废胶粉/APAO 复合改性沥青在沥青路面中的应用

刘 欢

（中铁十九局集团有限公司， 北京 100176）

沥青路面是城市化进程和交通需求增长中最常见的道路材料之一。 然而， 传统的沥青材料在极端环境条件下存在诸多问题， 如龟裂、 变形和老化等， 严重影响了路面的寿命和安全［1］。 为了提高沥青路面的性能和耐久性， 研究者一直在探索新的改性技术和材料。 近年来， 废胶粉和APAO 作为新型改性材料备受关注， 废胶粉是废旧轮胎等橡胶制品经过处理得到的粉末状物质，APAO 是一种具有良好热稳定性和柔韧性的聚α-烯烃［2，3］。 将废胶粉和APAO 与沥青复合改性， 能够充分利用废胶资源， 改善沥青的物理性能和抗老化性能， 延长沥青路面的使用寿命［4］。因此， 本文对废胶粉/APAO 复合改性沥青进一步研究和探索。 对于促进沥青路面的可持续发展和提高路面性能具有参考价值， 为降低维护成本、延长路面寿命、 提升交通安全和舒适性提供新的途径。

1 工程概况

某道路工程K190+683.88-K194+008.375 段，双向四车道， 路面宽26m， 设计车速80km/h，该道路已投入使用20 年， 期间进行两次预防性养护， 虽然部分道路仍保持良好的使用性能， 但局部路段病害破坏较重。 在对沥青路面进行综合性能检测后， 采用温拌再生沥青混合料进行路面整修， 沥青选择为高性能高黏性改性沥青， 路面设计结构如表1 所示。

表1 路面设计结构

2 原材料

2.1 70#号基质沥青

采用70# 号基质沥青， 依据 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 （JTG E20-2011）， 对所选沥青进行技术指标检测， 试验结果如表2 所示， 结果表明所选沥青满足施工规范。

表2 70# 号沥青性能指标

2.2 集料

为提高沥青混合料的力学和磨耗性能， 决定以石灰岩为基础掺加玄武岩， 使其作为沥青混合料集料， 通过 《公路工程集料试验规程》 （JTG E42-2005） 试验规范， 对石灰岩和玄武岩进行性能检测， 检测结果如表3 所示， 检测结果满足技术要求。

表3 粗集料质量检测

2.3 细集料

选用的细集料为0-4mm 的石灰岩， 根据《公路沥青路面施工技术规范》 （JTG F40-2004）对其进行检测， 试验结果如表4 所示， 检测结果满足技术要求。

表4 细集料技术指标

2.4 APAO

APAO 为一种热塑性改性剂， 其技术指标如表5 所示。

表5 APAO 技术指标

3 路用性能检测

3.1 沥青混合料配合比设计

根据已有研究， 本文复合改性沥青设计分别为10%废胶粉+4%APAO、 10%废胶粉+6APAO，以及单独的废胶粉改性沥青、 APAO 改性沥青和基质沥青， 在级配设计时， 考虑路面环境决定采用OGFC-13 级配， 通过马歇尔试验确定其级配如表6 所示， 同时进行沥青混合料肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验， 确定其最佳沥青用量如表7 所示。

表6 OGFC-13 级配类型设计表

表7 不同沥青混合料最佳油石比

3.2 高温性能检测

采用车辙试验对10%废胶粉+4%APAO 复合沥青混合料、 10%废胶粉+6%APAO 复合沥青混合料、 废胶粉改性沥青混合料、 APAO 改性沥青混合料、 基质沥青混合料进行高温性能检测。 试验结果如表8 及图1 所示。

图1 车辙试验结果图

表8 车辙试验结果

由上述试验结果可知， 基质沥青混合料动稳定度为1010 次/mm、 废胶粉沥青混合料动稳定度为1980 次/mm、 APAO 沥青混合料动稳定度为2885 次/mm、 10%废胶粉+4%APAO 复合沥青混合料动稳定度为3945 次/mm、 10%废胶粉+6%APAO 复合沥青混合料动稳定度为3710 次/mm。可看出只有两种复合改性沥青混合料满足施工规范 （动稳定度≥3500 次/mm）， 与基质沥青混合料相比， 四种改性沥青混合料动稳定度均高于其动稳定度， 其中10%废胶粉+4%APAO 复合沥青混合料动稳定度最大， 说明其高温性能均大于其他沥青混合。

3.3 低温抗裂性能

本研究制作尺寸为250mm×30mm×35mm 的棱柱体小梁， 置于恒温-10℃的环境中保温至少4小时， 并进行小梁的弯曲试验， 以极限拉应力作为低温性能的评价指标。 同时， 研究不同沥青混合料类型对小梁低温性能的影响。 通过实验结果， 为混凝土结构的低温设计和施工提供指导和参考。 试验结果如表9 及图2 所示。

图2 小梁弯曲试验图

表9 小梁弯曲试验结果

式中： σt为极限拉应力， Mpa；P为试件峰值荷载， N；W为试件厚度， mm； D 为试件直径， mm； ε 为限拉应变， 无量纲；L为支座跨距， mm； d 为试件底部中心挠度， mm。

本实验中W=30.0mm； D=101.6mm； L=80mm。

弯曲破坏应变的大小排序为： APAO>废胶粉>废胶粉+废胶粉4%APAO>废胶粉+6%APAO>70#。 这表明， 所有改性沥青的弯曲破坏应变值均高于70# 基质沥青。 其中， TPS 的Bε 值（3.38×10-3） 是所有排水沥青混合料中最大的，并且与废胶粉的Bε 值 （3.31×10-3） 非常接近。随着APAO 掺量的增加， 废胶粉/APAO 排水沥青混合料的Bε 值逐渐减小。 相对于废胶粉， 废胶粉+4%APAO 和废胶粉+6%APAO 的Bε 值分别减小了9.4%和18.2%。 结果说明， 与70# 基质沥青相比， 改性沥青提高了排水沥青混合料在低温下的允许变形量。 然而， APAO 的掺入降低了废胶粉/APAO 排水沥青混合料在低温下的变形能力。 与APAO 和废胶粉排水沥青混合料相比， 废胶粉/APAO 排水沥青混合料在低温下的变形能力较弱。 改性沥青相对于基质沥青提高了排水沥青混合料在低温下的允许变形量； 综上可得出APAO 的掺入降低了废胶粉/APAO 排水沥青混合料在低温下的变形能力； 废胶粉/APAO 排水沥青混合料的低温变形能力较TPS 和废胶粉排水沥青混合料较弱。

3.4 水稳定性

采用马歇尔试验方法成型HMA 的试件， 试验根据 《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011） 中的试验方法 “沥青混合料马歇尔稳定度试验” 和 “沥青混合料冻融劈裂试验” 测试5 种沥青混合料残留稳定度 （MS0） 和劈裂强度比 （TSR）， 以残留稳定度评价其水稳定性能。 试验结果如表10、 图3 所示。

图3 浸水马歇尔试验结果

表10 浸水马歇尔试验结果表

根据表10 和图3 可知， 改性沥青的残留稳定度均高于70# 基质沥青， 这表明改性沥青提高了排水沥青混合料的水稳定性。 随着APAO 掺量的增加， 废胶粉/APAO 排水沥青混合料的IRS 逐渐增大， 但增加的效果不明显。 然而， 废胶粉+6%APAO 的IRS 是所有排水沥青混合料中最高的， 这说明掺加APAO 提高了废胶粉/APAO 排水沥青混合料的水稳定性能， 而废胶粉+6%APAO 的水稳定性是所有排水沥青混合料中最好的。 综上所述， 通过实验结果可以得出以下结论： 改性沥青提高了排水沥青混合料的水稳定性； APAO 的掺入提高了废胶粉/APAO 排水沥青混合料的抗水损性能； 废胶粉/APAO 排水沥青混合料的水稳定性优于APAO 沥青混合料。

4 结语

为研究废胶粉/APAO 沥青混合料路用性能的效果， 本文对基质沥青及不同改性沥青混合进行室内试验， 得出以下结论：

（1） 车辙试验结果表明， 随着APAO 掺量增加， 废胶粉+APAO 沥青混合料动稳定度增加，可提高路面高温性能。

（2） 小梁弯曲试验结果表明， 随着APAO 掺量增加， 废胶粉/APAO 沥青混合料在低温下更硬、 更脆， 降低了其低温抗裂性能。

（3） 浸水马歇尔试验结果表明， 随着APAO掺量的增加， 废胶粉/APAO 排水混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比逐渐增大。 这一结果表明， 复合改性沥青混合料对混合料路用性能提升效果更显著。

综上所述， 可得出当废胶粉掺量为10%、APAO 掺量为6%时为最佳配比， 此时复合改性沥青混合料路用性能最佳， 可用于道路建设之中。