基于厂拌热再生的复合改性橡...沥青应力吸收层抗裂性能研究_祝谭雍.pdf

第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省应用研究培育计划（）；江西省交通运输厅科技项目（）作者简介：祝谭雍（），男，江西上饶人，博士，高级工程师.（.）：.基于厂拌热再生的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂性能研究祝谭雍，段卫党，许 兵，黄晓明（.江西省高速公路养护工程技术研究中心，江西 南昌；.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌；.东南大学 交通学院，江苏 南京）摘要：为改善路面结构抗反射裂缝能力，提升沥青路面材料循环利用率，将复合改性橡胶沥青与路面循环利用技术综合运用于应力吸收层中，设计制备了复合改性橡胶沥青再生混合料。通过沥青胶结料试验研究比较了复合改性橡胶沥青、改性沥青、道路石油沥青及胶粉改性沥青的各项物理指标。基于动态剪切、弯曲梁流变试验分析对比了复合改性橡胶沥青的温度敏感性、低温性能及疲劳性能。应用小梁弯曲、环形加载及含预切缝的半圆弯曲试验方法探究了旧料掺量对复合改性橡胶沥青再生混合料抗裂性能的影响。结果表明：复合改性橡胶沥青的施工和易性比传统胶粉改性沥青更优，且具有温度敏感性低、低温及疲劳性能强的特点，在应力吸收层混合料中具有良好的适用性；复合改性橡胶沥青应力吸收层再生混合料具有良好的抗裂性能，随着混合料旧料掺量的增加呈现强度提高、模量增大、韧性降低及抗裂性能下降的总体规律；综合考虑再生混合料的断裂韧度及断裂能指标，为保证复合改性橡胶沥青再生料在应力吸收层发挥良好的抗反射裂缝效果，旧料掺量宜控制在 以内；将厂拌热再生技术应用于复合改性橡胶沥青应力吸收层中，兼顾了路面养护的经济效益与环境效益，具有良好的推广意义。关键词：道路工程；应力吸收层；抗裂性能；复合改性橡胶沥青；厂拌热再生中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，；.，.，；.，）：，.，.，.（），第 期祝谭雍，等：基于厂拌热再生的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂性能研究 .（），；（），；（），；（），.：；引言半刚性基层沥青路面是国内高等级公路的主要结构形式，具有承载力大、板体性好的优点。然而，在温度、湿度与荷载的综合作用下，半刚性基层内部容易产生温缩、干缩裂缝，并进一步发展成反射裂缝，造成路况水平下降。为减少路面反射裂缝，设计上通常采用增加厚度的方式来实现路面承载力和使用寿命的提升。然而，在经济效益及现场标高等条件的约束下，公路新建及养护工程逐步探索设置应力吸收层来抑制、延缓反射裂缝的发展，提高路面耐久性。采用橡胶沥青生产的应力吸收层具有弹性恢复能力强、柔韧性好的特点，可有效降低半刚性基层顶部的应力集中，抑制裂缝的产生与发展。常颖采用低密度 与橡胶粉配制复合改性沥青，基于室内加速加载及间接拉伸疲劳试验研究了橡胶沥青最佳复配方案。张利清对比了，和低密度 橡胶沥青应力吸收层的路用性能，证明低密度 的加入显著增强了橡胶沥青应力吸收层的层间黏结性能、抗反射裂缝性能和低温性能。程梅采用高模量剂与橡胶粉复配，通过高温车辙、低温弯曲、疲劳试验研究了复配比例对应力吸收层使用性能的影响。郝晓红通过三点弯曲试验断裂能指标研究对比了橡胶沥青与 改性沥青两种应力吸收层混合料的温度敏感性及抗裂性能，结果表明橡胶沥青应力吸收层对路面抗裂性能产生了更好的改善效果。潘睿分析比较了 温拌橡胶沥青和 改性沥青两种应力吸收层在寒冷地区的使用效果，结果表明温拌橡胶沥青应力吸收层具有更为优良的抗裂效果。目前，相关研究通常围绕各类型橡胶沥青新拌应力吸收层混合料的调和配方、设计方法、材料性能、作用机理等开展，对于橡胶沥青再生类材料在应力吸收层的研究与应用报道较少。橡胶沥青是在高温下根据严格的生产工艺将胶粉与沥青融合，经过充分溶胀发育而成，能有效提高沥青的黏弹性，改善温度敏感性及抗老化能力，并且有助于促进生态环境的保护。依托工厂化生产的复合改性橡胶沥青较传统胶粉沥青在储存稳定性上得到改善，且和易性较好，应用更为灵活。为保障抗裂性能要求，应力吸收层混合料普遍存在沥青含量大、建设成本偏高的问题，为提升该技术方案的经济与环境效益，提高公路行业路面材料循环利用率，将沥青路面回收材料（）应用于应力吸收层当中是一项值得探究的措施，特别是 筛分回收的细料中沥青含量丰富，循环利用价值突出。本研究将路面再生技术与复合改性橡胶沥青技术相结合，将沥青路面 细料循环利用于应力吸收层，结合胶结料、混合料试验分析研究复合改性橡胶沥青再生混合料的抗裂性能。复合改性橡胶沥青的特性.常规技术指标研究所采用的复合改性橡胶沥青主要由 沥青、.、粒径 目橡胶粉及.有机改性活性矿物（，）组成，依托专业工艺在工厂集中化生产得到。为研究复合改性橡胶沥青的材料特点，选取了不同沥青进行比较。其中，按传统湿法工艺室内自行制备了胶粉改性沥青，将掺量 粒径 目的橡公路交通科技第 卷胶粉掺入 基质沥青中，于 将胶粉在沥青中以 速率剪切 ，然后经过 溶胀发育。检测指标如表 所示。在针入度、软化点、延度 大指标方面，复合改性橡胶沥青与 改性沥青较为相近，主要区别在于其延度要略低于 改性沥青，这主要是由于复合改性橡胶沥青中胶粉颗粒在沥青中溶解还不完全彻底，胶粉颗粒与沥青在拉伸过程中展现出不同的弹性特征，变形差异导致的应力集中使得复合改性橡胶沥青拉伸面率先起裂。复合改性橡胶沥青的弹性恢复指标达到.，显著优于试验室自制胶粉改性沥青。表 沥青的基本物理指标.试验指标沥青 改性沥青复合改性橡胶沥青自制胶粉改性沥青针入度（，）（.）.软化点.延度（，）.弹性恢复（）.黏度（）.离析.为确保沥青在泵送时保持适宜的流动性，提出沥青 的黏度应低于。由表 可知，沥青和 改性沥青满足该要求，但两种橡胶粉改性类沥青均超出范围。美国各州及我国江苏省针对橡胶沥青施工专门提出了和易性指标，见表，以 黏度为标准，复合改性橡胶沥青施工和易性显著优于自制胶粉改性沥青，。复合改性橡胶沥青比 沥青、改性沥青离析更明显，但比自制胶粉改性沥青已有大幅改善，这是因为复合改性橡胶沥青中添加的矿物活化成分提高了胶粉与沥青间的相容性，且经工厂化集中生产，胶粉微粒在沥青中降解更加深入、溶胀程度高，反映出更好的储存稳定性。表 橡胶沥青施工和易性指标.地区加利福尼亚州亚利桑那州德克萨斯州江苏省温度 黏度（）.性能指标应力吸收层材料的抗裂性能与沥青胶结料的低温、疲劳等各项性能有着密切联系，本研究采用 性能试验分析研究复合改性橡胶沥青性能特点。（）温度敏感性沥青作为温度敏感型材料，其劲度、黏度等指标随着温度改变而改变，由于温度敏感性与路面的耐久、抗裂性能存在内在联系，这既关系到沥青路面施工生产，也影响到路面使用。通过沥青的流变特性来评价温度敏感性，动态剪切流变试验所测复数模量 双对数与温度 对数之间存在线性关系如下：，（）式中，为 或 ；为开氏温度；为 的斜率；绝对值反映沥青温度敏感性高低。在 中高温区间采用动态剪切流变仪对沥青进行测试，试验使用的平行板直径 ，板间距 ，测试频率 。如图 （）所示，从复数模量 随着温度变化的情况看，在试验温度区间 种沥青 下降的总体趋势基本一致，测得复合改性橡胶沥青 略低于自制胶粉沥青，高于 改性沥青，而 沥青最小；由图 （）可见，复合改性橡胶沥青的相位角 略大于自制胶粉沥青，小于 改性沥青，沥青 最大。这说明，相比于 改性沥青、沥青，复合改性橡胶沥青特征更加接近于弹性材料，与自制胶粉沥青相似。针对 种不同沥青，式（）中的线性关系如图 （）所示，依据 指标评价不同沥青的温度敏感性：复合改性橡胶沥青的 指标为.，随着温度 升高变化相对较小，与自制胶粉沥青 指标.较接近，其对温度的敏感性显著低于 道路石油沥青和 改性沥青。（）低温性能应用弯曲梁流变试验在 温度下评价复合改性橡胶沥青的低温流变性，并与、改性沥青、自制胶粉沥青做对比，测试结果见表。通过弯曲蠕变劲度 比较不同沥青的低温流变性，相同温度下复合改性橡胶沥青劲度仅 ，低温性能相对较好，其次为自制胶粉沥青、改性沥青，沥青低温性能较差。根据蠕变速率 值的测试结果，复合改性橡胶沥青应力松弛能力相对较好，其主要原因是工厂化集中生产的复合改 第 期祝谭雍，等：基于厂拌热再生的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂性能研究图 动态剪切流变试验结果.表 不同沥青 的流变性能测试结果.评价指标沥青改性沥青复合改性橡胶沥青自制胶粉改性沥青技术要求.性橡胶沥青中所含的胶粉微粒在沥青中经过充分的物理化学反应过程，溶胀形成了互相联络的空间立体网状结构，这种胶粉沥青混溶体系有效改善了沥青的低温流变性能。（）疲劳性能沥青路面的疲劳开裂受气侯、重载交通等外因以及混合料材料组成、性能等内因的综合影响，就沥青混合料而言，研究统计发现沥青胶结料对路面疲劳寿命的影响超过。在 环境下通过动态剪切流变试验计算得到沥青疲劳因子 ，越小表示每个加载周期耗散能越小，材料内部的损伤积累越慢。根据图，不同沥青在常温下的疲劳因子：复合改性橡胶沥青 相对较小，疲劳性能优图 不同沥青的疲劳因子比较.于自制胶粉沥青、改性沥青及 沥青。时间扫描试验能够模拟沥青试件从损伤产生、发展至疲劳破坏的各阶段，相关研究显示，应变控制模式下沥青的疲劳寿命 与混合料疲劳寿命之间存在较强关联，相关系数平均达.以上，其中 定义为沥青复数模量衰减至初始模量（试验初期加载至 次的模量）时的循环加载次数。本研究在 下，以 ，应变水平加载对 种沥青进行时间扫描试验，测试结果见表。复合改性橡胶沥青的疲劳寿命要高于自制胶粉改性沥青、改性沥青和 沥青，这与采用 指标的试验结果一致。上述结果表明，将复合改性橡公路交通科技第 卷表 不同沥青疲劳寿命对比.沥青种类变异系数 试件个数 沥青.改性沥青.复合改性橡胶沥青.自制胶粉改性沥青.胶沥青应用于应力吸收层当中有助于提高路面抗裂性能。复合改性橡胶沥青再生应力吸收层为研究掺再生料的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂能力，分析 掺量对路用性能的影响程度及变化规律，采取小梁弯曲、环形加载、含预切缝的半圆弯曲试验探究厂拌热再生在复合改性橡胶沥青应力吸收层中的应用效果。.检测采用某高速公路养护工程上面层 铣刨料，原路面设计使用 改性沥青，分级为。经检测，含水量.，砂当量.，均能满足再生技术标准。抽提级配及沥青检测结果见表。表 抽提级配.筛孔尺寸.通过率 .表 抽提沥青检测结果.油石比 针入度（，）（.）延度（，）软化点.配合比设计为制备应力吸收层混合料，将 依据粒径大小筛为 档，由粗到细分别用“”，“”，“”，“”表示，分档筛孔尺寸为.，.，.，各档 的沥青及级配见表 和图。表 各档 沥青含量.旧料分档油石比.应力吸收层采用公称最大粒径较小的，使图 各档 抽提后级配曲线.用 等 档料，设计制备了 掺量分别为，的橡胶沥青应力吸收层混合料，不同 掺量的配比见表。表 不同 掺量的 配合比设计结果.旧料掺量 筛孔尺寸.油石比.低温小梁弯曲试验采用小梁弯曲评价复合改性橡胶沥青再生混合料的低温性能，根据规范要求，在 下以 加载，不同 掺量下的混合料试验结果见表。在各 掺配比例下，复合改性橡胶沥青再生混合料 的抗弯拉强度总体高于新拌混合料，破坏应变则随着 掺量的增加而逐渐下降。其中，新料的最大弯拉应变超过 ，在，和 的 掺量下，最大弯拉应变分别降低了.，.，.。这表明，旧料的掺入对于复合改性橡胶沥青应力吸收层材料的低温抗变形能力影响较大，特别是 下该指标衰减较显著。对照 公路沥青路面施工技术规范 标准，当 掺量在 以内，应力吸收层能够达到各类气候分区的低温性能要求，而在 掺量时，已不能满足冬严寒区 的技术标准。表 复合改性橡胶沥青再生混合料 小梁弯曲试验结果.掺量 破坏强度.破坏应变 第 期祝谭雍，等：基于厂拌热再生的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂性能研究.环形加载试验性能研究为模拟应力吸收层在路面结构中的实际受力状态，采用自行设计的环形加载试验评价复合改性橡胶沥青再生应力吸收层的力学性能。压头底端直径 ，在施加荷载时模具从周围向试件提供竖向支撑。环形加载相较于传统小梁弯曲的加载方式，能更好模拟路面结构层的 向受力状况；试验所采用的圆柱