橡胶颗粒冷补沥青混合料的制备与路用性能分析

时间：2024-07-28

甘伟，李家龙

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067; 2.重庆奉建高速公路有限公司，重庆 404600)

近年来，随着科技的进步和经济的发展，我国的交通基础建设经历了跨越式发展，随之而来的沥青路面早期病害如坑槽、裂缝、松散等给公路养护行业带来了前所未有的挑战。坑槽作为早期路面病害之一，其形成迅速、蔓延速度快，而冷补沥青混合料作为坑槽修补的一种方法，因其施工简便、不受气候影响等优点，得到了越来越广泛的应用。

目前，国内外专家学者对冷补沥青混合料进行了大量研究。Biswas S等[1]将基质沥青、增塑剂、改性剂等混合制得冷补液，并用开级配的碱性集料混合成冷补沥青混合料，可避免铺洒粘层油，且具有较强的保质期；Shin O C等[2]研制了常温型和低温型2种冷补沥青混合料，可在恶劣环境下施工；Ferrotti G等[3]对2种冷补沥青混合料施工后的残存率进行了跟踪观测，表明其残存率为普通冷补沥青混合料的3倍；李峰等[4-6]在配制若干种冷补料的前提下，提出了新的评价指标和体系，在北京干线道路验证了其具有很强的实用性；李加等[7-9]研究表明，集料的级配、粉胶比、纤维添加量对冷补沥青混合料的性能均有较大影响，通过分析试验数据，得出了最优级配、粉胶比及纤维添加量；谭忆秋等[10]研制了针对冰冻地区的抗冻型冷补沥青混合料，并得出了材料的最优配合比；马全红等[11]利用多种矿物粘土和生物重油研发了新型冷补沥青混合料，并经试验验证了其性能优良；张争奇等[12-13]提出了溶剂型冷补沥青混合料，并指出其具有良好的路用性能；程谞等[14]分析了特殊路段沥青路面抗滑性能修复技术；陈淼荥[15]分析了水性环氧树脂改性乳化沥青的粘附性能。但目前橡胶颗粒冷补混合料的研制与性能分析却鲜有报道。为此，本文对橡胶颗粒冷补沥青混合料的制备及路用性能进行了研究。

1 试验材料

1.1 原材料

1)基质沥青

制备橡胶颗粒冷补沥青混合料的基质沥青，采用购自山东某公司产的90#道路沥青，参考JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[16]及JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]对基质沥青的基本性能进行了测试，结果见表1。

表1 沥青基本性能指标

2)集料

试验集料为石灰岩和花岗岩，级配类型采用目前我国公路建设使用最多的AC-13密级配，其级配曲线如图1所示。

图1 AC-13密级配曲线

3)橡胶颗粒

试验所采用的橡胶颗粒从废弃轮胎中获取，如图2所示，经测定其弹性恢复性好、硬度大，且细长扁平颗粒含量远小于10%，其指标检测结果见表2。

图2 橡胶颗粒照片

表2 橡胶颗粒性能检测结果

4)冷补液改良剂

冷补液的改良剂采用渗透率较低，但可显著增强冷补液与集料粘附性的乙烯基玻璃鳞片胶泥，粘度高、吸附性强的EC-1高性能界面处理剂以及增塑效率高的ATBC增塑剂等，为简明表述这3个改良剂，分别用A、B、C表示(下同)，可以显著增强冷补液的性能。

1.2 冷补液制备

试验冷补液的制备，采用90%的基质沥青，2%的阻聚剂，其余为改良剂。将基质沥青加热到150 ℃～160 ℃后，加入2%的阻聚剂，将改良剂按照比例加入后采用高速沥青剪切仪剪切30 min，然后在150 ℃恒温箱中养生1 h后备用。

2 试验设计及方法

2.1 材料配比最优化

1)冷补液改良剂的最优配合比确定

为得到冷补液改良剂的最优配合比，设定了冷补液改良剂A∶B∶C分别为2∶2∶4、1.5∶3.5∶3、2.5∶2∶3.5三个配合比。按上述冷补液制备方法制备，将水煮法测定冷补液与集料的粘附性以及橡胶颗粒冷补沥青混合料的水稳定性作为评价指标。每种配合比进行2组试验，试验数值取均值。

2)最佳橡胶颗粒掺量确定

为确定橡胶颗粒沥青冷补混合料最佳橡胶颗粒掺量，设定了4种橡胶颗粒掺加量分别为0%、2%、4%、6%，并模拟了橡胶颗粒冷补沥青混合料对沥青路面坑槽的修补。步骤如下：(1)利用轮碾机制得车辙板试件；(2)将车辙板放入烘箱中90 ℃恒温软化1 h；(3)利用工具在车辙板中间部位挖出10 cm×10 cm的坑槽，将拌制完成的橡胶颗粒冷补沥青混合料填入坑槽，在轮碾机上碾压至平整；(4)随后放至车辙试验仪上进行轴载为780 N的车辙试验，测得1 h后的竖向变形量；(5)对相同试件进行急速磨耗试验，确定不同次数下摆值(BPN)的衰变速率，用以确定橡胶颗粒的最佳添加量。

2.2 橡胶颗粒冷补沥青混合料的性能影响分析

1)不同坑槽尺寸下的竖向变形量

为探明坑槽尺寸对橡胶颗粒冷补沥青混合料性能的影响，按2.1节中的制样方法制得车辙板试件后，分别选取 15 cm×6 cm×4 cm、15 cm×10 cm×4 cm、15 cm×14 cm×4 cm三种尺寸的坑槽，测定采用橡胶颗粒冷补沥青混合料修补坑槽的竖向变形量。

2)不同温度下的竖向变形量

经2.1节分析，最优坑槽尺寸为15 cm×10 cm×4 cm，为了分析温度对橡胶颗粒冷补沥青混合料性能的影响，采用最优坑槽尺寸且试验温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃进行车辙试验，测得其竖向变形量。

3 试验结果分析

3.1 最优配合比

1)冷补液裹覆率

选用冷补液改良剂A∶B∶C为2∶2∶4、1.5∶3.5∶3、2.5∶2∶3.5三个配合比按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[16]规定测定了不同改良剂配合比的冷补液裹覆率，试验结果见表3。

表3 不同改良剂配合比掺量的冷补液裹覆率 %

由表3可见，改良剂A∶B∶C为1.5∶3.5∶3具有更高的冷补液裹覆率，平均值为96%，较其他组改良剂高，因此，确定改良剂的最佳配合比A∶B∶C为 1.5∶3.5∶3。

2)不同橡胶颗粒掺量的竖向变形量

选取 0%、2%、4%、6%四种掺量的橡胶颗粒制备橡胶颗粒冷补沥青混合料，并模拟修补坑槽，且进行车辙试验，结果如图3所示。

图3 不同橡胶颗粒掺加量的混合料试件竖向变形量

由图3可见，不同橡胶颗粒掺量，试件竖向变形趋势有一定的相似性。当加载 1 h时，试件竖向变形量都较小，但添加了橡胶颗粒试件的竖向变形量都比未掺加的更小，说明添加橡胶颗粒可减小混合料竖向变形，且当其添加量为4%时，变形量最小，因此可确定橡胶颗粒的最优掺加量为4%。

3)不同橡胶颗粒掺量下抗滑性能衰变规律

4种掺量下冷补沥青混合料抗滑性能衰变如图4所示。

图4 不同橡胶颗粒掺量下的混合料试件摆值衰变曲线

图4表明，4种掺量下摆值衰变特点为先快后慢，最后趋于稳定，且4%掺量的橡胶颗粒混合料摆值保有量最大。这是因为一定比例的橡胶颗粒替代部分细集料，使得混合料抗滑性能衰减程度减缓，也说明了橡胶颗粒的添加可提升冷补沥青混合料的耐久性，且橡胶颗粒掺量为4%时，其效果最佳。

3.2 橡胶颗粒冷补沥青混合料路用性能分析

1)高温稳定性

(1)坑槽尺寸的影响

选取 15 cm×6 cm×5 cm、15 cm×10 cm×5 cm、15 cm×14 cm×5 cm三种尺寸的坑槽进行车辙试验，初步设定试验温度为20 ℃，加载时间为1 h，取坑槽宽度为尺寸影响因素，试验结果如图5所示。

图5 不同坑槽尺寸下混合料试件竖向变形量

由图5可知，在加载初期，竖向变形增长较快，坑槽宽度为14 cm时，在加载1 h后其竖向变形量达7.86 mm，但未趋于稳定；坑槽宽度为10 cm时，在加载中后期竖向变形量趋于稳定；坑槽宽度为6 cm时，加载15 min后竖向变形量趋于稳定。说明在相同轴载和温度下，竖向变形量随试件坑槽尺寸的增大而逐渐增大，且随加载时间的延长和试件坑槽尺寸的加大而加快。

(2)温度的影响

选取冷补液改良剂配合比A∶B∶C为1.5∶3.5∶3进行车辙试验，橡胶颗粒掺量为4%，坑槽尺寸为 15 cm×6 cm×5 cm，设定试验温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃，试验结果如图6所示。

图6 不同温度下冷补沥青混合料竖向变形量

图6表明，随着试验温度的升高，竖向变形量逐渐增大，究其原因一是温度升高致使冷补液改良剂挥发，二是温度升高冷补液变软导致竖向变形过大。其中30 ℃温度条件下车辙板竖向最大变形量为1.93 mm。可见，橡胶颗粒冷补沥青混合料具有较好的温度稳定性。

2)水稳定性

目前，评价沥青混合料水稳定性的方法有很多，本文参考JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]，采用马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比来评价冷补沥青混合料的水温定性，试验结果见表4。

由表4可知，冷补沥青混合料混合料残留稳定度和劈裂强度比均满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]中大于80%的要求，且具有良好的水稳定性。

表4 冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验结果

3)低温抗裂性

本文参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]中T0715“沥青混合料的弯曲试验方法”，测定冷补沥青混合料的低温抗裂性，试验结果见表5。

表5 冷补沥青混合料低温性能试验结果

由表5可知，沥青混合料弯拉破坏应变值在掺量为4%时最大，为3 604 με，满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[16]中大于2 500 με的技术要求，说明该沥青混合料具有良好的低温抗裂性。