橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)及應(yīng)用研究

要 海 亮

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

目前，半剛性基層材料由于其優(yōu)異的性能在我國(guó)道路建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用，但半剛性基層在另一方面存在著在荷載與溫度作用下容易開(kāi)裂的缺點(diǎn)[1]。基層裂縫的向上擴(kuò)展將會(huì)延伸至瀝青路面面層從而產(chǎn)生反射裂縫[2]。反射裂縫是瀝青路面常見(jiàn)的一種病害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其預(yù)防進(jìn)行了大量的研究，如增設(shè)土工布、纖維碎石封層以及橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。

國(guó)內(nèi)外已有研究表明在半剛性基層與面層之間設(shè)置橡膠應(yīng)力吸收層可有效抑制基層裂縫的擴(kuò)展與反射裂縫的產(chǎn)生并能形成防滲性能較好的隔水層[3-4]。另一方面由于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層具有施工快捷、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點(diǎn)，使得其在路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程特別是路面的“白改黑”工程中得到了較好的應(yīng)用[5-6]。但其性能受材料性能與配合比設(shè)計(jì)影響較大，國(guó)內(nèi)外缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其性能與應(yīng)用效果的研究善有欠缺。

本文對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其性能展開(kāi)了研究，通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析，為其推廣使用提供了參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1) 瀝青：基質(zhì)瀝青采用重交AH-70瀝青，參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]，其相關(guān)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 重交AH-70瀝青的性能指標(biāo)

(2) 橡膠粉：橡膠粉選用路40-2橡膠粉，膠粉應(yīng)保證無(wú)鐵與其他雜質(zhì)。其相關(guān)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 橡膠粉的性能指標(biāo)

(3) 集料：集料選用石灰?guī)r碎石，粒徑為9.5 mm～13.2 mm。參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]，對(duì)其性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 集料的物理性能檢測(cè)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

(1) 橡膠粉配合比。參照相關(guān)規(guī)范[8]，在橡膠瀝青中初選橡膠粉的摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為18%、20%、22%進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，其主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，當(dāng)橡膠粉的摻量為18%時(shí)，橡膠瀝青的部分指標(biāo)不符合規(guī)范要求。橡膠粉的摻量為20%、22%時(shí)性能滿(mǎn)足規(guī)范要求，但考慮經(jīng)濟(jì)效益，取橡膠瀝青中橡膠粉的最佳摻量為20%。

表4 橡膠瀝青的性能檢測(cè)結(jié)果

(2) 橡膠瀝青及碎石用量。借鑒已有研究成果[9-12]，橡膠瀝青用量的經(jīng)驗(yàn)取值為2.0 kg/m2～2.6 kg/m2，碎石的撒布量取14 kg/m2～16 kg/m2。

1.3 試驗(yàn)方案

為了檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)法推薦橡膠瀝青用量與碎石撒布量的合理性，以乳化瀝青封層作為試驗(yàn)對(duì)照組，室內(nèi)試驗(yàn)取碎石的撒布量為15 kg/m2，橡膠瀝青用量分別取1.8kg/m2、2.4 kg/m2、3.0 kg/m2分別制備試件。參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]分別進(jìn)行斜剪試驗(yàn)分析橡膠瀝青應(yīng)力吸收的抗拉與抗剪性能、進(jìn)行拉拔試驗(yàn)檢驗(yàn)粘結(jié)性能、進(jìn)行疲勞試驗(yàn)檢驗(yàn)疲勞性能，通過(guò)上述試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)橡膠瀝青作為中間吸收層的可行性，并驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法所推薦橡膠瀝青用量與碎石撒布量的合理性。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗剪切性能

橡膠瀝青作為中間應(yīng)力吸收層，需要具備由上至下傳遞荷載的能力，但同時(shí)對(duì)其粘結(jié)性能也具有較高要求。若其層間抗剪強(qiáng)度低，則會(huì)成為軟弱夾層，路面面層在車(chē)輛荷載作用下極易發(fā)生水平滑移。因此，需對(duì)其抗剪切性能進(jìn)行試驗(yàn)研究以評(píng)定其是否滿(mǎn)足上述要求。

橡膠應(yīng)力吸收層的層間抗剪切性能通過(guò)45°斜剪試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試件尺寸為10.0 cm×10.0 cm×10.4 cm，試件模型如圖1所示。剪切試驗(yàn)時(shí)的溫度為25℃，斜剪試驗(yàn)采用路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀，加載速率分別設(shè)定為50 mm/min與10 mm/min，試件加載方向與剪切方向成α=45°，則剪切面為上剪應(yīng)力τ可表示為：

τ=P·sinα/F

(1)

式中：F為試件的剪切面面積;P為荷載。

剪切試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。

由表5可知，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度隨著橡膠瀝青摻量的增大而增大，其中橡膠瀝青摻量由1.8 kg/m2提高到2.4 kg/m2時(shí)，其抗剪切強(qiáng)度提高幅度達(dá)到了48.7%，而后橡膠瀝青摻量繼續(xù)增加時(shí)，抗剪強(qiáng)度增加幅度放緩。相比于乳化瀝青封層，三種不同橡膠瀝青摻量下橡膠應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度均要提升很多，提升幅度達(dá)到了2倍～4倍，表明橡膠應(yīng)力吸收層的抗剪切性能優(yōu)異，明顯優(yōu)于乳化瀝青封層。

圖1 剪切試件模型

表5 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層剪切試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)溫度：25℃)

已有研究表明[13]：路面面層或罩面下5 cm處的剪切應(yīng)力為0.18 MPa～0.40 MPa，且剪應(yīng)力隨著向下深度的增大逐漸降低，隨面層模量增大而出現(xiàn)升高。因此，綜合以上分析可知：

三種經(jīng)驗(yàn)法推薦橡膠瀝青摻量下的抗剪強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.4 MPa，這表明它符合路面設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，可有效防止基層裂縫的擴(kuò)展與反射裂縫的產(chǎn)生。

2.2 粘結(jié)性能

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與下層結(jié)構(gòu)必須粘結(jié)牢固，以保證車(chē)輛荷載下其與基層粘結(jié)牢固，不至于發(fā)生剪切破壞。

粘結(jié)性能檢測(cè)可采用便攜式拉拔儀進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉頭直徑為10 cm，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 拉拔試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)溫度：25℃)

由表6可知，橡膠瀝青應(yīng)力層在橡膠瀝青摻量增大的情況下，拉拔強(qiáng)度增大趨勢(shì)并不明顯。因此，由于碎石粒徑的限制，增加橡膠瀝青用量來(lái)提高拉拔強(qiáng)度效果不明顯。但橡膠瀝青應(yīng)力吸收在各橡膠摻量下的拉拔強(qiáng)度均明顯大于乳化瀝青封層，粘結(jié)性能良好。

2.3 疲勞性能

疲勞壽命是評(píng)定橡膠應(yīng)力吸收層在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中的性能的重要指標(biāo)，試驗(yàn)時(shí)所采用的試件長(zhǎng)×寬×高分別為382.0 mm×64.5 mm×95.0 mm的復(fù)合小梁試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試件模型如圖2所示。

圖2 疲勞試驗(yàn)試件模型

試驗(yàn)在15℃溫度條件下進(jìn)行，荷載為0.7 MPa，分別控制加載頻率與應(yīng)變?yōu)?0 Hz、400 uε，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 疲勞試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)溫度：15℃)

由表7可知，橡膠瀝青應(yīng)力吸收的疲勞壽命隨著橡膠瀝青摻量的增加出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，其中當(dāng)橡膠瀝青用量由1.8 kg/m2增加到2.4 kg/m2時(shí)，疲勞壽命增長(zhǎng)了20%；橡膠瀝青用量由2.4 kg/m2增加到3.0 kg/m2時(shí)，疲勞壽命增長(zhǎng)幅度達(dá)到了174%。與乳化瀝青封層相比，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的疲勞壽命大大提高，橡膠瀝青的疲勞壽命較好。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某“白改黑”道路工程K135+238—K147+320段采用橡膠應(yīng)力吸收層作為舊水泥路面與瀝青面層之間的中間應(yīng)力吸收層。瀝青面層為5 cm厚AC-1瀝青混合料，橡膠應(yīng)力吸收層厚度為1.5 cm，原水泥混凝土路面厚5 cm。橡膠應(yīng)力吸收層所使用材料均同室內(nèi)試驗(yàn)，橡膠粉細(xì)度為40目，橡膠瀝青中橡膠粉的摻量為20%，參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，橡膠瀝青的用量取2.4 kg/m2～2.6 kg/m2。石灰?guī)r碎石集料的粒徑同室內(nèi)試驗(yàn)，最佳撒布量取14 kg/m2～16 kg/m2。該“白改黑”工程中對(duì)施工工藝進(jìn)行了嚴(yán)格控制，工程施工完成后對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行了相應(yīng)性能檢測(cè)。

3.2 橡膠瀝青生產(chǎn)

橡膠瀝青生產(chǎn)時(shí)，先將橡膠粉與基質(zhì)熱瀝青按相應(yīng)的設(shè)計(jì)配合比摻入反應(yīng)罐內(nèi)，再摻入添加劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢璨⑦M(jìn)一步加熱保溫，使橡膠瀝青進(jìn)行充分反應(yīng)。具體生產(chǎn)流程圖如圖3所示。

3.3 施工準(zhǔn)備

(1) 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試鋪前對(duì)原水泥混凝土路面進(jìn)行清掃、沖洗與銑刨，對(duì)原路面裂縫處進(jìn)行修補(bǔ)與灌縫，應(yīng)特別注意對(duì)原水泥混凝土路面的橫縱縫進(jìn)行清掃并重新灌縫。

(2) 施工前對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行試鋪，確保施工精度。注意施工前2 h對(duì)橡膠瀝青灑布車(chē)進(jìn)行預(yù)熱。

(3) 施工應(yīng)避開(kāi)雨雪天氣，并確保風(fēng)速不影響橡膠瀝青灑布。

(4) 確保現(xiàn)場(chǎng)人員與檢測(cè)試驗(yàn)儀器已到位。

3.4 施工要點(diǎn)

(1) 橡膠瀝青灑布：嚴(yán)格控制瀝青灑布車(chē)速度，保持勻速前行，確保橡膠瀝青灑布的均勻性，灑布車(chē)速度以3.6 km/h為宜。

(2) 碎石撒布：碎石撒布車(chē)應(yīng)保持一定距離緊跟橡膠瀝青灑布車(chē)，碎石撒布量初取14 kg/m2～16 kg/m2，根據(jù)試鋪情況確定最佳值。撒布以滿(mǎn)鋪與不散失為標(biāo)準(zhǔn)，部分碎石撒布不足的地方應(yīng)立即進(jìn)行人工修補(bǔ)。

(3) 碾壓：采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓應(yīng)在碎石撒布后立即進(jìn)行，碾壓遍數(shù)不小于3遍。碾壓時(shí)間參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]，按表8進(jìn)行控制。

表8 碾壓時(shí)間控制標(biāo)準(zhǔn)

3.5 檢測(cè)與評(píng)價(jià)

路面鋪筑完成后，對(duì)K135+238—K147+320段每1 000 m選取相應(yīng)樁號(hào)進(jìn)行鉆芯取樣，取樣后的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)以檢測(cè)抗剪切性能，剪切試驗(yàn)詳細(xì)流程參照前述室內(nèi)試驗(yàn)，鉆孔點(diǎn)位及剪切試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 鉆芯取樣剪切試驗(yàn)結(jié)果

鉆芯取樣剪切試驗(yàn)結(jié)果表明該路段試件25℃時(shí)的剪切強(qiáng)度均大于3.6 MPa，平均剪切強(qiáng)度為3.76 MPa，大于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值。表明“白改黑”道路工程中所采用的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層展現(xiàn)出了良好的抗剪切性能。

該路段施工完成通車(chē)2年內(nèi)，經(jīng)歷了復(fù)雜的行車(chē)荷載與重載作用。2年后對(duì)其路面平整度進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)采用3 m直尺，對(duì)K135+238—K147+320段路面每隔30 m測(cè)量一處，每一處做10尺連續(xù)測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果表明：檢測(cè)道路路段總長(zhǎng)12 km，共測(cè)得4 000尺，路段平均合格率達(dá)到了88%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.53 mm，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

表明該路段路面平整度高，無(wú)裂縫產(chǎn)生等病害產(chǎn)生，表明橡膠瀝青中間應(yīng)力吸收層可有效抑制基層裂縫的擴(kuò)展，防止反射裂縫的產(chǎn)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

(1) 橡膠瀝青的室內(nèi)試驗(yàn)得到：考慮經(jīng)濟(jì)效益，工程應(yīng)用中橡膠瀝青中橡膠粉的最佳摻量宜取20%。

(2) 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗剪切、粘結(jié)與疲勞性能均顯著優(yōu)于乳化瀝青封層。

(3) 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度和疲勞壽命隨著橡膠瀝青含量的增加而明顯增加；囿于碎石集料粒徑的限制，其粘結(jié)性能在橡膠瀝青用量大于1.8 kg/m2后趨于穩(wěn)定。

(4) 結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與工程應(yīng)用，推薦橡膠瀝青應(yīng)力吸收層中：橡膠瀝青的最佳用量取2.4 kg/m2～2.6 kg/m2，碎石集料的最佳撒布量取14 kg/m2～16 kg/m2。

(5) 工程應(yīng)用表明：橡膠瀝青中間應(yīng)力吸收層可有效抑制基層裂縫的擴(kuò)展，防止反射裂縫的產(chǎn)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。