劉家俊，沈?qū)殸I(yíng)

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京　100083）

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能試驗(yàn)研究

劉家俊1，沈?qū)殸I(yíng)2

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083）

采用埃索70#基質(zhì)瀝青，以布氏旋轉(zhuǎn)粘度、25℃針入度以及軟化點(diǎn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行橡膠瀝青最佳膠粉摻量設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用疲勞試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）以橡膠瀝青膠結(jié)料的布氏粘度、25℃針入度及軟化點(diǎn)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)確定的最佳膠粉摻量為18%（外摻）；2）從加工工藝合理性、老化程度等因素考慮，橡膠瀝青生產(chǎn)攪拌時(shí)間75～105 min比較合理；3）相比Strata應(yīng)力吸收層、熱改性瀝青以及改性乳化瀝青封層，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層具有較好的抗疲勞性能和層間抗剪切性能，但其溫度敏感性較差。

橡膠瀝青應(yīng)力；吸收層膠粉摻量；疲勞性能；抗剪性能

反射裂縫的防治一直是我國(guó)半剛性或剛性基層高等級(jí)公路建設(shè)和維修中比較關(guān)注的問(wèn)題之一。當(dāng)前，我國(guó)高等級(jí)公路常用的防治反射裂縫措施有熱瀝青同步碎石封層、加鋪土工布、稀漿封層等。從應(yīng)用效果看，上述技術(shù)在一定程度上對(duì)反射裂縫的擴(kuò)展起到了抑制作用［1-2］。但是，調(diào)查表明，上述技術(shù)的防治反射裂縫性能距預(yù)期效果仍存在一定差距，防治反射裂縫耐久性不理想，重載交通高速公路通車3～4年內(nèi)反射裂縫就會(huì)反射到路表。

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層由橡膠瀝青膠結(jié)料和一定級(jí)配的石料拌和而成，其具有較好的柔韌性和耐疲勞性能。其可通過(guò)橡膠瀝青獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)吸收和消散路面內(nèi)部豎直方向傳遞的應(yīng)力，有效中斷或延緩半剛性基層裂縫處的集中應(yīng)力向?yàn)r青面層反射的趨勢(shì)，大大降低裂縫向上擴(kuò)展的速率，延長(zhǎng)瀝青面層開(kāi)裂的年限［3］。但是，不可忽略的是橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能受橡膠瀝青膠粉摻量影響，而不同基質(zhì)瀝青的最佳膠粉摻量有差別，因此，尋求最佳膠粉摻量才能保證橡膠瀝青膠結(jié)料發(fā)揮其最佳性能優(yōu)勢(shì)。本文基于埃索70#基質(zhì)瀝青最佳膠粉摻量設(shè)計(jì)，對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的疲勞性能與抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)、對(duì)比分析和評(píng)價(jià)，為工程使用提供參考。

1　原材料試驗(yàn)

試驗(yàn)采用20目規(guī)格橡膠粉、進(jìn)口埃索70#道路石油瀝青，原材料性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1　膠粉篩分結(jié)果

表2　埃索70#瀝青性能測(cè)試結(jié)果

2　最佳膠粉摻量設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)計(jì)膠粉摻量時(shí)，主要考慮膠結(jié)料的路用性能和施工和易性。為保證橡膠瀝青膠結(jié)料有良好的路用性能以及拌和與碾壓的和易性，《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》中要求180℃粘度處在2.5～5.0 Pa·s［4-5］，因此，本次試驗(yàn)主要采用180℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。此外，為了便于實(shí)驗(yàn)室快速有效地進(jìn)行檢測(cè)，還選用25℃針入度和軟化點(diǎn)作為次要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

橡膠瀝青膠結(jié)料的性能與攪拌方式、攪拌時(shí)間、反應(yīng)溫度以及膠粉摻量參數(shù)有關(guān)。目前，一些研究者和工程技術(shù)人員普遍認(rèn)為攪拌方式采用高速剪切（2 500 r/min）且反應(yīng)溫度為180℃時(shí)膠結(jié)料性能最佳［6-7］。因此，本次試驗(yàn)預(yù)先選定攪拌方式和反應(yīng)溫度參數(shù)，變化攪拌時(shí)間與膠粉摻量進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)步驟如下：1）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用17%、18%、20%及21%的膠粉摻量（外摻）制備橡膠瀝青；2）在攪拌時(shí)間分別為15、30、45以及60 min時(shí)取樣；3）測(cè)定不同膠粉摻量和攪拌時(shí)間橡膠瀝青180℃布氏粘度；4）取攪拌時(shí)間為60 min時(shí)粘度滿足設(shè)計(jì)要求，且60 min前后粘度變化比較平緩的膠粉摻量作為最佳摻量；5）進(jìn)行膠結(jié)料針入度與軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果

采用17%、18%、20%及21%的膠粉摻量，在攪拌時(shí)間分別為15、30、45以及60 min條件下，對(duì)不同膠粉摻量橡膠瀝青膠結(jié)料180℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同攪拌時(shí)間及膠粉摻量膠結(jié)料粘度試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出：

1）隨著攪拌時(shí)間從15 min延長(zhǎng)到60 min，不同膠粉摻量膠結(jié)料的粘度均有增大趨勢(shì)；攪拌時(shí)間相同時(shí)，隨著膠粉摻量從17%增大到21%，膠結(jié)料粘度也均有增大的趨勢(shì)，且在膠粉摻量為18%時(shí)，3組粘度試驗(yàn)結(jié)果基本相當(dāng)。

2）排除攪拌時(shí)間較短因素（30 min以內(nèi)），只有18%膠粉摻量時(shí)攪拌45與60 min時(shí)橡膠瀝青膠結(jié)料的粘度比較合理，且處在2.5～5.0 Pa·s范圍內(nèi)。

綜上所述，橡膠瀝青須在一定的膠粉摻量與攪拌時(shí)間條件下，膠粉與基質(zhì)瀝青充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)才能形成均質(zhì)的且粘度滿足使用要求的改性膠結(jié)料，因此，可初步選擇膠粉摻量與埃索70#瀝青重量比為18%作為設(shè)計(jì)膠粉摻量。

除膠粉摻量外，攪拌時(shí)間是影響橡膠粉改性效果的另一個(gè)重要因素。為了進(jìn)一步研究攪拌時(shí)間對(duì)橡膠粉改性效果的影響，在18%膠粉摻量下，以15 min為時(shí)間間隔，對(duì)不同攪拌時(shí)間下的膠結(jié)料粘度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同攪拌時(shí)間下18%膠粉摻量膠結(jié)料粘度試驗(yàn)結(jié)果

從表4可知，攪拌時(shí)間從15 min延長(zhǎng)到240 min，膠結(jié)料粘度有較大波動(dòng)，其中分別在75～105 min與165～180 min時(shí)間段粘度出現(xiàn)峰值。分析認(rèn)為，攪拌時(shí)間為75～105 min時(shí)，粘度出現(xiàn)峰值主要是由于膠粉在基質(zhì)瀝青中充分溶脹及均勻分散所致；而在165～180 min攪拌時(shí)間段內(nèi)，由于攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，膠粉脫硫嚴(yán)重及瀝青老化加劇，導(dǎo)致瀝青變稠，粘度再次出現(xiàn)峰值。因此，從加工工藝合理性、瀝青老化程度等因素考慮，攪拌時(shí)間在75～105 min內(nèi)比較合理。

2.2.2不同膠粉摻量的測(cè)試比較

在不同膠粉摻量下，攪拌90 min時(shí)進(jìn)行了膠結(jié)料針入度（25℃）及軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　膠粉摻量與膠結(jié)料針入度關(guān)系

圖2　膠粉摻量與膠結(jié)料軟化點(diǎn)關(guān)系

從圖1、圖2可以看出，橡膠瀝青膠結(jié)料的針入度和軟化點(diǎn)隨膠粉摻量的變化波動(dòng)。就針入度而言，與膠粉摻量為21%和17%相比，膠粉摻量為18%和20%時(shí)，橡膠瀝青膠結(jié)料針入度更大，但差異不明顯；軟化點(diǎn)隨著膠粉摻量減小而降低。從使用效果考慮，在針入度差異不大的情況下，膠結(jié)料的軟化點(diǎn)越高越好，但21%與20%膠粉摻量下橡膠瀝青的粘度特別大，不利于施工和易性。因此，筆者認(rèn)為18%膠粉摻量合理，且針入度與軟化點(diǎn)指標(biāo)也滿足技術(shù)要求。

3　橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)分析

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)置目的主要在于延緩反射裂縫的擴(kuò)展，并增加瀝青面層與基層的有效粘結(jié)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行本次復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)和應(yīng)力吸收層抗剪切試驗(yàn)，并將橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與其它具有防治反射裂縫作用的下封層進(jìn)行對(duì)比。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層材料設(shè)計(jì)參數(shù)為：膠粉摻量18%（外摻），180℃高速剪切攪拌90 min，橡膠瀝青用量（2.6±0.2）kg/m2，集料規(guī)格為5～10 mm，集料用量為12 kg/m2。

3.1疲勞試驗(yàn)及結(jié)果分析

疲勞試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層延緩反射裂縫的性能。在實(shí)驗(yàn)室成型復(fù)合梁，試件尺寸如下：實(shí)驗(yàn)室成型復(fù)合梁，下部瀝青混凝土厚7.0 cm，采用AC-20級(jí)配，中間切開(kāi)1 mm寬度縫隙；上部瀝青混凝土厚5.0 cm，采用AC-16級(jí)配，試件寬63 mm；中間應(yīng)力吸收層厚1 cm。試驗(yàn)條件及方法如下：采用NU-14試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)變控制模式，試驗(yàn)控制應(yīng)變?yōu)?50 με，試驗(yàn)溫度為15℃。預(yù)計(jì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗疲勞能力較強(qiáng)，若以達(dá)到疲勞壽命（勁度為初始勁度50%時(shí)的作用次數(shù)）為限，試驗(yàn)可能耗時(shí)太多。因此，采用荷載作用10萬(wàn)次后勁度模量占初始模量的百分比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)后試件殘留勁度模量占初始模量百分比越大，抗疲勞性能越好。

表5　疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，選用改性乳化瀝青下封層、熱改性瀝青同步碎石封層以及Strata應(yīng)力吸收層與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，不同下封層或應(yīng)力吸收層表現(xiàn)出的抗疲勞性能有差異。以試件加載10萬(wàn)次的殘留勁度百分比衡量，抗疲勞性能大小排序?yàn)橄鹉z瀝青應(yīng)力吸收層＞Strata應(yīng)力吸收層＞熱改性瀝青封層＞改性乳化瀝青封層，其中橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與Strata應(yīng)力吸收層的殘留勁度均在60%以上，后2種封層殘留勁度均低于50%。這表明橡膠瀝青與Strata應(yīng)力吸收層在防反射裂縫耐久性方面相對(duì)較好，其中橡膠瀝青應(yīng)力吸收層效果最好，這種現(xiàn)象與橡膠瀝青膠結(jié)料獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)有關(guān)。分析認(rèn)為，橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青后，膠粉在熱瀝青中得到充分剪切，致使膠粉充分溶脹并發(fā)生物理化學(xué)分散作用，導(dǎo)致瀝青的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生部分改變，從而可改善瀝青的柔韌性和耐疲勞性，可使橡膠瀝青應(yīng)力吸收層表現(xiàn)出良好的性能。

3.2剪切試驗(yàn)及結(jié)果分析

應(yīng)力吸收層除要求具有防治反射裂縫作用外，由于其處于瀝青層與非瀝青層之間的夾層，因此對(duì)其抵抗層間剪切性能也有較高的要求［8］。本文采用剪切試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗剪性能。

復(fù)合試件成型過(guò)程及試驗(yàn)方法如下：1）水泥穩(wěn)定碎石基層試件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯獲得，切割成Φ150× 50 mm試件；2）在水穩(wěn)基層頂面（不涂透層）制備封層或應(yīng)力吸收層；3）將試件放入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀模具中，在其上碾壓成型50 mm厚的AC-25瀝青混凝土，復(fù)合試件尺寸控制在Φ150 mm×105 mm左右；4）養(yǎng)生一段時(shí)間后，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)；5）采用ELE多極變速加載設(shè)備進(jìn)行加載，加載速率控制為50 mm/min，考慮到層間正常溫度和極端溫度2種情況，試驗(yàn)溫度分別選擇30℃與50℃。剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)如圖3所示。

不同下封層試件的剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出：

1）2種試驗(yàn)溫度下，不同封層的抗剪強(qiáng)度和變異系數(shù)不同，抗剪強(qiáng)度按大小排序均為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層＞Strata應(yīng)力吸收層＞熱瀝青封層＞改性乳化瀝青封層；變異系數(shù)按大小排序?yàn)楦男匀榛癁r青封層＞熱瀝青封層＞Strata應(yīng)力吸收層＞橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。由此可知，下封層抗剪強(qiáng)度與變異系數(shù)大小呈相反關(guān)系，這可能與抗剪強(qiáng)度數(shù)值大小有關(guān)，數(shù)值越大，其試驗(yàn)結(jié)果的變異性相對(duì)較??；數(shù)值越小，變異性相對(duì)較大。

圖3　剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ图笆疽?/p>

表6　試驗(yàn)方案及結(jié)果

2）4種下封層50℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度均小于30℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度，可見(jiàn)層間抗剪強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，這與下封層材料種類無(wú)關(guān)。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在30℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.78 MPa，50℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.50 MPa，下降了35.9%；Strata應(yīng)力吸收層在30℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.70 MPa，50℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.45 MPa，下降了21.4%；熱瀝青下封層在0℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.66 MPa，50℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.42 MPa，下降了36.4%；改性乳化瀝青下封層在30℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.48 MPa，50℃時(shí)其抗剪強(qiáng)度為0.33 MPa，下降了31.3%。從下降百分比看，4種下封層材料中，雖然橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度最高，但其對(duì)溫度的敏感性并不是最小的，Strata應(yīng)力吸收層溫度敏感性才最小。

4　結(jié)論

采用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行埃索70#瀝青最佳膠粉摻量設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)疲勞試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)對(duì)橡膠應(yīng)力吸收層性能進(jìn)行了研究，并得到以下結(jié)論：

1）以180℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度、25℃針入度及軟化點(diǎn)為指標(biāo)，埃索70#瀝青制備橡膠瀝青膠結(jié)料的最佳膠粉摻量為18%（外摻）。從加工工藝合理性、老化程度等因素考慮，橡膠瀝青生產(chǎn)攪拌時(shí)間75～105 min比較合理。

2）相對(duì)于Strata應(yīng)力吸收層、熱改性瀝青與改性乳化瀝青封層，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層具有較好的抗疲勞性能。加載10萬(wàn)次后，橡膠應(yīng)力吸收層殘留勁度模量百分比高達(dá)69.4%。

3）橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的層間抗剪性能較好，但其對(duì)溫度的敏感性大于Strata應(yīng)力吸收層和改性乳化瀝青封層。

［1］ 周富杰.防治反射裂縫的措施及其分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，1998.

［2］葉國(guó)錚.防治瀝青路面反射裂縫的試驗(yàn)方法［J］.中南公路工程，1997（12）：28-34.

［3］宋建寧，黃榮華，陳李峰.橡膠瀝青混合料在淮連高速公路改造工程中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2013（2）：18-21.

［4］交通部公路科學(xué)研究院.膠粉改性瀝青混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］張爭(zhēng)奇，陶晶，楊博.瀝青混合料高溫性能設(shè)計(jì)參數(shù)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22（1）：23-28.

［7］王旭東，李美江，路凱冀.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］張慧鮮.基于抗剪強(qiáng)度的瀝青混合料高溫性能影響因素分析及改善措施研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

Study on Performance Test to Stress Absorb Layer of Rubber Asphalt

LIU Jiajun1，SHEN Baoying2

Adopting Esso 70#base asphalt，with Brookfield Rotational viscosity，penetration at 25℃ and softening point as evaluation indices，this paper performs optimum rubber powder proportion design for rubber asphalt.Upon this，fatigue test and shearing test are performed to evaluate performance of stress absorbing layer of rubber asphalt.Test results show the following：1）The optimum rubber powder proportion is 18%（mixing）under the conditions of Rotational viscosity，penetration at 25℃and softening point of rubber asphalt cement；2）Considering rational production process and aging degree，the agitating duration of rubber asphalt shall be 75～105 min.；3）Comparing with Strata stress absorbing layer，thermal modified asphalt and modified emulsified asphalt seal，the stress absorbing layer of rubber asphalt has better anti-fatigue performance and shear resistance between layers，yet not so good temperature sensibility.

Rubber asphalt stress；rubber powder proportion at absorbing layer；anti-fatigue performance；shear resistance performance

1009-6477（2016）04-0034-05

U416.2

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.008

交通運(yùn)輸部西部建設(shè)科技項(xiàng)目（2014 318 J15 070）

2016-02-18

劉家?。?987-），男，重慶市人，本科，工程師。