高性能成品湿法橡胶在钢桥面铺装中适用性研究

2020-10-31陈志祥

四川建材 2020年10期

陈志祥

(海南省路桥投资建设有限公司，海南三亚 570100)

0 前言

橡胶沥青(Asphalt Rubber)是一种减少废旧轮胎“黑色污染”的有效办法。它主要是通过一定的生产工艺将由废旧轮胎制备的橡胶粉加入沥青当中，形成一种以橡胶粉为改性剂的改性沥青，可广泛应用于沥青混合料、应力吸收层等。钢桥面铺装不同于一般公路沥青混凝土路面，它直接铺设在钢桥面板上，由于钢桥面板柔度大，在行车荷载与温度变化、风载、地震等自然因素共同影响下，其受力和变形较公路路面或机场道面以及其他桥型结构铺装复杂得多[1-4]。特别是在重型车辆荷载作用下，钢桥面板局部变形更大，各纵向加劲肋纵隔板、横肋(或横隔板)与桥面板焊接处出现明显的应力集中，这导致铺装层受力非常复杂，局部应变较大。本文将根据钢桥面铺装的特点，通过试验研究高性能成品湿法橡胶沥青混合料在钢桥面铺装中的适用性，旨在为后续相关研究作参考。

1 常用钢桥面结构

目前世界上钢桥面铺装使用效果较好的有四类：双层改性SMA，浇筑式沥青混凝土(GA10)+高弹SMA，双层环氧沥青混凝土，树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术(ERS)。双层改性SMA具有良好的高温抗车辙性能抗滑性，但铺装整体性、抗裂性能和防水性能较差；浇筑式+SMA结构密水性好、随从变形能力好、整体性强，但其高温稳定性差，与重载交通适应性不佳；双层环氧沥青混凝土结构合性能比较优良，车辙动稳定度较高，但是成本较高，对施工环境要求非常苛刻，通常都会有施工缺陷，会造成早期病害的产生。ERS铺装结构为组合式结构，能充分发挥各层材料特点，施工简便，建设和养护费用低，但是目前工程运用较少。

2 高性能成品湿法橡胶沥青混合料与钢桥面铺装适用性

目前常用钢桥面铺装结构多采用SBS 改性沥青SMA混合料，SBS改性沥青SMA混合料具有优异的综合路用性能，用于高速公路路面、水泥混凝土桥面铺装可取得良好的使用效果，但在钢桥面铺装中效果一般，因为在钢桥面铺装中对沥青混合料需具有良好的层间结合力和抗变形能力，而SBS改性沥青SMA混合料的层间粘结性能和变形随从性不佳，易造成钢桥面铺装的层间剪切破坏和开裂。

为改善SMA混合料的层间粘结性能和抗变形能力，目前SMA中沥青胶结料中多采用高粘沥青和高弹改性沥青，取得了一定的效果。本文通过在基质沥青中加入SBS、橡胶粉、稳定剂等制备了具有高粘弹特性的高性能成品湿法橡胶沥青用于SMA中，在保持和提高混合料路用性能的基础上，改善混合料的抗变形能力和层间粘结性能。高性能成品湿法橡胶沥青的性能如表1所示。

表1 高性能成品湿法橡胶沥青性能测试结果

根据表1性能测试结果，高性能成品湿法橡胶沥青25℃弹性恢复达到93%，根据已有研究和文献调研，参照T0662 试验方法测定的25℃橡胶沥青和SBS 改性沥青及其他改性沥青的弹性恢复区分度很小，弹性恢复值几乎都能够达到90%以上，因此，25℃弹性恢复已不能全面表征和区分不同改性沥青的恢复性能，基于此，笔者参照改性沥青弹性恢复相关性能评价方法，研究了低温弹性恢复和极限弹性恢复等试验方法下高性能成品湿法橡胶沥青和其他改性沥青的弹性恢复性能。

1)低温弹性恢复试验。不同的改性沥青在低温条件下的性质不同，对温度的敏感性不同，随着温度的降低，改性沥青的各项粘弹性指标均发生变化，由流动体转变为橡胶体最终转变为玻璃体状态。根据改性沥青的这种变化特性，本课题调整标准弹性恢复试验的试验温度，分别测试改性沥青5℃、15℃的弹性恢复值，区分对比不同种类改性沥青的低温恢复能力。测试结果如图1所示。

从图1试验结果可看出，高性能成品湿法橡胶沥青在5℃、15℃、25℃弹性恢复值分别为72%、86%、93%，SBS改性沥青在5℃、15℃、25℃弹性恢复值分别为41%、62%、78%，TPS改性沥青在5℃、15℃、25℃弹性恢复值分别为53%、78%、86%，在相同温度条件下，三种沥青弹性恢复能力排序为高性能成品湿法橡胶沥青>TPS改性沥青>SBS改性沥青，可见高性能成品湿法橡胶沥青弹性恢复能力最强；此外，随着温度的升高，三种沥青弹性恢复能力增强，且高性能成品湿法橡胶沥青弹性恢复随温度增加变化幅度相对较小，这说明了沥青在温度较高状态下有着较好的延展性，而高性能成品湿法橡胶沥青显然温度稳定性更强，同时也侧面反映了沥青在低温条件下容易产生开裂。

图1 低温弹性恢复试验结果

2)极限弹性恢复试验。不同的改性沥青的恢复速率是不同的，以传统的弹性恢复方法拉伸至固定长度(100 mm)后剪断，会导致延度较低的沥青处于“紧绷”的状态，而延度值较大的沥青则处于“松弛”的状态。为避免恢复速率受沥青内部应力水平的影响，极限弹性恢复试验的拉伸长度为此种沥青的延度值乘以0.8，并在剪断沥青后，立即开始计时，记录恢复过程中相应时间的恢复值，比较不同改性沥青的恢复速率。记录方式为：剪断后立刻记录恢复开始30 s 的弹性恢复数据，此后记录频率为前10 min，每1 min 记录一次；10 min后，10 min 记录一次，60 min 终止试验。图2为不同改性沥青极限弹性恢复值和时间的关系曲线。

图2 不同改性沥青极限弹性恢复值和时间的关系曲线

为便于分析沥青弹性恢复性能，笔者将改性沥青在恢复30 s 的弹性恢复值称为瞬时恢复值，将20 s 至50 min 的弹性恢复值称为极限弹性恢复值。根据试验结果可得，三种改性沥青的极限弹性恢复值大小顺序为：高性能成品湿法橡胶沥青>TPS 改性沥青>SBS 改性沥青，这与低温弹性恢复试验研究的结果一致。瞬时恢复值和极限弹性恢复值的大小排序一致，两项指标具有很好的相关性，这可说明在特定的条件下瞬时恢复至在一定程度上决定了极限弹性恢复值。在三种不同改性沥青中，高性能成品湿法橡胶沥青的极限弹性恢复能力最优，可见其具有突出的弹性变形能力。

根据上述分析，高性能成品湿法橡胶沥青具有优异的高粘和高弹性能，若用于SMA 级配将不仅获得路用性能优良的混合料，而且与钢桥面铺装具有良好的适用性。基于钢桥面铺装要求和成品湿法橡胶沥青特点，提出适合钢桥面铺装的高性能成品湿法橡胶沥青的技术要求如表2所示。