橡膠瀝青應力吸收層研究進展

劉 廣

（山西省公路局晉城分局，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著經濟的發展，我國路網也得到了快速發展，過去三十年間我國大力發展基礎建設，作為目前運輸重要方式之一的高速公路，發展最為完善。經過長期實踐，瀝青路面由于舒適性好、表面平整無接縫、噪聲低、養護方便等優點得到了大力發展。但是隨著瀝青路面運營年限的增加,經常發生裂縫、坑槽、車轍等病害。目前在舊路面的升級改造和新路面的建設中，橡膠瀝青應力吸收層得到了廣泛的應用[1]。該技術兼顧了經濟性和使用性能的同時，還具備施工便捷、適應性強等特點[2]。

然而目前公路建設人員對橡膠瀝青應力吸收層的認識和了解有限，對于橡膠瀝青應力吸收層在抗反射裂縫方面的作用機理和力學性能缺乏足夠的認識。本文從橡膠瀝青的材料、研究方法、應用效果驗證及目前的研究進展方面展開論述，全面分析了橡膠瀝青應力吸收層的優勢，可為后續公路建設提供借鑒。

1 橡膠瀝青應力吸收層發展歷程與研究現狀

橡膠瀝青作為應力吸收層最早出現在20世紀60年代，美國公路工程師Charles H.Mac Donald將廢膠粉與瀝青在高溫下混合后制備出了最初的橡膠瀝青，并將所制備的橡膠瀝青用于道路養護中[3]。南非和北美等國家對橡膠瀝青應用非常廣泛，也是最早嘗試將橡膠瀝青作為防水黏結材料用于路面建設的[4]。經過南非等國家的研究及實踐應用表明，橡膠瀝青應力吸收層替代水穩層與瀝青面層中間的稀漿封層后，可有效延長路面的使用壽命，延長路面的養護周期，由于橡膠瀝青應力吸收層介于水泥穩定層與瀝青面層中間，可以一定程度上降低瀝青面層的厚度[3，5]。將該技術應用到了舊路面的改造工程中，也可以有效延緩反射裂縫的出現，延長了改造路面的周期，降低了建造成本。現有研究表明，經過加鋪橡膠瀝青應力吸收層，對于原路面使用壽命延長有較顯著的效果。

2000年后，橡膠瀝青受到科研工作者的關注。鄭健龍等[6]研究了特定時間內溫度變化對溫縮型反射裂縫的影響規律，并在此基礎上得出了溫度變化的速度和幅度對裂縫的發展有著重要的影響。楊洋等[7]研究了橡膠瀝青應力吸收層在抑制路基反射裂縫應用效果，在室內模擬了水泥混凝土與瀝青混合料疊加的典型“白加黑”結構，在兩層之間設置了橡膠瀝青應力吸收層，模擬工程應用中水泥混凝土加鋪瀝青面層，分析了橡膠瀝青應力吸收層在抗反射裂縫方面的工藝條件和方法，研究了橡膠瀝青應力吸收層對加鋪結構抗裂性能的影響。

近年來，隨著橡膠瀝青應力吸收層在裂縫防止方面的優異表現，逐漸地被用于各種路面的裂縫防治工作中。2009年，寧夏的中孟高速中衛段在基層上鋪筑了橡膠瀝青應力吸收層試驗段[8]；泗許高速為安徽省第一條大規模應用橡膠瀝青應力吸收層的高速公路[9]；2010年，榮烏高速公路煙臺繞城，鋪筑了2 cm厚橡膠瀝青應力吸收層試驗路。以上工程均取得了良好的效果。2011年該高速亳州段在基層頂部采用橡膠瀝青應力吸收層以代替常見的稀漿封層材料；深汕高速也在K279—K280段進行了橡膠瀝青應力吸收層試驗段的鋪筑[10]。

目前作為橡膠瀝青應力吸收層的材料主要是以廢舊膠粉改性基礎石油瀝青為基礎，然后進行的進一步改性和性能提升，改性劑有鏈接劑（TOR）、廢舊膠粉活化處理等。

20世紀70年代以后，歐美發達國家開展了橡膠瀝青的廣泛應用研究，尤其以南非、美國研究的最為深入。經過多個國家的試驗段驗證和服役后期的使用性能研究發現，橡膠瀝青黏結強度高、耐久性好、路面的使用舒適性優于普通瀝青路面，且具有良好的路面防水性能，廢舊膠粉改性瀝青路面使用壽命是純瀝青路面使用壽命的兩倍以上，主要是提高了瀝青路面的高溫性能和低溫抗裂性，還可以顯著地提升橡膠瀝青的高低溫抗變形能力，這是普通瀝青或普通改性瀝青所不具備的。正是由于橡膠瀝青的優異性能，逐步地得到了許多國家的認可，并開展了大規模的應用。

而橡膠瀝青由于黏度高使得拌和和改性的溫度也相應地提高，研究者為了解決橡膠瀝青拌和溫度高等問題，逐步開展了降低橡膠瀝青黏度的技術開發，包括增加發育時間、添加改性劑、活化廢舊膠粉等。

美國于1998年開始使用橡膠鏈接劑TOR作為改性劑，進一步提升了橡膠瀝青的抗剝落性能；國內張子宏等[11]研究者開展了活化劑對橡膠瀝青性能的研究，利用不同結構的含硫塑解劑對膠粉活化再生，通過再生膠制備出了硫化膠，研究了橡膠瀝青的性能變化，研究結果顯示活化劑中苯環上官能團含量的增加有利于再生膠和硫化膠的生成。

很多研究者將上述的活化脫硫技術和交聯反應技術引入了橡膠瀝青的制備當中，制備出了性能優異的橡膠瀝青，并將其應用到了應力吸收層中，取得了不錯的應用效果[12]。

2 橡膠瀝青應力吸收層應用領域

目前橡膠瀝青應力吸收層主要用于3個方面：a）舊水泥混凝土路面改造，即“白+黑”路面改造工程；b）新建高速公路，用于替代現在用于水泥穩定層與瀝青面層中間鋪設的稀漿封層；c）用于替代橋面防水黏結層，鋪設于橋面水泥混凝土與橋面瀝青混合料之間。

根據橡膠瀝青應力吸收層的應用領域不同，所起的作用也有所不同。第一，水泥路面改造加鋪瀝青路面工程，橡膠瀝青應力吸收層的作用主要是起到承上啟下的作用，即將無機的水泥混凝土與有機的瀝青混合料黏結，保證加鋪層與舊路面有更好的整體性，防止加鋪的瀝青路面發生推移擁包等病害。第二，橡膠瀝青應力吸收層在新建高速公路中替代稀漿封層，作用類似于第一種情況，起到了將瀝青路面與水泥穩定層黏結在一起，同時防止水分滲透到水泥穩定層及路基，同時延緩了水泥穩定層和路基裂縫反射到瀝青面層的時間。第三，橡膠瀝青應力吸收層應用于橋面防水，主要是防止水分滲透到橋面上，對橋梁內部鋼骨架造成腐蝕，防止橋梁早期損害，也起到了承上啟下的黏結作用，將路面的應力均勻地分散到橋面[13]。

3 橡膠瀝青應力吸收層設計方法

目前在橡膠瀝青的設計方法中主要為：空隙填充理論、有限元分析、經驗法。

空隙填充理論法，其理論基礎就是Hanson的空隙填充理論法，該設計方法采用骨料堆密度、集料空隙率和集料吸水率，并依據骨料尺寸和扁平指數計算出應力吸收層所需的碎石最小尺寸，設計過程還會考慮已運營的路面參數、交通通行量、路面破損狀況、骨料嵌固結構等多個因素，最后采用相關公式確定最佳的骨料撒布量和瀝青結合料用量[14]。

軟件分析法，目前的軟件分析方法中有靜力平衡法、斷裂力學法和有限元分析法。其中有限元分析法在工程應用最為廣泛，有限元分析法是利用有限元計算軟件，借鑒現實中的工程實踐經驗，利用數學近似的方法對應力吸收層的應力特性進行模擬，通過模擬加鋪結構的應力特點，分析研究瀝青加鋪層結構參數、應力吸收層參數、應力吸收層模量對加鋪底層荷載應力、應力吸收層底部荷載應力的影響。通過有限元分析可以模擬不同的瀝青混合料加鋪層、基本情況、車輛行駛速度等參數得到應力吸收層的結構受力行為，分析應力響應情況進行分析，得出應力吸收層與舊路面之間力學相應的關聯關系，明確在動態荷載作用下應力吸收層的結構受力行為，以及應力吸收層對路面結構受力影響的關系[15]。

經驗法是最常用的橡膠瀝青應力吸收層設計施工的方法之一。該方法結合實際工程經驗與施工要求，確定出了橡膠瀝青的用量、石料用量、石料規格及橡膠瀝青的性能指標，由經驗豐富的道路工程技術人員根據實際施工需求和經驗，初步確定施工參數，然后通過小范圍施工觀察施工效果是否滿足設計要求，逐步調整，確定最終的施工參數[16]。

4 橡膠瀝青應力吸收層試驗方法

為了更好地分析橡膠瀝青應力吸收層的作用機理，很多科研工作和在室內模擬不同應用場景下的橡膠瀝青應力吸收層應用效果。主要是利用疲勞試驗機，按照實際使用情況制備試件，然后分析不同情況下加鋪橡膠瀝青應力吸收層的結構與未加鋪橡膠瀝青應力吸收層的結構之間的抗疲勞性能，進而宏觀地得到橡膠瀝青應力吸收層反射裂縫方面的作用效果。

5 橡膠瀝青應力吸收層研究熱點

目前關于橡膠瀝青應力吸收層的研究主要有以下幾方面：a）降低橡膠瀝青應力吸收層的施工溫度；b）提升橡膠瀝青儲存穩定性，減少離析溫差；c）進一步提升橡膠瀝青應力吸收層的抗反射裂縫性能。

其中，降低橡膠瀝青應力吸收層的施工溫度和提升橡膠瀝青存儲穩定性是目前橡膠瀝青應力吸收層的熱點研究方向。降低橡膠瀝青的施工溫度到普通改性瀝青的溫度范圍，可以極大地降低橡膠瀝青的施工難度，有助于橡膠瀝青在道路建設的全面應用，有著戰略性的意義。而提升橡膠瀝青的存儲穩定性，降低離析溫差可以降低施工成本，改善施工和易性，避免了長期存儲導致橡膠瀝青嚴重離析進而導致工程質量不穩定。

6 結語

橡膠瀝青應力吸收層由于其優異黏結性能和高溫黏彈性，使得橡膠瀝青應力吸收層可以在舊路面改造、新路面建設及橋面防水等方面有著重要的作用。橡膠瀝青應力吸收層的應用，可以顯著延長道路的使用壽命，降低道路的綜合使用成本，有顯著的經濟和社會效益。