■王素蘭

（保定市公路管理局，保定071000）

基于抗剪強(qiáng)度的橡膠瀝青碎石封層配合比設(shè)計

■王素蘭

（保定市公路管理局，保定071000）

在迅速增加的車輛載荷和季凍區(qū)晝夜溫差的耦合作用下，華北地區(qū)瀝青路面出現(xiàn)的早期病害較多。針對路面早期病害，一般采用增加瀝青面層厚度的方法，但效果并不明顯?；趪鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，首先闡述了橡膠瀝青的原材料性能參數(shù)，隨后分析了不同配合比下的橡膠瀝青單層碎石封層、倒裝封層凍融后的剪切強(qiáng)度，得出了兩種封層的最佳配合比。為今后的橡膠瀝青碎石封層設(shè)計施工提供參考。

橡膠瀝青單層碎石封層配合比設(shè)計倒裝封層

0 引言

橡膠瀝青碎石封層是一種新型材料，其主要以廢舊輪胎制成的橡膠瀝青為膠結(jié)材料，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點[1-2]。橡膠瀝青碎石封層用于新建高等級公路時，主要被應(yīng)用于面層和基層之間，作為良好的應(yīng)力吸收層。其將面層和基層粘結(jié)成為一個整體，增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的防水性能和抗斷裂性能，有效阻止了反射裂縫的形成。橡膠瀝青起源于美國、南非等國家。1979年，美國阿拉斯加州將橡膠瀝青作為膠結(jié)材料，測試了汽車在高速公路上的制動距離，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青膠結(jié)材料的抗滑性能優(yōu)于普通瀝青。1993年，美國加利福尼亞州研究了橡膠瀝青的路用性能，發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗滑性能和抗裂性能[3]。根據(jù)美國ASTM協(xié)會試驗結(jié)果，橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青后，可顯著改善瀝青的溫度敏感性和抗老化性。橡膠瀝青在南非的應(yīng)用也較為廣泛，該國道路里程的60%都采用橡膠瀝青混合料進(jìn)行鋪設(shè)。我國橡膠瀝青相關(guān)研究歷程相對緩慢，同濟(jì)大學(xué)針對橡膠粉對瀝青性能的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[4]；2001年交通部公路科學(xué)研究院西部科技項目首次將橡膠瀝青用于橋面鋪裝，并取得了較好的應(yīng)用效果，提出了我國橡膠瀝青技術(shù)規(guī)范和施工要求。本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先闡述了橡膠瀝青碎石封層原材料及制備工藝，隨后采用正交方法分析了橡膠瀝青碎石封層膠結(jié)材料的剪切性能，得出了兩種碎石封層的最佳配合比。

1 橡膠瀝青碎石封層材料及制備工藝

1.1 橡膠瀝青原材料

選擇90號瀝青作為橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青材料，其性能指標(biāo)見表1。

表1 90號瀝青性能指標(biāo)

采用常溫粉碎膠胎生產(chǎn)法將子午胎制備成橡膠粉，其篩分物為3.75%，相對密度為1.12g/cm3，水分含量為0.25%，金屬含量為0.01%，纖維含量為0。選擇粒徑為9.5mm～13.2mm的玄武巖碎石作為封層集料。撒布碎石時，滿鋪率取75%～95%。玄武巖碎石性能指標(biāo)見表2。

表2 玄武巖碎石性能指標(biāo)

1.2橡膠瀝青制備工藝

運(yùn)用正交試驗首先對不同配合比的封層原材料進(jìn)行組合設(shè)計，在混凝土快速凍融試驗機(jī)中進(jìn)行15次凍融循環(huán)試驗后測定材料的抗剪性能，根據(jù)抗剪強(qiáng)度得出材料的最佳配合比[5-6]。制備單層碎石封層、倒裝封層試件，將試件浸泡在20℃的恒溫箱中進(jìn)行保溫處理，隨后進(jìn)行15次凍融循環(huán)后進(jìn)行正常試驗。凍融循環(huán)溫度為-20℃～15℃。根據(jù)橡膠瀝青用量、碎石用量不同，單層碎石封層試件共設(shè)置9組配合比；根據(jù)第一層橡膠瀝青用量、第一層碎石用量、第二層橡膠瀝青用量、第二層碎石用量不同，倒裝封層試件共設(shè)置9組配合比。試驗試件共有18組，試件為10cm×10cm×10cm的棱柱體，下層為厚度4cm的水泥穩(wěn)定碎石基層，中層為厚度2cm的橡膠瀝青碎石封層，上層為厚度4cm的瀝青混凝土面層，見圖1。

圖1 試件物理模型

為了模擬出試件的路用性能，其制備工藝與實際道路施工相同。首先在試模中鋪設(shè)水泥穩(wěn)定碎石，擠壓密實，成型后養(yǎng)生1個月取出，隨后鋪設(shè)橡膠瀝青碎石封層，最后進(jìn)行瀝青混凝土面層鋪筑，碾壓溫度控制在140℃左右。水泥穩(wěn)定碎石集料水泥用量取4%，瀝青混凝土AC-20C的油石比取4.6%。

2 配合比設(shè)計

2.1 單層碎石封層

車輛載荷在加速或者減速時會產(chǎn)生層間剪切應(yīng)力[7]。當(dāng)車輛載荷的剪切應(yīng)力大于碎石封層時，就會出現(xiàn)路面破壞。本次試驗采用正交方法對橡膠瀝青剪切性能進(jìn)行研究。采用多級加載設(shè)備模擬車輛載荷進(jìn)行加載，剪切速率加載速度為1cm/min，加載試驗在15℃下進(jìn)行。試驗因素主要包括：瀝青用量、碎石用量[8]。單層碎石封層正交試驗方案及凍融抗剪強(qiáng)度結(jié)果見表3。

根據(jù)表3中的試驗值，封層結(jié)構(gòu)相同，材料配合比不同時，試件抗剪強(qiáng)度差異較大。橡膠瀝青灑布量較小而碎石量大時，抗剪強(qiáng)度主要由碎石提供。隨著瀝青用量的增加，集料粘結(jié)力增加，碎石封層抗剪強(qiáng)度增大。但橡膠瀝青摻量較大時，碾壓過程會出現(xiàn)泛油，抗剪強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)橡膠瀝青用量為2.2 kg·m-2，碎石用量為12kg·m-2時，試件凍融后的抗剪強(qiáng)度最高，為0.861MPa，此為單層碎石封層最佳配合比。

2.2 倒裝封層

同樣采用正交方法對橡膠瀝青剪切性能進(jìn)行研究。倒裝封層試驗中有4個變量：第1層瀝青用量、第1層碎石用量、第2層瀝青用量、第2層碎石用量。采用L9正交試驗法進(jìn)行試驗。第1層橡膠瀝青用量水平為：1.8kg·m-2、1.9kg·m-2、2.0kg·m-2；第1層碎石用量水平為：8kg·m-2、9kg·m-2、10 kg·m-2；第2層橡膠瀝青用量水平為：1.7 kg·m-2、1.8kg·m-2、1.9kg·m-2；第2層碎石用量水平為：11kg·m-2、12kg·m-2、13kg·m-2。倒裝封層正交試驗方案及凍融抗剪強(qiáng)度結(jié)果見表4。

表3 單層碎石封層正交試驗方案

表4 倒裝封層正交試驗方案

根據(jù)表4中的試驗值，經(jīng)歷過15次凍融循環(huán)后的倒裝封層抗剪強(qiáng)度優(yōu)于單層碎石封層。根據(jù)抗剪切強(qiáng)度大小和極差，第1層橡膠瀝青用量對抗剪強(qiáng)度影響最大，第2層橡膠瀝青用量次之，第1層碎石用量再次，第2層碎石用量影響最小。根據(jù)不同配合比下的抗剪強(qiáng)度值，進(jìn)行復(fù)合二次拋物線擬合，當(dāng)?shù)?層橡膠瀝青用量為1.9kg·m-2，當(dāng)?shù)?層橡膠瀝青用量為1.8kg·m-2時，為1.072MPa。由此確定，最佳倒裝封層配合比為：第1層橡膠瀝青用量為1.9kg·m-2，第1層碎石用量為8 kg·m-2，第2層橡膠瀝青用量為1.8kg·m-2時，第2層碎石用量為13kg·m-2。

3 結(jié)論

本文介紹了橡膠瀝青的制備材料和制備方法。闡述了橡膠瀝青的原材料性能參數(shù)，采用正交試驗方法分析了不同配合比下的橡膠瀝青單層碎石封層、倒裝封層的剪切強(qiáng)度，得出了兩種封層的最佳配合比。并得到以下結(jié)論：

(1)單層碎石封層最佳配合比為橡膠瀝青用量為2.2kg·m-2，碎石用量為12kg·m-2時，此時試件凍融后的抗剪強(qiáng)度為0.861MPa；

(2)最佳倒裝封層配合比為第1層橡膠瀝青用量為1.9kg·m-2，第1層碎石用量為8kg·m-2，第2層橡膠瀝青用量為1.8kg·m-2時，第2層碎石用量為13kg·m-2，此時試件凍融后的抗剪強(qiáng)度為1.072MPa；

(3)經(jīng)歷過15次凍融循環(huán)后的倒裝封層抗剪強(qiáng)度優(yōu)于單層碎石封層。

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