橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能試驗(yàn)研究

王運(yùn)武

(海南省公路勘察設(shè)計(jì)院， ?？?570206 )

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橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能試驗(yàn)研究

王運(yùn)武

(海南省公路勘察設(shè)計(jì)院， ?？?570206 )

為延緩復(fù)合式路面瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫，通常會(huì)在瀝青加鋪層和水泥混凝土路面之間設(shè)置應(yīng)力吸收層。通過復(fù)合試件的直接剪切與疲勞試驗(yàn)，對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與其它工程中常用應(yīng)力吸收層的力學(xué)和疲勞性能進(jìn)行比較和研究，揭示橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能優(yōu)勢(shì)。

水泥混凝土路面；反射裂縫；橡膠瀝青；應(yīng)力吸收層；性能試驗(yàn)

在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中,由于水泥混凝土路面接縫和裂縫的存在，在溫度變化和交通荷載作用下，其裂縫和接縫處會(huì)產(chǎn)生水平和豎向位移。這2種位移的周期性反復(fù)作用會(huì)將舊水泥混凝土面板產(chǎn)生的拉應(yīng)力傳遞至瀝青面層，當(dāng)拉應(yīng)力超過瀝青混凝土面層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在接縫或裂縫處出現(xiàn)反射裂縫[1-2]。

為延緩復(fù)合式路面產(chǎn)生反射裂縫，通常會(huì)在瀝青加鋪層和水泥混凝土路面之間設(shè)置1層抗剪切能力強(qiáng)、疲勞性能好的應(yīng)力吸收層。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層是采用橡膠瀝青作為膠結(jié)料，鋪筑于舊水泥混凝土路面之上，然后均勻滿鋪單一粒徑碎石，并通過膠輪壓路機(jī)碾壓而形成碎石封層模式的路面結(jié)構(gòu)層，其具有防反射裂縫、抗水毀及粘結(jié)作用[3]。為了評(píng)價(jià)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的使用性能，本文選擇工程中常用的4種應(yīng)力吸收層，即乳化瀝青封層、SBS瀝青封層、加鋪土工格柵、聚酯玻纖布，并將其與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行性能試驗(yàn)比較，以揭示橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能優(yōu)勢(shì)。

1 原材料性質(zhì)與試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 原材料性質(zhì)

本次試驗(yàn)橡膠瀝青采用廣東省高富AH-70基質(zhì)瀝青與18% 40目橡膠粉加工拌制。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層原材料試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。乳化瀝青封層、SBS瀝青封層、土工格柵、聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層所需集料均由海南省國道G361公路改建工程施工項(xiàng)目部提供。

表1 橡膠瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表2 集料試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)應(yīng)力吸收層的功能及特殊使用環(huán)境，應(yīng)力吸收層須達(dá)到以下性能要求：1) 具有一定的粘結(jié)力，可以保證瀝青混凝土加鋪層與水泥混凝土路面具有較好的整體完整性，以抵抗層間的剪切力；2) 應(yīng)具有良好的抗疲勞性能，可以經(jīng)受交通荷載周期性反復(fù)作用而不出現(xiàn)疲勞損壞[4]。本次試驗(yàn)擬通過測(cè)試復(fù)合試件抗剪切強(qiáng)度和疲勞壽命2項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)力吸收層材料性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2 直接剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

直接剪切試驗(yàn)即不考慮瀝青混凝土加鋪層與水泥混凝土路面之間的摩擦力，對(duì)復(fù)合試件施加水平向荷載測(cè)試應(yīng)力吸收層抵抗水平剪切的能力。與斜面剪切試驗(yàn)不同，直接剪切試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃从硲?yīng)力吸收層材料的抗剪切性能[5-6]。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了復(fù)合馬歇爾試件，采用特制圓形夾具利用馬歇爾試驗(yàn)儀進(jìn)行加載并記錄最大豎向剪切力。直接剪切試驗(yàn)方法見圖1。

圖1 直接剪切試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確研究應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度，全面分析各試驗(yàn)影響因素對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律，制定了如下剪切試驗(yàn)方案：

1) 為了對(duì)比研究設(shè)置應(yīng)力吸收層對(duì)復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)置1組未鋪設(shè)應(yīng)力吸收層的復(fù)合試件。

2) 為了測(cè)試水泥混凝土界面粗糙狀態(tài)對(duì)復(fù)合試件抗剪切強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)置1組界面未作處理的試件，其他試件均在水泥混凝土表面進(jìn)行拉毛處理。

3) 為確定橡膠瀝青用量對(duì)復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)置3組不同橡膠瀝青用量試件，橡膠瀝青用量分別為1.8、2.4、3.0 kg/m2，其他試驗(yàn)參數(shù)不變。

鑒于試驗(yàn)主要目的在于研究中間層的性能，對(duì)于水泥混凝土和瀝青混凝土的性能要求不是很嚴(yán)格，因此復(fù)合試件水泥混凝土統(tǒng)一采用C30混凝土，加鋪層統(tǒng)一采用AC-13瀝青混凝土。試驗(yàn)以3個(gè)試件為1組，取1組的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 復(fù)合馬歇爾試件制備

制作復(fù)合馬歇爾試件時(shí)，先將一定量設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30的水泥混凝土裝入Ф101 mm×87 mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試模中成型Ф100 mm×44 mm的水泥混凝土試件，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下將試件養(yǎng)生28 d。按照各類應(yīng)力吸收層施工方法在水泥混凝土試件表面成型應(yīng)力吸收層時(shí)，先將一定量的熱拌AC-13瀝青混合料倒入Ф101 mm×87 mm馬歇爾試模中，然后在壓力機(jī)上采用靜壓成型試件，待混合料冷卻后1次脫模。試件制備過程見圖2。

圖2 復(fù)合馬歇爾試件制作過程

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以看出：

1) 抗剪切性能優(yōu)劣次序?yàn)橄鹉z瀝青3.0 kg/m2>聚酯玻纖布>橡膠瀝青2.4 kg/m2>SBS改性瀝青>乳化瀝青>土工格柵>橡膠瀝青1.8 kg/m2(拉毛)>橡膠瀝青1.8 kg/m2(未處理)>無應(yīng)力吸收層。與未設(shè)置應(yīng)力吸收層復(fù)合試件相比，設(shè)置了應(yīng)力吸收層的試件其剪切強(qiáng)度有大幅度提高，這是由于應(yīng)力吸收層能夠有效提高瀝青混凝土與水泥混凝土界面之間的粘結(jié)狀態(tài)，從而可提高復(fù)合試件的層間剪切強(qiáng)度。

2) 對(duì)水泥混凝土試件表面進(jìn)行拉毛處理后，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度從0.52 MPa提高到0.67 MPa，剪切強(qiáng)度明顯增大。

表3 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

3) 橡膠瀝青用量在1.8～3.0 kg/m2范圍內(nèi)時(shí)，試件抗剪切強(qiáng)度隨瀝青用量增加而增加，這是由于在直接剪切試驗(yàn)中，抗剪能力主要由瀝青的粘聚力提供，當(dāng)瀝青用量增加時(shí)，瀝青混合料與基底接觸面積增大，抗剪強(qiáng)度也隨之增大。

通常瀝青罩面層5 cm處的剪切力為0.2～0.45 MPa，且隨著罩面深度增加，層間剪應(yīng)力減小[7]。直接剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，各應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度均能滿足路面使用要求，其中橡膠瀝青應(yīng)力吸收層和聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層抵抗層間剪切效果較好。

3 復(fù)合小梁疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層抵抗反射裂縫的性能，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了長38.1 cm×6.4 cm×8.5 cm 的復(fù)合小梁試件，并對(duì)下層C30水泥混凝土進(jìn)行預(yù)切縫處理以模擬水泥混凝土路面的裂縫和接縫條件。美國SHRP研究成果表明，對(duì)于加鋪層較薄路面，應(yīng)變控制模式更符合路面實(shí)際狀況[8]。本次試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎拉試驗(yàn)，并用UTM應(yīng)變控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)合小梁疲勞性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)溫度為15 ℃，控制應(yīng)變?yōu)?00 με，加載頻率為10 Hz，當(dāng)復(fù)合梁試件勁度模量降為初始勁度模量50%時(shí)的作用次數(shù)即為試件疲勞破壞壽命。疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖3 疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

3.2 復(fù)合小梁試件制備

制作復(fù)合梁試件時(shí)，先在40 cm×30 cm×5 cm車轍模子中澆筑厚為4 cm、強(qiáng)度等級(jí)為C30的水泥混凝土板，然后對(duì)表面進(jìn)行拉毛處理，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生28 d。按照各類應(yīng)力吸收層施工方法制作應(yīng)力吸收層，并在水泥混凝土板上層倒入一定量的熱拌AC-13瀝青混合料，然后輪碾成型復(fù)合板。室內(nèi)放置48 h后將每塊復(fù)合板切割成38.1 cm×6.4 cm×8.5 cm的復(fù)合小梁，并從下層水泥混凝土中間貫穿切縫，縫寬3 mm，以模擬水泥混凝土路面的裂縫和接縫條件。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出：

1) 疲勞性能優(yōu)劣次序?yàn)榫埘ゲ＠w布>橡膠瀝青3.0 kg/m2>SBS改性瀝青>橡膠瀝青2.4 kg/m2>土工格柵>橡膠瀝青1.8 kg/m2>乳化瀝青>無應(yīng)力吸收層。設(shè)置應(yīng)力吸收層能有效提高復(fù)合結(jié)構(gòu)中瀝青混凝土加鋪層的疲勞壽命。

2) 橡膠瀝青用量在1.8～3.0 kg/m2范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合梁試件疲勞壽命隨瀝青用量增大而增大，且效果比較顯著。這是由于瀝青用量的變化影響著應(yīng)力吸收層的勁度模量、空隙率和瀝青膜厚度，且這些因素均對(duì)試件的疲勞壽命有影響。

3) 橡膠瀝青灑布量為3.0 kg/m2的復(fù)合小梁其疲勞壽命為36 051次，是乳化瀝青復(fù)合小梁疲勞壽命的3倍多。除橡膠瀝青應(yīng)力吸收層外，聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層和SBS瀝青封層疲勞性能也較好。

表4 復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于通過對(duì)含應(yīng)力吸收層的復(fù)合馬歇爾試件、復(fù)合小梁試件進(jìn)行的直接剪切和彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與其他工程中常用應(yīng)力吸收層的力學(xué)和疲勞性能進(jìn)行了研究，并得到如下結(jié)論：

1) 在舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力吸收層的設(shè)置非常重要。在各類應(yīng)力吸收層中，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層具有較好的抗剪切和抗疲勞性能，且聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層和SBS瀝青封層也具有較好的使用性能。

2) 粗糙的水泥混凝土表面可以增大界面之間的摩擦力和粘結(jié)力，從而可提高層間抗剪切強(qiáng)度。工程應(yīng)用中，可以采取先對(duì)水泥混凝土表面進(jìn)行拉毛、拋丸等處理，再鋪筑瀝青混凝土等措施，以取得較好的使用效果。

3) 橡膠瀝青用量在1.8～3.0 kg/m2范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合試件抗剪切和抗疲勞性能都隨瀝青用量增加而顯著增大，但如果瀝青用量過大，則瀝青路面容易產(chǎn)生泛油，且也會(huì)增加工程造價(jià)。為此，基于試驗(yàn)研究成果，建議橡膠瀝青應(yīng)力吸收層合適的用量為2.4～2.8 kg/m2。

[1] 張順先，劉 甫.橡膠瀝青SAMI應(yīng)力吸收層的性能研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2008(7)：161-164.

[2] 王 浩，葉 強(qiáng)，閆東波，等.橡膠瀝青SAMI應(yīng)力吸收層施工技術(shù)[J].公路交通技術(shù)，2008(3)：41-42，45.

[3] 牛智華.高性能橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)用技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[4] 陳 驍.SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層性能研究[J].中外公路，2005(6)：99-101.

[5] 何良杰.橋面高粘瀝青粘結(jié)防水材料性能與應(yīng)用研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

[6] 高俊啟，季天劍.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層力學(xué)與疲勞性能研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2009，24(4)：341-346.

[7] 王 龍，郭 攀.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能研究及應(yīng)用[J].路基工程，2014(6)：108-109.

[8] 侯彥明，高敏杰，高俊啟.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層疲勞性能試驗(yàn)研究[J].公路工程，2009，(2)：81-82.

Study on Performance of Stress Absorbing Layer of Rubber Asphalt

WANG Yunwu

In order to reduce reflection crack when applying asphalt pavement on old cement concrete road, a stress absorbing layer is included between asphalt pavement and cement concrete road surface. Via direct shearing and fatigue test of composite specimen, this paper carries out comparison and study on mechanical property and fatigue property between asphalt stress absorbing layer and other common engineering stress absorbing layers, so to demonstrate the performance advantages of rubber asphalt stress absorbing layer.

Cement concrete pavement; reflection crack; rubber asphalt; stress absorbing layer; performance test

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.003

2016-05-26

王運(yùn)武(1984-)，男，湖南省永州市人，碩士，工程師。

1009-6477(2016)05-0009-04

U416.217

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