李林濤

(河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州 450000)

應(yīng)力吸收層是將裹覆的、低油石比的單一碎石均勻地滿鋪在高灑布量的瀝青涂層上，然后，在膠輪壓路機(jī)的外力作用下，集料相互嵌鎖形成的較薄結(jié)構(gòu)層。它能有效防止基層反射裂縫的穿透，延緩路面裂縫的形成。橡膠瀝青本身彈性恢復(fù)性較強(qiáng)，在單一碎石的作用下，應(yīng)力吸收作用明顯提升，且橡膠瀝青應(yīng)力吸收層施工快捷，因此，在預(yù)防路面反射裂縫方面，得到廣大科研人員的認(rèn)可。作者擬對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能影響因素及其應(yīng)力吸收層抗剪、疲勞和拉拔進(jìn)行研究，以期優(yōu)化其合理配比。

1 復(fù)合改性橡膠瀝青的影響因素

復(fù)合改性橡膠瀝青生產(chǎn)時(shí)，涉及的影響因素有膠粉種類和細(xì)度、加工工藝、基質(zhì)瀝青類型及膠粉和SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)摻量等[1-2]。

1.1 膠粉種類對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響

分別選擇摻量相同(13%)的貨車輪胎膠粉和小車輪胎膠粉，對(duì)70#道路石油瀝青進(jìn)行改性。將SBS摻量設(shè)定為5%，復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)見表1。

表1 復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of the composite modified asphalt

從表1中可以看出，貨車輪胎膠粉和小車輪胎膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青均有良好的改性效果。但是，在相同的試驗(yàn)環(huán)境條件下，貨車輪胎膠粉改性效果更佳。其原因是：小車輪胎中橡膠含量較少，輕質(zhì)碳酸鈣含量過多。因此，在橡膠瀝青研究中，盡量選取貨車輪胎膠粉，本研究中所有試驗(yàn)均采用貨車輪胎膠粉。

1.2 加工工藝對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響

在復(fù)合改性瀝青中，SBS摻量初始設(shè)定為

5%，橡膠粉摻量初始設(shè)定為13%。在加工工藝研究中，采用3種不同的工藝：① 同時(shí)摻加SBS和膠粉，并剪切1 h；② 先將SBS摻入基質(zhì)瀝青中剪切30 min，再加膠粉剪切30 min；③ 先將膠粉摻入基質(zhì)瀝青中剪切30 min，再摻入SBS剪切30 min。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20-2011)》室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，對(duì)復(fù)合后的改性瀝青進(jìn)行了性能指標(biāo)的檢測(cè)，其結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，不同加工工藝對(duì)復(fù)合改

表2 不同工藝下復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)Table 2 Performance index of composite modified asphalt under different processes

性瀝青的三大指標(biāo)有輕微影響，“先摻SBS，后摻膠粉”的工藝效果較佳，高、低溫性能較好。其原因是：先摻加SBS可以充分吸收基質(zhì)瀝青輕組分，快速膨脹形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)體。后摻入膠粉并剪切30 min，有利于吸附多余的輕組分(油蠟)，導(dǎo)致瀝青稠度增加，高、低溫性能得以提升。如果先添加橡膠粉以吸收瀝青中的大量輕質(zhì)成分，則后摻入的SBS就不能吸收足夠的輕質(zhì)成分來膨脹，在一定程度上阻礙了SBS在瀝青中部分網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)體的形成，反應(yīng)在軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)上略有降低。此外，在橡膠改性瀝青中，由于膠粉顆粒發(fā)育溶脹“膠核”的存在，針入度指標(biāo)可以不作為瀝青評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

1.3 膠粉細(xì)度對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響

針對(duì)膠粉細(xì)度的研究變量，本試驗(yàn)選取5種不同目數(shù)的膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，SBS摻量設(shè)定為5%，膠粉摻量設(shè)定為13%。室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同膠粉類型下復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)Table 3 Performance index of the composite modified asphalt under different types of rubber powder

從表3中可以看出：① 復(fù)合改性瀝青針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)隨著膠粉細(xì)度的增加呈現(xiàn)“峰值”。其原因是：膠粉目數(shù)的增加，使得比表面積增加；加之貨車輪胎膠粉橡膠含量較多，輕質(zhì)碳酸鈣含量較少，使得溶脹反應(yīng)更充分；進(jìn)而導(dǎo)致膠粉吸收瀝青輕質(zhì)組分含量增加，交聯(lián)作用增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。膠粉超過40目以后，膠粉過細(xì)會(huì)過多地吸收瀝青輕組分，使得脫硫和降解速率增加，膠粉體積變小，膠粉之間的交聯(lián)作用減弱，瀝青中橡膠分子鏈段增加，針入度和軟化點(diǎn)下降。② 由于基質(zhì)瀝青的粘度低，其流變性比膠粉顆粒的大，二者在界面的交接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。膠粉細(xì)度越細(xì)，界面應(yīng)力越低，改性以后復(fù)合瀝青的延度就會(huì)變得更優(yōu)；相反，膠粉顆粒越大，膠粉顆粒降解和脫硫以后的“膠核”保存就越好，彈性恢復(fù)就越優(yōu)。

膠粉越細(xì)，加工成本越高，并且越細(xì)的膠粉越容易吸收水分而結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青的加工難度增加。因此，本研究在綜合比選的情況下，選取40目的貨車輪胎膠粉作為研究的統(tǒng)一變量。

1.4 瀝青型號(hào)對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響

瀝青型號(hào)不同，組分含量就不同。在相同的改性條件下，改性效果也會(huì)有所差異[3-4]。本試驗(yàn)采用70#和90#2種基質(zhì)瀝青，摻加13%的40目貨車輪胎膠粉，摻加5%的SBS改性劑，復(fù)合改性結(jié)果見表4。

表4 不同基質(zhì)瀝青型號(hào)下復(fù)合改性瀝青指標(biāo)Table 4 Composite modified asphalt index under different of the matrix asphalt models

從表4中可以看出，70#基質(zhì)瀝青在相同的復(fù)合改性條件下的軟化點(diǎn)略大于90#基質(zhì)瀝青的，其針入度、延度及彈性恢復(fù)等指標(biāo)均略小于90#基質(zhì)瀝青的。針對(duì)2種不同型號(hào)的基質(zhì)瀝青，標(biāo)號(hào)越高，瀝青中飽和分和芳香分含量就越高。當(dāng)膠粉加入并高速剪切時(shí)，膠粉的溶脹效果就越好，使得復(fù)合改性后瀝青軟化點(diǎn)下降，針入度、延度及彈性恢復(fù)提高。因此，在選擇基質(zhì)瀝青時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。

1.5 摻量對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響

以70#基質(zhì)瀝青、40目貨車輪胎膠粉為原材料，SBS摻量設(shè)定3種摻量(3%，4%和5%)，膠粉摻量設(shè)定4種摻量(9%，11%，13%和15%)，同樣的改性條件下，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 外加劑摻量下的復(fù)合改性瀝青指標(biāo)變化曲線Fig.1 Change of composite modified asphalt index at each dosage of the admixture

從圖1(a)中可以看出，膠粉摻量一定時(shí)，復(fù)合改性瀝青的針入度隨著SBS摻量的增加呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；SBS摻量一定時(shí)，復(fù)合改性瀝青的針入度隨著膠粉摻量的增加同樣呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。從圖1(b)和(c)中可以看出，膠粉摻量一定時(shí)，當(dāng)SBS摻量為3%～5%時(shí)，軟化點(diǎn)和延度隨著SBS摻量的增加而提高；在SBS摻量固定時(shí)，隨著膠粉摻量的增加，軟化點(diǎn)和延度提高。當(dāng)膠粉摻量大于13%以后，軟化點(diǎn)趨于穩(wěn)定，延度仍不斷上升，但上升緩慢。因此，復(fù)合改性瀝青對(duì)SBS和膠粉摻量均具有選擇性。其中，SBS摻量影響顯著，且改性后瀝青指標(biāo)隨著SBS摻量的增加成正向變化。鑒于SBS摻量一定時(shí)軟化點(diǎn)和延度的變化情況，同時(shí)考慮到膠粉的經(jīng)濟(jì)情況，因此，本試驗(yàn)確定復(fù)合改性瀝青SBS最佳摻量為5%，膠粉最佳摻量范圍為11%～13%。

本研究列出了70#基質(zhì)瀝青在SBS摻量為5%和40目貨車膠粉摻量為13%的改性復(fù)合瀝青指標(biāo)，見表5。

表5 復(fù)合改性橡膠瀝青試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)要求匯總Table 5 Test results and technical requirements for composite modified rubber asphalt

2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能

以本試驗(yàn)確定的復(fù)合改性橡膠瀝青、中海油AH-70及SBS改性瀝青分別制作應(yīng)力吸收層試件，試件均有水泥混凝土板、應(yīng)力吸收層及瀝青面層組成，借鑒以往的研究經(jīng)驗(yàn)，橡膠瀝青噴涂量控制在2.4 kg/m2，AH-70和SBS改性瀝青的噴涂量控制在1.7 kg/m2，碎石9.5～13.2 mm滿鋪率為70%[5]。

抗剪試驗(yàn)水泥混凝土板澆筑成300 mm×300 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，養(yǎng)生28 d后拉毛并放于10 cm加厚車轍試模中，試件表面均勻噴灑既定量瀝青，緊接著均勻撒布水洗后的預(yù)熱碎石，之后采用車轍成型儀碾壓2遍，并在其上壓實(shí)厚度5cm的AC-13C SBS改性瀝青混凝土，2 d后拆模[6]。鉆取Φ×H=10 cm×10 cm的芯樣在溫度為60 ℃時(shí)進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，剪斷位置為應(yīng)力吸收層。而疲勞試件車轍板尺寸擴(kuò)大為400 mm×300 mm×100 mm，試驗(yàn)時(shí)將復(fù)合車轍板切割成長(zhǎng)380 mm、寬63.5 mm、高50 mm的小梁，并在15 ℃條件下采用四分點(diǎn)加載，試驗(yàn)過程中彎曲勁度模量下降到初始彎曲勁度模量50%時(shí)試驗(yàn)終止，記錄下此時(shí)的加載循環(huán)次數(shù)[7]。拉拔試驗(yàn)前至少提前1 d采用環(huán)氧樹脂膠將拉拔頭與試件上、下表面粘牢[8]，試驗(yàn)溫度設(shè)定為60 ℃，試驗(yàn)中如出現(xiàn)拉拔頭與試件提前斷裂的情況，應(yīng)廢棄試驗(yàn)，分析原因后重新將試件與拉拔頭粘結(jié)牢固，再進(jìn)行試驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果匯總Table 6 Performance index of rubber asphalt stress absorption layer

從表6中可以看出，復(fù)合改性橡膠瀝青的抗剪性能、疲勞性能及拉拔性能均優(yōu)于SBS改性瀝青和中海AH-70的。

復(fù)合改性橡膠瀝青由于存在“膠核”為核心的交聯(lián)結(jié)構(gòu)體，致使復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與水泥混凝土板的粘結(jié)力得到顯著提高，整個(gè)界面趨近于連續(xù)狀態(tài)，抗剪切能力和拉拔性能優(yōu)勢(shì)明顯。即復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)力吸收層層間抗剪強(qiáng)度是SBS改性瀝青的1.8倍，是AH-70瀝青的3.1倍；其剪切變形是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.8倍；其抗拉強(qiáng)度是SBS改性瀝青的1.2倍，是AH-70瀝青的1.7倍。這種良好的粘結(jié)狀態(tài)在后期的道路使用過程中可以有效減少車輛行駛時(shí)動(dòng)荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞。

在高速剪切作用下，復(fù)合改性橡膠瀝青在微觀和宏觀上均處于較均勻狀態(tài)，內(nèi)聚力較強(qiáng)，誘發(fā)瀝青路面應(yīng)力集中現(xiàn)象大大降低，微損傷發(fā)展而來的疲勞破壞減少，疲勞壽命增加。其疲勞壽命是SBS改性瀝青的1.3倍，是AH-70瀝青的2.1倍。因此，復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在層間性能方面占有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

通過研究復(fù)合改性橡膠瀝青的性能影響因素和應(yīng)力吸收層的相關(guān)性能，對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青配方進(jìn)行了優(yōu)化。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了應(yīng)力吸收層試驗(yàn)，得到的結(jié)論為：

1)復(fù)合改性橡膠瀝青制備工藝方面，先摻SBS，后加膠粉剪切，改性后的三大指標(biāo)效果較好。

2)貨車輪胎膠粉的改性效果明顯優(yōu)于小車輪胎膠粉的，用40目的貨車輪胎膠粉復(fù)合改性后，瀝青的三大指標(biāo)和彈性恢復(fù)性能相對(duì)最好。

3)用SBS和膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，SBS摻量變化對(duì)瀝青性能有顯著影響。隨著SBS摻量的增加，各種性能指標(biāo)均有所提高。膠粉摻量變化對(duì)復(fù)合改性瀝青的影響相對(duì)較小，其適宜摻量為11%～13%。

4)復(fù)合改性橡膠瀝青的抗剪性能、疲勞性能及拉拔性能均優(yōu)于SBS改性瀝青和中海AH-70的。復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度是SBS的1.8倍，是AH-70瀝青的3.1倍；其剪切變形是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.8倍；其疲勞壽命是SBS的1.3倍，是AH-70瀝青的2.1倍；其抗拉強(qiáng)度是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.7倍。復(fù)合改性橡膠瀝青的整體性能最優(yōu)，在復(fù)合式路面中可以起到很好的應(yīng)力吸收作用。