高速公路施工中废胶粉改性沥青混合料的应用

郝晗森

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

我国交通运输业飞速发展，不同城市和地区的汽车保有量不断增加，随之出现废旧轮胎数量急剧增加的问题。如果大量废旧轮胎集中堆积，将造成严重环境问题。因此，对废旧轮胎进行资源化处理，解决由废旧轮胎造成的环境问题极为必要。现阶段针对废旧轮胎提出了很多处理方法，如热能利用、再生胶和制造胶粉。其中，前两种方法依然会造成不同程度的环境污染，而后者则属于无害化处理，由废旧轮胎制备的胶粉可以用于沥青的改性。采用废旧轮胎制备的胶粉改性而成的沥青主要可用在以下两个方面：其一，在碎石封层及应力吸收层中使用，用于减缓或避免裂缝的反射；其二，直接在沥青混合料的生产拌制中使用，用于上面层等路面结构层的施工。

1 橡胶粉对混合料性能的影响

1.1 改善混合料高温性能

对掺入橡胶粉的混合料进行车辙试验可知，当橡胶粉掺入量不断增加时，混合料在高温条件下抵抗车辙能力显著增强。在70℃的温度条件下进行试验时，对于未掺入橡胶粉的混合料，其动稳定度试验结果为1 468次/mm，而在混合料中按照10%的掺量掺入橡胶粉以后，动稳定度从1 468次/mm增加到2 795次/mm；在混合料中按照20%的掺量掺入橡胶粉以后，动稳定度从2 795次/mm增加至3 407次/mm；继续按照30%的掺量掺入橡胶粉以后，可使动稳定度进一步增加至3 870次/mm。

1.2 改善混合料低温性能

根据低温条件下的弯曲试验结果，当橡胶粉实际掺入量不断增加时，混合料在低温条件下的劲度模量持续减小，但低温条件下的极限弯拉应变却明显增大，说明橡胶粉的掺加可以提高混合料低温性能。通过低温约束试验可知，在混合料中掺入适量橡胶粉，低温条件下的破断温度比未掺入橡胶粉改性沥青混凝土低很多，但破断应力却比未掺入橡胶粉的改性沥青混凝土高，这在很大程度上说明掺加橡胶粉能改善混合料的低温性能。

1.3 改善混合料疲劳性能

通过疲劳试验可知，在混合料中适量掺入橡胶粉后，可起到延长其疲劳寿命的作用。其原理为橡胶粉的掺入会使混合料弹性提高，此时受动态荷载作用后，表现出更强的动态响应，进而延长动态疲劳寿命，防止早期破坏现象的发生。

1.4 影响混合料水稳定性

橡胶粉的掺入对混合料水稳定性造成的影响可分成两个方面，即动态荷载与静态荷载。对于静态荷载，常用试验方法包括残留稳定度试验与冻融劈裂试验。虽然这些试验的加载速率均为快速加载，但相比于动态荷载仍慢很多，可将其归为静态试验范畴。根据试验结果，在混合料中掺入橡胶粉后，随掺量的增加，混合料TSR值明显降低（即冻融劈裂强度比），这说明在混合料中掺入橡胶粉后会使其水稳定性出现一定程度的衰减。为避免这一问题影响橡胶粉在沥青路面施工中的应用，可将矿粉替换为水泥或者是消石灰。

2 原材料要求

2.1 废旧轮胎胶粉改性沥青

对于沥青混合料或应力吸收层，都可采用废旧轮胎胶粉改性沥青，其质量好坏决定了混合料各项性能。废旧轮胎胶粉实际掺量多采用18%[1]。该改性沥青及其加工所用基质沥青各项技术指标的实测结果为：①针入度：基质沥青实测结果为60.0（10-1mm），该改性沥青为34.8（10-1mm）；②15℃温度条件下的延度：基质沥青实测结果为大于150cm；③基于环球法的软化点试验：基质沥青实测结果为48.0℃，该改性沥青为68.9℃；④闪点：基质沥青实测结果为298℃；⑤60℃条件下的动力黏度：基质沥青实测结果为208Pa·s；⑥177℃条件下的旋转黏度：该改性沥青的实测结果为2.525Pa·s；⑦弹性恢复：该改性沥青的实测结果为81%；⑧15℃温度条件下的密度：基质沥青实测结果为1.033g×cm-3，该改性沥青为1.058g×cm-3。上述各项指标均能达到规范要求。

2.2 粗、细集料

试验以石灰岩为主，其各项性能指标如表1所示。

表1 集料性能指标

3 配合比设计

3.1 集料级配

选定原材料之后，混合料各项技术性能将由集料级配决定，采用不同级配可形成结构不同的混合料。通过借鉴现阶段国内外关于该改性沥青混合料的成功应用经验，将集料级配确定如下：19mm方孔筛通过率为100%，16mm方孔筛通过率为99.9%，13.2mm方孔筛通过率为85.4%，9.5mm方孔筛通过率为65.6%，4.75mm方孔筛通过率为27.4%，2.36mm方孔筛通过率为17.2%，0.075mm方孔筛通过率为3.0%。以上设计级配与SMA混合料所用矿料级配相似，骨料间的空隙由胶粉改性沥青和细骨料形成的沥青玛蹄脂填充，以增加沥青用量，提高抗裂性能[2]。

3.2 最佳油石比

配合比设计通过马歇尔击实试验完成，将击实次数确定为双面分别击实75次，将空隙率的设计值确定为5.5%，以0.5%的间隔使油石比发生变化，选取5种沥青用量制备试件，然后以空隙率的设计值为依据，并结合其他现有指标得出最终的油石比，相关试验结果如表2所示。

表2 试验结果

根据以上试验结果，在空隙率设计值为5.5%这一条件下，以7.6%的油石比为宜。

3.3 性能检验

在室内条件下还需完成以下试验，以确定采用该改性沥青拌和而成的混合料的水稳性和高、低温条件下的抗裂性，具体试验结果为：①冻融劈裂残留强度比：实测结果（平均值）为83.9%，相关规范要求不低于80.0%，符合要求；②动稳定度：实测结果（平均值）为2 507次×mm-1，相关规范要求不低于2 800次×mm-1，符合要求；③低温弯曲破坏应变：实测结果（平均值）为3 585με，相关规范要求不低于2 500με，符合要求。

经以上试验验证，采用该改性沥青拌和的混合料，在水稳性及高低温条件下的抗裂性均能达到要求，说明所确定的油石比是合理的，可在施工中使用。

4 施工工艺

4.1 路段概况

以某高速改造路段为例，为避免直接在原路面上进行加铺产生的反射裂缝，并对采用该改性沥青拌和而成的混合料的抗裂能力进行检验，制定了如下三套方案：方案一：胶粉改性AC-13（6cm）+胶粉改性沥青应力吸收层+旧路面（修复）；方案二：胶粉改性AC-13（5cm）+胶粉改性沥青应力吸收层+水稳碎石基层（16cm）+旧路面（碎石化）；方案三：胶粉改性AC-13（4cm）+普通沥青混合料AC-10（3cm）+水稳碎石基层（16cm）+旧路面（碎石化）。其中，方案一主要在原路面状况相对良好的段落中使用，而方案二、三则主要在病害较多的段落中使用。

4.2 工艺方法

4.2.1 应力吸收层

应力吸收层材料以石灰岩碎石为主，由反击式破碎机通过轧制而成，颗粒粒径在9.5～13.2mm范围内。具体工艺方法如下：

（1）由人工对基层表面做全面清扫，将附着的泥浆及浮灰清除干净，使基层表面颗粒尽可能外露。

（2）按照2.4kg/m2的用量洒布胶粉改性沥青，期间需注意纵向衔接和完成洒布的部分要有10cm宽的重叠[3]。完成洒布后，应临时封闭交通，禁止车辆及行人进入。

（3）按照14kg/m2的用量撒布碎石，要求达到满铺，若发现局部缺料，应立即组织人工将其补全。

（4）将碎石撒布完成并检查合格后，采用不小于25t的轮胎式压路机开始碾压，一般需连续碾压3遍[4]。

4.2.2 沥青混合料

4.2.2.1 混合料生产

本次施工的段落工程量不大，可借助QLB-1000型间歇式拌和楼进行混合料生产，其设计产量为1.0t/盘。拌和时先干拌15s、再湿拌30s，总周期不超过60s，按设计产量每小时可生产60t混合料。混合料生产前，需对沥青与集料进行加热，其中，前者需加热至190℃，后者需加热至180℃，使出厂时的混合料温度不低于170℃，以满足摊铺与碾压施工要求[5]。

4.2.2.2 混合料摊铺

混合料的摊铺由2LTLZ45B型摊铺机完成，每次摊铺半幅，开始前先将摊铺机调整至标准工作状态，确保料门开度与送料器速度都能与布料器实际转速达到良好匹配。摊铺时，布料器内料位应始终比布料器自身高度的一半高，同时还要确保熨平板挡板之前的混合料，其料位高度在整个摊铺宽度内达到相同，这样能有效防止离析现象的发生。

4.2.2.3 混合料碾压

碾压是使摊铺后的混合料达到预期强度的关键环节。考虑到此次使用的改性沥青比普通沥青油石比大，施工中除了要保证整体外观质量和压实度，还要防止由于过压产生的泛油。结合以往的成功案例，将本次混合料碾压方案确定如下：初压采用1台XD120型压路机，先静后振1遍，全幅碾压；复压采用1台XD120型压路机进行，连续振压5～6遍，全幅碾压；终压采用1台LT200型压路机进行，静压2遍，全幅碾压。

4.3 现场实测

新路面施工结束后，对其主要技术指标进行检测：①构造深度：现场实测结果为1.2mm，构造深度的最大值和平均值之比约等于1.0；②渗水系数：现场实测结果为74mL/min，在所有测点中，有85%以上的测点实测结果在100mL/min以内；③压实度：现场实测结果为93.6%。从以上现场实测结果可以看出，本次铺筑效果良好。截至目前，该路段已经通车近1年的时间，其间仅发现一条细小裂缝，可见其使用效果很好。

5 橡胶粉沥青混合料应用前景

橡胶粉沥青混合料应用前景主要包括以下方面：

（1）提高重载交通条件下的抗车辙能力。

（2）改善路面防水能力，并提高层间黏结力。

（3）无论是在旧路改造，还是在罩面施工中使用掺入橡胶粉的沥青混合料，都能起到延长路面寿命和减少裂缝的作用。

6 结语

综上所述，将废旧轮胎通过研磨等方法处理制得的胶粉添加到普通沥青中形成改性沥青，除了能改善沥青各项技术性能，还能实现对废弃轮胎的资源化利用，减少占地、处理成本和对环境造成的影响及破坏。通过对采用废旧轮胎胶粉完成改性的沥青混合料科学调试，可以使该改性沥青具有的各项性能得以充分发挥。经过在试验路段中的应用可知，基于废旧轮胎胶粉改性的沥青混合料各项指标可以达到要求；现有的施工条件，如施工机械设备及工艺方法等，均可满足该混合料的大规模使用要求。