丁苯橡膠改性進口瀝青提高低溫抗裂性的應用研究

摘 要：瀝青路面溫縮裂縫現象普遍存在，主要由瀝青的品質所決定。本文用丁苯橡膠對國產瀝青和進口瀝青進行改性，對能否提高瀝青的低溫抗溫縮開裂性能作了一些嘗試。比較室內試驗結果，觀測試驗路鋪筑效果，證實丁苯橡膠改性進口瀝青能有效提高瀝青低溫延伸度，為今后用國產添加劑改善瀝青品質作了有益的探索。
關鍵詞：丁苯橡膠 改性 瀝青 低溫抗裂 研究

隨著高等級公路的快速發展，瀝青作為公路建設主要材料越來越受到重視。南京地區以往公路施工普遍使用煤瀝青、筑路油等，到80年代，采用勝利100＃瀝青較多，至90年代人們進一步認識到瀝青品質對鋪筑的公路有決定性的影響。因此，高等級公路多采用進口重交通AH-70瀝青，瀝青路的質量得到很大提高，但是路面溫縮開裂現象仍然存在。如何使目前已代表先進水平的進口瀝青提高低溫抗裂性，則成為擺在我們面前的重要課題。結合我市高等級公路舊水泥路面的中修，應用80年代末我市在舊水泥路上成功鋪筑改性國產瀝青的經驗，我單位在用丁苯橡膠改性進口瀝青以期減少溫縮裂縫方面作了大膽的嘗試。?
南京地區素有火爐之稱，夏委氣溫較高(路面地表溫度可達50°C～60°C)，冬季寒冷(最低溫度可達-12°C)，四季溫差明顯，日溫差亦很大。因此，在南京地區選擇典型的重交通高等級公路作為試驗路段，觀察試驗路經歷冬季后抗裂性能的改善情況很有代表性，為今后高等級公路的建設、大中修及養護提供實踐經驗。?

1 試驗路段的選擇

國道G328K31+600～K32+500為雙向四車道水泥混凝土路面，路面寬10m，建于1979年，混凝土板塊厚26cm，該路段水泥路前后均為瀝青混凝土路面，使用年限達18年之久，沒有進行過大修和中修，再加上當時施工條件差，施工工藝落后，接縫材料質量差，特別是橫接縫和橫向施工縫較寬，多出現啃邊等情況，為使寧通公路全部變為黑色路面，結合路面中修，確定K31+600～K32+100作為試驗路段。?
1.1 試驗段工程技術情況?
試驗段水泥混凝土板塊尺寸為5m×5m，基層結構為7cm瀝青貫入+35cm石灰土，面層橫縫為鋸縫形式，目前最大縫寬已達5cm，最大錯臺達2cm，水泥縱縫采用企口聯結設置縮縫，水泥混凝土標號為35號。混凝土強度達到250級，彎拉強度達到40kg/cm?2。
1.2 老路病害調查
G328國道為通往蘇北的必經之地，近幾年交通量增長迅速，目前最大交通量已達31358輛/晝夜。
?對G328K31+600～K32+100試驗路段作了周密細致的病害調查，對板塊分別進行了編號登記，注明病害類型和損壞程度，并進行了原始圖片的采集。路面破損情況統計見表1。

單位： 塊路面破損情況統計表 表1

共計：388塊

從改性瀝青的技術性能和簡便可行的改性方法入手，運用新型材料，采取適當的防止反射裂縫的措施，提高瀝青路面抵抗低溫溫縮開裂及防止反射裂縫的能力。

2 丁苯橡膠改性瀝青的原理及依據

2.1 低溫溫縮開裂的原因
瀝青的膠體結構與瀝青路用性能有著密切關系，為工程使用方便通常用針入度指數法來判別，針入度指數是瀝青溫度穩定性的一種指標、針入度指數可根據針入度和軟化點按下式求得：

式中：P(25°C，100g，5s)為25°C、荷載100g、時間5s的針入度，0.1mm；TR&B為環球法軟化點。
按針入度指數瀝青可分為下列三種膠體結構：?
(1)針入度指數P.I＜-2為溶膠型結構；?
(2)針入度指數P.I＝+2～-2為溶-凝膠型結構；?
(3)針入度指數P.I＞+2為凝膠型結構。?
溶膠型瀝青具有較大的感溫性，但高溫穩定性差，易產生車轍。優質的路用瀝青都屬于溶-凝膠型瀝青，具有粘彈性和觸變性。凝膠型瀝青具有較低的溫度感應性，低溫變形能力較差。現代流變學研究認為，汽車交通對路面中瀝青材料所引起的應力是促使瀝青硬化的一個重要因素。在低溫下動態交通振動所產生的機械應力是裂縫產生的主要原因，尤其是基層裂縫和舊混凝土板縫處的受力。?
瀝青在低溫時，隨時間(齡期)的增長，“相對延伸率”減少、“極限硬化率”增加，也會產生應力裂縫。瀝青路面產生溫縮裂縫的其他因素也有，我們從選擇較好的路用基質瀝青和改善瀝青的低溫延度入手，對提高抵抗低溫溫縮開裂性能和防止反射裂縫進行嘗試。
2.2 改性瀝青的技術指標比較
丁苯橡膠是一種性能較好的通用型橡膠，是產量最高的一種合成橡膠品種。其中最多的是含苯乙烯30％以下的低溫丁苯橡膠。它摻入瀝青后形成一種新的力學性狀的共軛結構，改善了基質瀝青的針入度和延伸性。丁苯橡膠改性瀝青可明顯地改善基質瀝青的低溫延伸能力、高溫穩定和蠕變特性以及抗老化能力等路用性能。?

3 試驗室技術指標對比分析

對勝利100＃瀝青和進口重交通瀝青AH-70進行了試驗室改性的試驗，以外摻劑的形式進行改性，摻配丁苯橡膠(指干膠)比例選定為2％配比，瀝青與丁苯膠乳的配比換算為11∶1。試驗數據統計如表2。

國產瀝青、進口瀝青及改性后瀝青技術指標對比 表2

注：①試驗溫度為5°C，拉伸速度為1±0.05cm/min。

通過上述試驗技術指標對比分析，反映瀝青感溫性能最常用的指標是軟化點，在基質瀝青中加入2％的丁苯橡膠后，其軟化點可提高1°C～2°C，軟化點的上升意味著改性瀝青的熱穩定流動度的明顯減少，將影響其混合料的穩定度和蠕變特性。國產瀝青由于資源、生產工藝等因素，進行改性后在低溫延度方面有所提高，但常溫延度有所下降，而進口瀝青由于瀝青品質良好，經改性后低溫延度提高明顯，達到了常溫延度。這樣，根據布朗(Brown)理論，經改性的進口瀝青在低溫時可延緩“相對延伸率”的減少和“極限硬化率”的增加，從而可改善低溫抗溫縮開裂的路用性能。?
丁苯橡膠改性效果不僅取決于摻加數量，更取決于基質瀝青的原有品質和兩者的相溶程度，選擇優質的進口瀝青提高低溫抗溫縮開裂性能是我們的出發點。?

4 改性瀝青混合料的生產及試驗路的鋪筑

從室內試驗結果可以看出，進口重交通AH-70瀝青可改善低溫抗裂路面性能。試驗技術資料表明，改性瀝青混合料從試驗室走向實踐切實可行。因此，結合寧通一級公路舊水泥路面中修，在K32+600～K32+100路段進行了丁苯橡膠改性進口AH-70瀝青試驗路的鋪筑。試驗路鋪筑前按AC-16Ⅰ型瀝青混凝土路面結構形式進行了完整的配合比設計，丁苯橡膠添加設備安裝在英國ParkerM356型拌和機的拌缸上，混合料生產時嚴格按設計摻配丁苯膠乳，混合料出廠溫度控制在140°C～160°C，試驗路混合料采用德國ABG-423型攤鋪機攤鋪，嚴格控制攤鋪溫度、初壓、復壓、終壓溫度，按瀝青路面施工技術規范要求進行鋪筑和壓實。?
為更有效地防止反射裂縫，在舊混凝土路面的縱橫接縫處分別鋪設了土工布和防水油氈，比較和觀測延緩反射裂縫的效果。試驗技術資料匯總如表3。

試驗技術資料匯總表 表3

瀝青混凝土的質量從高溫穩定、低溫抗裂和耐久性進行評價，馬歇爾穩定度試驗是衡量瀝青混合料高溫穩定性能的主要手段，從改性瀝青混合料的穩定度和流值來看無明顯差異，但從殘留穩定度來分析，改性瀝青混合料具有良好的水穩性，保障了抗溫縮開裂性能的提高，同時改性瀝青混合料穩定度的峰值保持長久，流值即使增大但穩定度并未下降，預示其抗高溫變形能力也較優。?

5 試驗路冬季檢測和觀測

1998年初，對試驗路的反射裂縫和溫縮開裂情況進行了觀察和路面路用性能指標的測定。
5.1 現有路面參數測定和比較?
(1)行駛性指標路面平整度的測定。路面平整度采用激光平整度檢測車進行檢測，經過P處理后得到每百米的國際平整度指數IRI，行車道上行平均值為1.65，下行平均值為1.93。?
(2)承載能力貝克曼梁彎沉的測定。采用5.4m貝克曼梁黃河車檢測，計算彎沉Lr＝5(10-2mm)。?
(3)抗滑性能指標摩擦系數和構造深度的測定。摩擦系數選在31K+800處，摩擦系數路段平均BPN＝42，相應的路面構造深度檢測路段TD＝39.5。從測試指標看路用性能平整度、摩擦系數、構造深度等均能滿足一級公路的需要。?
5.2 試驗路溫縮裂縫的觀測
鋪筑的試驗路是在18年前施工工藝落后的水泥混凝土板塊上加鋪丁苯橡膠改性瀝青混合料，原板塊縱橫接縫縫寬平均2cm，最大縫寬5cm，至冬季試驗路觀測時，原板塊縫寬均增加了2cm左右。由于采用了低溫抗裂性能較好的改性進口瀝青，并在舊水泥路面的縱橫接縫和結構性損壞縱橫裂縫處鋪設了新型土工布和防水油氈，因此瀝青面層的防反射裂縫取得了一定的效果。尤其是縱向接縫處瀝青面層基本未出現反射裂縫，只是水泥板塊的橫接縫處由于原接縫縫寬過大，板塊的溫度應力、重荷載的反復沖擊等使加鋪后的瀝青混凝土也相應產生反射裂縫，但反射裂縫縫寬較小。總的來說除在水泥混凝土板塊橫接縫處有較輕的反射裂縫外，縱縫處基本無反射裂縫，改性瀝青混合料低溫抗溫縮開裂性能較好，未出現溫縮裂縫(1998年南京市冬季最低氣溫-8°C)。?

6 結束語

改性瀝青雖有效果，但并非萬能，一定要明確改性的目的，有針對性的選擇改性劑，選擇好基質瀝青品種和標號，尤其對提高抗裂性能的效果還有待進一步研究。本次試驗路的鋪筑目的是采用不同的新材料、新工藝結合改性瀝青探求舊水泥路面中修的成功之路，而本文僅側重于用丁苯橡膠改性進口瀝青對提高路面低溫抗裂性進行一定的研究和嘗試，取得了一定的成績，我們將對試驗路進行長期的觀察和進一步的研究，以期在瀝青低溫抗溫縮開裂方面的研究有所深入和發展。