农村水泥混凝土路面裂缝密封用改性沥青性能研究

申力涛，张 影

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室重交通公路养护材料协同创新平台 新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030006）

“十二五”时期，随着我国经济的迅速崛起，农村公路在国家和地区发展，特别是社会主义新农村建设中的地位越来越重要，被重视程度越来越高，补助标准越来越高，在公路建设中所占比重也越来越大[1-2]。

水泥混凝土路面因强度高、稳定性好、耐久性优良、日常养护工作量少、施工机械简单、抗水害能力强、水泥来源广以及便于夜间行车等原因，在农村公路中得到广泛应用，但是由于水泥混凝土材料的固有特性和施工过程中各种因素的影响，混凝土路面使用一段时间后，会发生不同种类的路面病害，主要有：裂缝类、变形类、接缝损坏类以及表面损坏类。农村水泥混凝土路面病害中，裂缝破损最为普遍、严重和复杂，裂缝的表现形式多种多样，例如表面裂缝、贯穿裂缝、板角断裂以及化学反应引起的裂缝[3-6]。

裂缝一旦出现，就应及时进行修补，否则在车辆荷载的往复作用下，加上环境因素的影响，裂缝将随时间扩展贯穿，在裂缝处发生应力集中，混凝土发生沿缝碎落、在裂缝处断裂、混凝土板产生滑移，破坏混凝土路面的整体性。当破损发展到一定程度，裂缝处开始唧泥，板面出现交叉裂缝，并且导致其他板裂缝，最终丧失应有的承载力，进而使整块板发生破坏，甚至造成严重的经济损失[7-8]。

本文针对农村水泥混凝土路面裂缝病害及其养护预算有限的现状，拟以石油沥青/煤焦油沥青共混物为基础，采用SBS、废旧橡胶粉和短切碳纤维废丝对其进行复合改性，开发出合适农村水泥混凝土路面裂缝密封材料，并对其性能进行了评价。

1 试验

1.1 试验原材料

石油沥青为壳牌90号、壳牌70号；煤焦油沥青为营口华源石化有限公司生产的低温煤焦油沥青；SBS为中国石化巴陵石化股份分公司产品；废旧橡胶粉为青岛惠商橡胶有限公司生产；短切碳纤维废丝为太原钢铁（集团）有限公司生产。

1.2 试验设备

a）高速剪切机 德国弗鲁克FLUKO FM300高剪切分散机。

b）低速搅拌机 无锡市海之蓝环保设备有限公司BLY5搅拌机。

c）可控温油浴锅 上海一凯仪器设备有限公司HH-W0（5 L）油浴锅。

1.3 试验步骤

将石油沥青与煤焦油沥青按比例混合，然后取一定量的共混沥青，使用油浴锅加热至180℃，然后按比例加入SBS、废旧橡胶粉，采用高速剪切机在4 000 rpm/min速率下剪切1 h，然后加入短切碳纤维废丝，使用低速搅拌机在1 000 rpm/min速率下搅拌1 h即可。

2 原料掺量及形态对裂缝密封材料性能的影响

密封材料性能试验按照我国JT/T 589—2004水泥混凝土路面嵌缝密封材料相关测试方法进行测定。

2.1 煤焦油沥青掺量对嵌缝密封材料性能影响

本次实验采用壳牌90号、壳牌70号两种石油沥青，煤焦油沥青掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，加热后共混搅拌，然后进行嵌缝密封材料试件制作，测试其性能，测试结果见表1。

表1 不同煤焦油沥青掺量的嵌缝密封材料性能测试结果

两种石油沥青随着煤焦油沥青掺量的增加，针入度、弹性（复原）率、流动度和拉伸量均不断下降，其中针入度指标，壳牌90号沥青大于50，不满足规范要求；弹性（复原）率指标，两种沥青均满足要求；流动度指标，只有壳牌70号中煤焦油沥青掺量大于15%满足要求；最后一项拉伸量指标，只有壳牌70号中煤焦油沥青掺量小于25%满足要求，综合分析，当壳牌70号沥青在煤焦油沥青掺量为20%时，满足规范全部要求，因此本次实验优选壳牌70号石油沥青掺加20%的煤焦油沥青。

2.2 SBS掺量对嵌缝密封材料性能影响

本次试验中共混沥青选用上节试验的优选结果，即壳牌70号石油沥青掺加20%煤焦油沥青，改性剂SBS在一定温度下使用高速剪切机进行分散，使其均匀分布在共混沥青中。

本次试验测试了SBS六种掺量，分别为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，嵌缝密封材料性能变化，结果见表2。

表2 嵌缝密封材料性能随SBS掺量变化

随着SBS掺量的增加，嵌缝密封材料的针入度、流动度逐渐下降，弹性（复原）率、拉伸量逐渐增大，当SBS掺量高于4%时，弹性（复原）率、拉伸量增长幅度降低，考虑到SBS掺量直接影响嵌缝密封材料成本，因此建议掺量不高于4%。

2.3 橡胶粉掺量对嵌缝密封材料性能影响

为分析废旧橡胶粉掺量对共混沥青改性效果的影响，分别用不同橡胶粉掺量对共混沥青进行改性，橡胶粉粒径为60目，结果见表3。

表3 密封材料性能随废旧橡胶粉掺量变化

由测试结果可知，随着废旧橡胶粉掺量的增加，嵌缝密封材料针入度、流动度逐渐下降，弹性（复原）率逐渐提高，拉伸量则先增大后减小，橡胶粉最佳掺量为20%。

2.4 橡胶粉粒径对嵌缝密封材料性能影响

在分析橡胶粉粒径对嵌缝密封材料性能的影响时，橡胶粉掺量确定为20%，剪切温度为180℃，剪切时间为1 h，分别使用40目、60目、80目橡胶粉进行试验，对嵌缝密封材料变化规律及机理进行分析，并筛选出适用于制备嵌缝密封材料的橡胶粉粒径。结果见表4。

表4 橡胶粉粒径对嵌缝密封材料性能影响

废胎胶粉的细度对橡胶沥青针入度影响显著，橡胶沥青针入度随废胎胶粉目数的增大而逐渐增大。仅从橡胶沥青的针入度来分析，40目的胶粉的掺入使得沥青针入度大幅降低，起到了显著的改性效果；60目胶粉的改性作用介于两者之间。当胶粉粒径较粗时，胶粉在热沥青中经历的主要过程是吸收沥青中的轻质组分而溶胀，当胶粉颗粒粒径很小时，与高温接触的比表面积更大，因而容易发生废胎胶粉脱硫而恢复天然橡胶黏性。

2.5 碳纤维掺量对嵌缝密封材料性能影响

本次试验中，碳纤维加入到共混沥青后，利用机械搅拌使其均匀分散在共混沥青中，严禁使用高速剪切分散方式，以免碳纤维形态被破坏，失去相应功能。

本项试验暂定碳纤维长度选取0.5 mm，碳纤维体积掺量分别为4%、5%、6%、7%、8%、9%，搅拌速率1 000 r/min，搅拌时间1 h，测试结果见表5。

表5 碳纤维掺量对密封材料性能影响

随着碳纤维掺量的增大，嵌缝密封材料的针入度、流动度逐渐降低，弹性（复原）率、拉伸量逐渐升高，当掺量大于6%后，变化幅度降低，原因是随着碳纤维掺量增加，密封材料受力通过界面传给纤维，而纤维表面与共混沥青发生的吸附、物理浸润作用及化学键作用，导致界面黏结力较强，纤维的增强作用明显，当纤维掺量超过6%以后，纤维表面得不到共混沥青的有效包裹，导致界面黏结力提升放缓，因此碳纤维最佳掺量应小于6%。

2.6 碳纤维长度对嵌缝密封材料性能影响

根据上节试验结果确定碳纤维体积掺量一般为沥青的 6%，碳纤维长度选取 0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和 0.7 mm，搅拌速率1 000 r/min，搅拌时间1 h，测试结果见表6。

表6 碳纤维长度对密封材料性能影响

随着碳纤维长度的增加，针入度和流动度不断降低，弹性（复原）率和拉伸量逐渐升高，当纤维长度达到0.5 mm后，增长放缓。

3 结论

通过以上单因素试验分析，最终得到结论为：石油沥青与煤焦油沥青质量比为4∶1；SBS掺量为共混沥青质量的4%；橡胶粉掺量为共混沥青质量的20%，细度60目；碳纤维掺量为共混沥青体积的6%，长度0.5 mm时，制备的密封材料性能满足国家标准，可用于农村水泥混凝土路面裂缝密封，有效隔绝水分下渗，防止路面出现唧泥、托空、断板等更为严重的病害，提高农村水泥混凝土路面使用寿命。