永久性路面面层高掺量橡胶沥青材料路用性能研究_杨毅.pdf

第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：作者简介：杨毅（），男，四川南充人，高级工程师（.）：.永久性路面面层高掺量橡胶沥青材料路用性能研究杨 毅，龚 演，郑 俞，石长洪，刘军海（.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安；.交通运输部公路科学研究院，北京；.合肥明巢高速公路有限公司，安徽 合肥）摘要：橡胶沥青的路用性能优异，同时橡胶沥青的应用有助于进一步推进废旧轮胎的资源化利用。为满足永久性路面面层材料的高性能需求，助力“双碳”目标，在普通橡胶沥青的基础上进一步提升了橡胶沥青的胶粉掺量，通过预活化和加入裂解剂的方式制备了 胶粉掺量的橡胶沥青，进而制备了 种级配的沥青混合料，研究了高掺量橡胶沥青及沥青混合料的路用性能。沥青尺度下采用多应力蠕变恢复（）试验、线性振幅扫描（）试验和弯曲梁流变仪（）试验进行了高掺量橡胶沥青高温抗车辙、抗疲劳和低温抗裂性能评价。混合料尺度下通过车辙试验、四点弯曲疲劳试验、半圆弯曲试验研究了高掺量橡胶沥青混合料的抗车辙、抗疲劳和低温抗裂性能。结果表明：随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青及混合料抗车辙性能提升，且由于沥青中弹性成分的增加，导致橡胶沥青应力敏感性增加；橡胶沥青及混合料的疲劳性能随着胶粉掺量的增加而增加，混合料级配对于疲劳性能的影响较小；胶粉的掺加进一步提升了橡胶沥青及混合料的低温性能；高掺量橡胶沥青具有优良的路用性能，且符合永久性路面性能需求及设计理念，基于面层结构的功能需求提出的 掺量的橡胶沥青适用于路面中、下面层，掺量的橡胶沥青适用于路面表面层。关键词：道路工程；永久性路面；流变测量学；高掺量橡胶沥青；沥青混合料性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，.，；.，；.，.，）：，.“”，.，.，（），（），（）.公路交通科技第 卷，.（），.（），.（）.（）.，.：；引言我国高速公路沥青路面的设计寿命为 ，而大部分沥青路面的服役寿命偏短，在 左右就进入大中修期。路面服役寿命较短产生了大量的养护、改扩建以及新建路面任务，造成资源浪费及环境污染，因此，发展和建设永久性沥青路面有较强的必要性。永久性沥青路面又称为长寿命路面，通过对路面结构及材料设计的优化，使路面服役寿命可达到 。橡胶沥青是一种性能优越的改性沥青材料，能够同时实现废旧轮胎的资源化利用。高掺量橡胶沥青可通过进一步提高胶粉掺量以提升路用性能，缓解废旧轮胎堆积造成的环境污染问题。因此，发展永久性路面和高掺量橡胶沥青可有效减少资源消耗和浪费，助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。永久性沥青路面的关键问题在于路面结构设计理论、材料控制机理、性能监测方法和施工质量控制。“耐久性面层、长寿命基层、永久性路基”组合的永久性路面结构设计体系逐渐替代传统的等寿命设计理论，解决了路面各层性能需求差异的问题。同济大学孙立军团队依据工程中的具体问题，提出了针对永久性路面各关键环节的精细化设计理论。交通运输部公路科学研究院王旭东等基于 足尺环道的加速加载试验，对多种永久性路面结构长期性能进行了观测，通过理论分析、数值模拟等方法提出了一系列永久性路面设计理论方法。永久性沥青路面材料设计也是提高路面耐久性的主要技术对策，通过改进混合料配合比设计方法、掺入高性能添加剂、以及开发功能性路面材料，进一步提升沥青材料的路用性能。橡胶沥青具有优良的路用性能，且符合环保理念，因此被广泛应用于永久性路面之中。近年来，橡胶沥青受到国内外学者的广泛关注，研究主要集中在生产工艺、微观改性机理、路用性能以及特殊功能性方面。橡胶沥青的生产工艺主要有湿法和干法两种，孙大权等研究了不同生产工艺下的胶粉掺量、胶粉颗粒大小、反应温度、反应时间等因素对橡胶沥青性能的影响。等通过流变试验研究了橡胶沥青的发育温度、发育时间对性能的影响。胶粉与沥青的相互作用较为复杂，改性机理包括物理和化学的共同作用。研究了橡胶沥青反应时间与反应机理的关系，指出随着时间的增加，化学反应更加明显。等利用宏 微观试验对不同胶粉种类与掺量的橡胶沥青性能进行了研究，结果显示，橡胶沥青的存储稳定性与胶粉颗粒的溶胀和裂解程度密切相关，同时也对流变性能产生影响。胶粉的掺入可以全面提升沥青的低温抗裂性、中温抗疲劳性能以及高温抗车辙性能，不同掺量的橡胶沥青及混合料的路用性能均得到了广泛的验证。同时，由于胶粉颗粒的阻尼及高弹性，橡胶沥青混合料还存在高抗滑和降噪等优良的功能性，此外，胶粉的掺入对沥青混合料的自愈性能也产生影响。通常，橡胶沥青的胶粉掺量在 之间，而当胶粉掺量增大时（以上），橡胶沥青的黏度增大，路用性能也更优异，一般用于高等级公路的面层。大掺量橡胶沥青不仅用于提升路用性能，还由于部分地区废旧轮胎堆积，可缓解环境压力。然而大掺量橡胶沥青及橡胶沥青混合料的性 第 期杨 毅，等：永久性路面面层高掺量橡胶沥青材料路用性能研究能还需要进一步验证，且针对永久性路面设计理念，不同掺量的橡胶沥青混合料是否满足具体路面各层的性能需求还需要进一步研究。因此，本研究选取掺量的橡胶沥青，并制备不同级配的沥青混合料，研究胶粉掺量对沥青及混合料高、中、低温性能的影响，结合永久性路面设计理论，路面表面层为功能层，中面层为抗车辙结构层，下面层为抗疲劳层，进行不同面层的材料设计。原材料及试验方法.基质沥青本研究所使用的基质沥青为鑫海 道路石油沥青。参考规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）对所选基质沥青的相关指标进行了检测，如表 所示，所有指标均满足规范要求。表 基质沥青性能指标.技术指标测试结果试验方法针入度（，）（.）.延度（，）软化点 动力黏度（）溶解度.橡胶沥青本研究所选用的胶粉为河北唐山志军再生胶厂生产的 目胶粉，其相关物理、化学指标如表 所示。当胶粉含量过高时，沥青中的轻质组分不足以使胶粉发生充分溶胀，影响橡胶沥青的性能。因此，本研究首先采取一定的措施对胶粉进行预活化处理，并通过使用裂解剂提升胶粉与沥青的相容性，最终通过充分的剪切制备，掺量的橡胶沥青，具体制备流程如下：（）将一定量的胶粉与其 质量比的生物油进行充分拌和，并在 下加热 ，完成胶粉的预活化；（）将活化后的胶粉按目标占比加入到流动状态的基质沥青中，同时加入胶粉质量 的二硫化二苯并噻唑（）作为裂解剂；（）将混合后的橡胶沥青在 ，剪切速率的条件下发育 ，即制得高掺量橡胶沥青。.沥青混合料本研究设计了 种级配的橡胶沥青 混 合 料（），如图 所示，一般用于上面层，一般用于中面层，一般用于下面层。表 胶粉物理及化学指标.检测指标技术要求检测方法检测结果筛余物 .相对密度.含水率 .铁含量.纤维含量 .灰分 .丙酮抽出物 .炭黑含量 .橡胶烃含量 .图 沥青混合料级配曲线.高掺量橡胶沥青性能试验.多应力蠕变恢复（）试验本研究利用 动态剪切流变仪（）进行橡胶沥青 试验，试验温度为各沥青对应的高温 温度。参考规范（）（）（）进行 试验，先以.的应力循环加载 个周期，每个周期包括 的蠕变阶段和 的卸载恢复阶段，其中前 个周期为预试验，再以.的应力循环加载 个周期，获得试验过程中沥青的应力、应变响应，通过式（）计算不可恢复蠕变柔量（）指标评价高掺量橡胶沥青的高温抗车辙性能，通过式（）计算不可恢复蠕变柔量相对差异（）指标评价橡胶沥青的应力敏感性。，（）式中，为蠕变结束应变；为恢复结束应变；为蠕变加载应力。公路交通科技第 卷.，（）式中，.为.应力下的 值；.为.应力下的 值。.线性振幅扫描（）试验 试验同样是在 上进行的，试验温度选取典型中温 ，参考规范 （）进行 试验，评价橡胶沥青的抗疲劳性能。测试程序分为两部分，首先进行应变水平为.的频率扫描试验以获得沥青线黏弹性参数，频率范围为.；进一步执行应变从.线性增加至 的振幅扫描程序，加载频率为 ，获得试验过程中的应力、应变响应，以 下降至初始水平的为疲劳失效点，进而基于黏弹性连续介质损伤（）模型计算沥青的疲劳寿命方程，如式（）所示，计算任意应变水平下高掺量橡胶沥青的疲劳寿命（）：（），（）式中，为通过 模型计算得到的疲劳寿命方程拟合参数；为应变。.弯曲梁流变仪（）试验本研究通过 试验评价橡胶沥青的低温抗裂性，参考规范 （）（），分别在试验温度为，和 下对橡胶沥青样品进行 的恒定加载试验，得到第，及 的劲度模量 和蠕变速率 指标，本研究选取第 的 和 值作为高掺量橡胶沥青的低温性能评价指标。.高掺量橡胶沥青混合料性能试验.车辙试验本研究对不同掺量和级配的橡胶沥青混合料进行车辙试验，参考规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）中 的车辙试验方法，试验温度为 ，荷载为.，通过动稳定度指标评价混合料的高温性能。.四点弯曲疲劳试验本研 究 制 备 尺 寸 为.的小梁，参考规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）中 的四点弯曲疲劳试验方法，试验温度为典型中温，加载频率为 ，应变水平为.，.，.。以第 次加载的模量为混合料的初始模量，疲劳失效点定义为模量下降至初始值的，此时对应的加载次数为混合料的疲劳寿命（）。.低温半圆弯曲（）试验本研究参考规范 （）（），切割旋转压实成型试件，制备直径 、厚度 的半圆试件，并预制 的切缝，进行低温 试验，试验温度为。试验前对试件施加初始荷载.，加载速率为.，当达到初始荷载后，以 的加载速率进行测试，最终当荷载低于.以下时试验停止，记录试验过程中的荷载及位移数据。试验过程中典型的荷载与位移曲线如图 所示，试验初期，荷载随着位移的增加而不断增大，当荷载达到峰值后开始降低。参考规范中的数据分析方法，将曲线以峰值荷载点划分为两部分，根据式（）对曲线前半部分进行多项式拟合，根据式（）对曲线后半部分进行多项高斯曲线拟合，断裂功（）可根据式（）进行积分求得，最终根据式（）计算断裂能（）指标，其中 为试件韧性区面积，根据测量试件的几何尺寸计算得到。（），（）式中，（）为第一阶段曲线多项式拟合方程；，为方程拟合参数；为 试验过程中的位移。（）|，（）式中，（）为第二阶段高斯曲线拟合方程；，为方程拟合参数；为高斯曲线方程阶数，此处为。（）（），（）式中，分别为峰值荷载对应的位移和试验结束对应的位移。，（）式中，为试件韧性区面积，通过（）计算得到；为试件半径；为预制裂缝长度；为试件厚度。高掺量橡胶沥青性能分析.高温性能分析通过对 掺量的橡胶沥青进行 试 第 期杨 毅，等：永久性路面面层高掺量橡胶沥青材料路用性能研究图 低温 试验荷载位移曲线.验，计算.，.和 指标，将结果汇总于图。从图中可以看出，随着胶粉掺 量 的 增 加，.，.的值均降低，说明橡胶沥青的高温抗车辙性能随着胶粉掺量的增加而提升。此外，值的逐渐增加说明胶粉掺量的增加提升了高掺量橡胶沥青的应力敏感性，这是由橡胶沥青中的弹性成分增多导致的。橡胶材料与沥青类似，同样是一种典型的黏弹性材料，具有显著的温度依赖性。然而，橡胶材料的温度敏感性弱于沥青材料，当温度升高时，沥青的黏性增加较快，难以抵抗荷载的作用，易产生永久变形，而橡胶颗粒在一定程度的高温下仍具有较高的弹性，因此胶粉的掺入增加了橡胶沥青中的弹性成分，进一步提升了高温抗车辙性能。然而由于胶粉与沥青的物理、化学作用机理，当胶粉掺量过高时，胶粉无法与沥青相容，导致橡胶沥青的黏度过大，不易拌和，且容易发生离析，因此高掺量橡胶沥青的掺量一般不超过。图 橡胶沥青 试验结果.疲劳性能分析本研究以 试验中橡胶沥青模量下降至初始值的 为疲劳失效判定指标，结合试验过程中材料的应力、应变响应，基于 模型得到橡胶沥青的疲劳寿命方程，计算.和 应变水平下材料的疲劳寿命，结果如表 所示。通过分析表中数据结果可以发现，.和 应变水平下高掺量橡胶沥青的疲劳寿命均随着胶粉掺量的增加而增加，掺量的橡胶沥青疲劳性能显著优于较低掺量的橡胶沥青。胶粉的掺入增加了沥青的黏度，本研究通过橡胶沥青制备过程中的预活化处理和加入裂解剂进一步促进了胶粉在沥青中的溶胀效应，进而提升了橡胶沥青的抗疲劳性能。表 橡胶沥青 试验结果.胶粉掺量 .次 .次 图 橡胶沥青 试验结果.低温抗裂性能分析本研究利用 试验评价高掺量橡胶沥青的低温抗裂性能，种低温（，）下橡胶沥