丁苯橡胶改性进口沥青提高低温抗裂性

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随着高等级公路的快速发展，沥青作为公路建设主要材料越来越受到重视。南京地区以往公路施工普遍使用煤沥青、筑路油等，到80年代，采用胜利100＃沥青较多，至90年代人们进一步认识到沥青品质对铺筑的公路有决定性的影响。因此，高等级公路多采用进口重交通AH-70沥青，沥青路的质量得到很大提高，但是路面温缩开裂现象仍然存在。如何使目前已代表先进水平的进口沥青提高低温抗裂性，则成为摆在我们面前的重要课题。结合我市高等级公路旧水泥路面的中修，应用80年代末我市在旧水泥路上成功铺筑改性国产沥青的经验，我单位在用丁苯橡胶改性进口沥青以期减少温缩裂缝方面作了大胆的尝试。?
0 b* }, o$ N+ x4 j# N1 b7 x    南京地区素有火炉之称，夏委气温较高(路面地表温度可达50°C～60°C)，冬季寒冷(最低温度可达-12°C)，四季温差明显，日温差亦很大。因此，在南京地区选择典型的重交通高等级公路作为试验路段，观察试验路经历冬季后抗裂性能的改善情况很有代表性，为今后高等级公路的建设、大中修及养护提供实践经验。?
8 b7 {3 b0 a6 e7 o/ K1 b3 t1  试验路段的选择
    国道G328K31+600～K32+500为双向四车道水泥混凝土路面，路面宽10m，建于1979年，混凝土板块厚26cm，该路段水泥路前后均为沥青混凝土路面，使用年限达18年之久，没有进行过大修和中修，再加上当时施工条件差，施工工艺落后，接缝材料质量差，特别是横接缝和横向施工缝较宽，多出现啃边等情况，为使宁通公路全部变为黑色路面，结合路面中修，确定K31+600～K32+100作为试验路段。?
- D5 R# R3 P4 R, K( \: r# n8 S$ O1.1  试验段工程技术情况?
    试验段水泥混凝土板块尺寸为5m×5m，基层结构为7cm沥青贯入+35cm石灰土，面层横缝为锯缝形式，目前最大缝宽已达5cm，最大错台达2cm，水泥纵缝采用企口联结设置缩缝，水泥混凝土标号为35号。混凝土强度达到250级，弯拉强度达到40kg/cm?2。
! }. {1 f6 _0 e9 ]: q6 I1.2  老路病害调查
" H5 a4 S! f2 \7 q    G328国道为通往苏北的必经之地，近几年交通量增长迅速，目前最大交通量已达31358辆/昼夜。
9 A- X7 l4 |* ]: e2 W5 q( m  ?对G328K31+600～K32+100试验路段作了周密细致的病害调查，对板块分别进行了编号登记，注明病害类型和损坏程度，并进行了原始图片的采集。路面破损情况统计见表1。
# y/ O8 c6 i: F+ K+ j; k单位：        块路面破损情况统计表        表1
病害名称        病  害  程  度        破损率(％)
        轻微        较重        严重        
* r/ R3 e+ `/ v  e1 U麻面、坑槽        15        2        2        4.9
错台        2        1        　        0.8
# e( c8 _4 M; s7 B5 [断裂        17        10        41        17.5
: t) V# n, U) W' A$ V  G# f" r                共计：388块
# C, N+ A0 H6 w$ q  n3 W& g& E    从改性沥青的技术性能和简便可行的改性方法入手，运用新型材料，采取适当的防止反射裂缝的措施，提高沥青路面抵抗低温温缩开裂及防止反射裂缝的能力。
2  丁苯橡胶改性沥青的原理及依据
2.1  低温温缩开裂的原因
8 X& z  [% S0 b& P* P" P. Y& q( d    沥青的胶体结构与沥青路用性能有着密切关系，为工程使用方便通常用针入度指数法来判别，针入度指数是沥青温度稳定性的一种指标、针入度指数可根据针入度和软化点按下式求得：
7 ^( U; n  ^4 M3 U6 p9 g
式中：P(25°C，100g，5s)为25°C、荷载100g、时间5s的针入度，0.1mm；TR&B为环球法软化点。
; t9 j1 H3 O0 H2 S) ]9 V    按针入度指数沥青可分为下列三种胶体结构：?
    (1)针入度指数P.I＜-2为溶胶型结构；?
4 @6 b3 m) s, s7 i    (2)针入度指数P.I＝+2～-2为溶-凝胶型结构；?
, p; d7 B2 b, ]+ w9 E    (3)针入度指数P.I＞+2为凝胶型结构。?
    溶胶型沥青具有较大的感温性，但高温稳定性差，易产生车辙。优质的路用沥青都属于溶-凝胶型沥青，具有粘弹性和触变性。凝胶型沥青具有较低的温度感应性，低温变形能力较差。现代流变学研究认为，汽车交通对路面中沥青材料所引起的应力是促使沥青硬化的一个重要因素。在低温下动态交通振动所产生的机械应力是裂缝产生的主要原因，尤其是基层裂缝和旧混凝土板缝处的受力。?
( @1 H2 K# _9 g0 o    沥青在低温时，随时间(龄期)的增长，“相对延伸率”减少、“极限硬化率”增加，也会产生应力裂缝。沥青路面产生温缩裂缝的其他因素也有，我们从选择较好的路用基质沥青和改善沥青的低温延度入手，对提高抵抗低温温缩开裂性能和防止反射裂缝进行尝试。
6 c/ m3 Q5 q+ F% S5 O; W2.2  改性沥青的技术指标比较
    丁苯橡胶是一种性能较好的通用型橡胶，是产量最高的一种合成橡胶品种。其中最多的是含苯乙烯30％以下的低温丁苯橡胶。它掺入沥青后形成一种新的力学性状的共轭结构，改善了基质沥青的针入度和延伸性。丁苯橡胶改性沥青可明显地改善基质沥青的低温延伸能力、高温稳定和蠕变特性以及抗老化能力等路用性能。?
3  试验室技术指标对比分析
3 ~+ Z% M0 j# m    对胜利100＃沥青和进口重交通沥青AH-70进行了试验室改性的试验，以外掺剂的形式进行改性，掺配丁苯橡胶(指干胶)比例选定为2％配比，沥青与丁苯胶乳的配比换算为11∶1。试验数据统计如表2。
, [6 [/ y5 S4 N+ }3 v6 Q, O$ I国产沥青、进口沥青及改性后沥青技术指标对比         表2
指标
沥青        针入度
(0.1mm)        软化点
0 S4 e+ _- a% g% o* w; H8 L(°C)        延伸度
(cm)        低温延伸度①
( i3 s2 w+ c, n) [+ i% R(cm)
胜利100＃        110        47        90        0
( k  S8 k4 g* `) @8 K/ T进口AH-70        69        48        170        13
4 E5 O8 I& ~5 ^( J$ _6 L- r改性胜利100＃        120        48        70        100
改性进口AH-70        75        49        170        170
: g4 {  ]+ O$ I* c0 t            注：①试验温度为5°C，拉伸速度为1±0.05cm/min。
    通过上述试验技术指标对比分析，反映沥青感温性能最常用的指标是软化点，在基质沥青中加入2％的丁苯橡胶后，其软化点可提高1°C～2°C，软化点的上升意味着改性沥青的热稳定流动度的明显减少，将影响其混合料的稳定度和蠕变特性。国产沥青由于资源、生产工艺等因素，进行改性后在低温延度方面有所提高，但常温延度有所下降，而进口沥青由于沥青品质良好，经改性后低温延度提高明显，达到了常温延度。这样，根据布朗(Brown)理论，经改性的进口沥青在低温时可延缓“相对延伸率”的减少和“极限硬化率”的增加，从而可改善低温抗温缩开裂的路用性能。?
8 N" M9 f5 Q4 z4 i+ N, R2 f/ e    丁苯橡胶改性效果不仅取决于掺加数量，更取决于基质沥青的原有品质和两者的相溶程度，选择优质的进口沥青提高低温抗温缩开裂性能是我们的出发点。?
4  改性沥青混合料的生产及试验路的铺筑
    从室内试验结果可以看出，进口重交通AH-70沥青可改善低温抗裂路面性能。试验技术资料表明，改性沥青混合料从试验室走向实践切实可行。因此，结合宁通一级公路旧水泥路面中修，在K32+600～K32+100路段进行了丁苯橡胶改性进口AH-70沥青试验路的铺筑。试验路铺筑前按AC-16Ⅰ型沥青混凝土路面结构形式进行了完整的配合比设计，丁苯橡胶添加设备安装在英国ParkerM356型拌和机的拌缸上，混合料生产时严格按设计掺配丁苯胶乳，混合料出厂温度控制在140°C～160°C，试验路混合料采用德国ABG-423型摊铺机摊铺，严格控制摊铺温度、初压、复压、终压温度，按沥青路面施工技术规范要求进行铺筑和压实。?
    为更有效地防止反射裂缝，在旧混凝土路面的纵横接缝处分别铺设了土工布和防水油毡，比较和观测延缓反射裂缝的效果。试验技术资料汇总如表3。
试验技术资料汇总表              表3
技术指标        空隙率
( m& ]. D) a' @/ N  R+ O( B(％)        稳定度
; i, E5 d! h# D# ](kN)        流值
(0.1mm)        油石比
(％)        残留稳定度
(％)        筛分结果
沥青混合料        3.6        14.2        31.5        4.9        78        在级配范围
/ y0 j2 ?. x, k9 C9 u* L改性沥青混合料        3.5        15.2        32.3        4.9        95        在级配范围
) G* e& n& I& A, f7 Q8 @( I- @4 {    沥青混凝土的质量从高温稳定、低温抗裂和耐久性进行评价，马歇尔稳定度试验是衡量沥青混合料高温稳定性能的主要手段，从改性沥青混合料的稳定度和流值来看无明显差异，但从残留稳定度来分析，改性沥青混合料具有良好的水稳性，保障了抗温缩开裂性能的提高，同时改性沥青混合料稳定度的峰值保持长久，流值即使增大但稳定度并未下降，预示其抗高温变形能力也较优。?
" E6 z$ W! D  I4 H  g5  试验路冬季检测和观测
4 S/ T1 @6 d4 G# \4 J9 ^0 U/ ]    1998年初，对试验路的反射裂缝和温缩开裂情况进行了观察和路面路用性能指标的测定。
: d4 f7 S+ q8 m6 V" T) n5 B5.1  现有路面参数测定和比较?
, Q- y; ^1 x+ O6 M* P! {' a, N/ P, W) m    (1)行驶性指标路面平整度的测定。路面平整度采用激光平整度检测车进行检测，经过P处理后得到每百米的国际平整度指数IRI，行车道上行平均值为1.65，下行平均值为1.93。?
    (2)承载能力贝克曼梁弯沉的测定。采用5.4m贝克曼梁黄河车检测，计算弯沉Lr＝5(10-2mm)。?
    (3)抗滑性能指标摩擦系数和构造深度的测定。摩擦系数选在31K+800处，摩擦系数路段平均BPN＝42，相应的路面构造深度检测路段TD＝39.5。从测试指标看路用性能平整度、摩擦系数、构造深度等均能满足一级公路的需要。?
$ |1 J: }" w7 j6 _! a5.2  试验路温缩裂缝的观测
* l; |) Z0 G' L7 D! J, Z. j* A    铺筑的试验路是在18年前施工工艺落后的水泥混凝土板块上加铺丁苯橡胶改性沥青混合料，原板块纵横接缝缝宽平均2cm，最大缝宽5cm，至冬季试验路观测时，原板块缝宽均增加了2cm左右。由于采用了低温抗裂性能较好的改性进口沥青，并在旧水泥路面的纵横接缝和结构性损坏纵横裂缝处铺设了新型土工布和防水油毡，因此沥青面层的防反射裂缝取得了一定的效果。尤其是纵向接缝处沥青面层基本未出现反射裂缝，只是水泥板块的横接缝处由于原接缝缝宽过大，板块的温度应力、重荷载的反复冲击等使加铺后的沥青混凝土也相应产生反射裂缝，但反射裂缝缝宽较小。总的来说除在水泥混凝土板块横接缝处有较轻的反射裂缝外，纵缝处基本无反射裂缝，改性沥青混合料低温抗温缩开裂性能较好，未出现温缩裂缝(1998年南京市冬季最低气温-8°C)。?

jzh2008

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