剂与调节改性剂为美德维实维克公司生产的MQI1D胶乳，胶乳添加量为4%，PC1468调节剂添加量为1%；乳化沥青由乳化剂、盐酸调节剂经室内小型胶体磨自制而成。不同橡胶粉掺量乳化沥青技术性能检测结果和蒸发残留物试验结果见表1。由表1可知，不同橡胶粉掺量的改性乳化沥青各项性能指标均满足现行《微表处和稀浆封层技术指南》（简称“指南”）要求，橡胶粉改性沥青可用于生产微表处混合料。此外，随着橡胶粉掺量增大，乳化沥青蒸发残留物的延度呈先增大后减小的趋势变化，软化点指标随橡胶粉掺量的增大而增大，这与掺加橡胶粉后橡胶粉改性沥青针入度和软化点的试验结果相类似，可见掺加橡胶粉能改善乳化沥青的高、低温性能。但随着橡胶粉掺量增大，改性乳化沥青的1、7 d常温储存稳定性变差，尤其橡胶粉掺量在22%时1、5 d储存稳定性显著下降，以此确定橡胶粉掺量不宜超过22%。以15 ℃延度和25 ℃弹性恢复率作为评价指标，橡胶粉改性乳化沥青具有更高的柔韧性和弹性。

1.2其他原材料及配比

水泥采用耀县红山子水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥各项指标均满足规范要求。本研究采用ISSA推荐的MS3型级配，见表2。

2橡胶改性乳化沥青微表处施工性能

2.1拌和试验

拌和试验主要用于确定微表处混合料的可拌和时间和成浆状态，从而为最佳油石比的选择提供依据[17]。为了评定规定时间内不同橡胶粉掺量对微表处混合料成浆状态的影响，经室内初步试验选择油石比11%对不同橡胶粉掺量的改性乳化沥青进行拌和试验，每个橡胶粉掺量条件下变化4组拌和用水量，试验时水泥以外掺的形式添加，掺量为2%，试验结果如表3所示。

由拌和试验结果可知，橡胶粉掺量在16%～22%内，相同拌和用水量条件下橡胶粉掺量越大，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料拌和时间越长，满足指南微表处混合料可拌和时间大于120 s的要求。相比普通微表处混合料，掺加橡胶粉改性乳化沥青后，微表处混合料的可拌和时间增加15～30 s，這对夏季高温条件下微表处混合料的运输、施工、拌和有利。总体而言，采用橡胶粉改性乳化沥青可增加微表处混合料的可拌和时间，且不影响其成浆状态，施工可操作性良好。

2.2黏聚力试验

工程中通常通过测定混合料摊铺后的黏聚力指

标判定该种混合料是否能够满足迅速开放交通的要求。微表处混合料的初凝时间和开放交通时间主要通过黏聚力试验来评价。不同橡胶粉掺量的改性乳化沥青微表处混合料黏聚力试验结果如图1所示。

图1表明，橡胶粉改性乳化沥青用量在7.5%～9.0%时，微表处混合料30 min和60 min黏聚力满足指南“大于1.2 N·m”和“大于2.0 N·m”的要求，且远大于SBS改性乳化沥青微表处混合料的黏聚力。此外，相同乳化沥青用量下，随着橡胶粉掺量的增大，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的30 min黏聚力增大，这对早期开放交通有利。

3橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料路用性能

3.1常规路用性能

负荷轮黏附砂试验主要用于确定微表处混合料中沥青用量的上限，湿轮磨耗试验用于确定沥青用量的下限。轮辙变形试验

用于评价微表处混合料的抗变形能力。湿轮磨耗试验、负荷轮黏附砂试验和轮辙变形试验方法严格按照指南要求进行，不同橡胶粉掺量的橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料湿轮磨耗试验与负荷轮黏附砂试验结果见图2～4。

由图2可知：相同橡胶粉掺量下，乳化沥青用量为7.5%～9.0%时，各微表处混合料1 h湿轮磨耗值远小于530 g·m-2的规范要求；且随着乳化沥青用量增大，微表处混合料1 h和6 d湿轮磨耗值减小；相同改性沥青用量下，橡胶粉掺量越大，湿轮磨耗值越小。湿轮磨耗试验主要用于检验微表处混合料成型后的集料乳化沥青稀浆的配伍性及水稳定性，同时确定稀浆混合料的最小沥青用量。由此可见，橡胶粉改性乳化沥青微表处稀浆的配伍性和水稳定性优良，抗水损害能力优于SBS改性乳化沥青微表处稀浆。图3的试验结果表明：随着橡胶粉改性乳化沥青用量增大，微表处混合料的黏附砂量减小；相同乳化沥青用量下，橡胶粉掺量越大，微表处混合料的黏附砂量越小；乳化沥青用量为

75%～90%时，各橡胶粉掺量的微表处混合料黏附砂量远小于450 g·m-2的规范要求。图4的试验结果表明：随着橡胶粉改性乳化沥青用量增大，微表处混合料的轮辙变形量增大，表明其抗车辙变形能力下降；相同乳化沥青用量情况下，橡胶粉掺量越大，微表处混合料轮辙变形量越小，乳化沥青用量为7.5%～9.0%时各橡胶粉掺量的微表处混合料黏附砂量远小于5%的规范要求。

3.2低温抗裂性

随着乳化沥青冷再生混合料在国省干线和高速公路等高等级公路预防性养护中的大规模应用，其低温抗裂性引起更多关注。按照现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，采用低温小梁弯曲试验，以破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量作为评价指标，按照应力应变曲线的形状来评价沥青混合料的低温抗裂性能。在橡胶粉改性乳化沥青用量为85%（对照组SBS改性乳化沥青微表处乳化沥青用量为75%，其余试验参数相同）、水泥掺量为20%、拌和用水量为5%的条件下成型单层车辙板，室内温度为110 ℃加速养生2 d后切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm·min-1，试验结果见表4。

由表4可知，相比SBS改性乳化沥青微表处混合料，在16%～24%橡胶粉掺量范围内，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料抗弯拉强度普遍增大22%

以上，弯拉应变至少增大18%，可见橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料具有更高的柔性和抗低温开裂能力。此外，随着橡胶粉掺量增大，微表處混合料的抗弯拉强度和弯拉应变均呈现先增大后减小的变化趋势，可见橡胶粉掺量并非越大越好，故用于微表处混合料的橡胶粉改性乳化沥青中适宜的橡胶粉掺量为18%～22%。

4橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的长期使用性能

为了在短期内研究橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的长期使用性能，采用MMSL3室内加速加载试验系统进行试验。

（1）试件制备。在橡胶粉改性乳化沥青用量为85%（对照组SBS改性乳化沥青微表处乳化沥青用量为7.5%，其余试验参数相同）、水泥掺量为20%、拌和用水量为5%条件下，旋转压实成型直径为150 mm、高为120 mm的试件，室内温度为110 ℃加速养生2d后采用芬兰产双面锯取试件中间5 cm厚的部分，按照标准试模尺寸切割试件。

（2）试验荷载。试验采用的轴载为0.7 MPa。

（3）加载速率。加载速率统一采用6 000次·h-1，相当于实际车辆行驶速度为72 km·h-1。

（4）试验温度。常温（20 ℃～25 ℃）。取不同加载次数下平行试件车辙深度的平均值，并记录车辙深度随加载次数的变化规律，试验结果如图5所示。

加速加载试验结果表明，相同加载次数下试件的车辙深度由大到小依次为：18%橡胶粉改性乳化沥青、20%橡胶粉改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青、22%橡胶粉改性乳化沥青、24%橡胶粉改性沥青。可见22%、24%橡胶粉微表处混合料的抗疲劳性能最好。因此，可知橡胶粉改性乳化沥青可改善微表处混合料的抗疲劳耐久性。

5橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的降噪性能

本文选取轮胎振动衰减与室内往复加载试验研究和评价不同条件下橡胶颗粒沥青混合料的减振降噪特性。试验选用德国大众捷达小汽车轮胎，在尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土板上加铺1 cm厚的橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料。试验时，将路面试件固定在特制的试验架上，使轮胎在试件上方约3 cm处垂直自由下落，以模拟车辆对路面的冲击荷载作用。由固定在轮毂中心处的CPY2加速度传感器将信号传递给YT092数据采集分析仪进行记录。试验测试结果如图6所示。

图6不同加载频率吸声系数测试结果

由图6可知，各加载频率下，随着橡胶粉掺量增大，微表处混合料吸声系数呈二次函数关系增大。22%橡胶粉改性乳化沥青和24%橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的降噪效果相当，相比SBS改性乳化沥青微表处混合料，二者降噪性能最好。路面行车荷载的振动频率在800～1 000 Hz之内，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的吸声系数比SBS改性乳化沥青微表处大8%～15%；在1 000～1 500 Hz振动频率范围内，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的吸声系数比SBS改性乳化沥青微表处大16%～24%。可见，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料具有优良的降噪功能。

6工程应用

2013年10月，二广高速怀仁段采用橡胶粉改性乳化沥青微表处技术养护，双向四车道总量37万m2，施工温度为15 ℃～25 ℃，施工厚度为8 mm碎石封层和2层5 mm微表处，施工1 h后便开放交通。工程实践证明，采用橡胶粉改性微表处混合料对恢复路面摩擦系数、改善路面感官和防止路表水下渗具有极大的促进作用。通过长达2年的试验路检测，22%橡胶粉掺量的改性乳化沥青微表处混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，微表处与旧沥青路面黏附状况良好。

7结语

（1）橡膠粉掺量在16%～22%范围内、相同拌和用水量下，橡胶粉掺量越大，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的可拌和时间越长，满足指南“微表处混合料可拌和时间大于120 s”的要求。随着橡胶粉掺量增大，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的30 min和60 min黏聚力增大。橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料工作性能良好，能满微表处混合料快速开放交通的要求。

（2）随着橡胶粉掺量增大，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的抗车辙性能、耐磨耗性能显著提高。橡胶粉改性乳化沥青微表处稀浆的配伍性和水稳定性优良，抗水损害性和低温抗裂性能优于SBS改性乳化沥青微表处。在乳化沥青用量为75%～90%时，各橡胶粉掺量的微表处混合料黏附砂量远小于5%的规范要求。

（3）通过MMLS6室内加速加载试验模拟实际车辆的荷载作用，得出橡胶粉改性乳化沥青微表处长期使用性能优于SBS改性乳化沥青微表处。

（4）随着橡胶粉掺量增大，微表处混合料吸声系数呈二次函数曲线增大，在800～1 000 Hz振动频率范围内，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的吸声系数比SBS改性乳化沥青微表处大8%～15%，在1 000～1 500 Hz振动频率范围内，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料的吸声系数比SBS改性乳化沥青微表处大16%～24%，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料具有优良的降噪功能。

（5）工程实践表明，橡胶粉改性乳化沥青微表处混合料与旧沥青路面黏附状况良好，施工性能好。

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