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裂的缺點(diǎn)[1]?；鶎恿芽p的向上擴(kuò)展將會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的一種病害，國內(nèi)外學(xué)者對其預(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，國內(nèi)外缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對其性能與應(yīng)用效果的研究善有欠缺。

本文對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)對其性能展開了研究，通過工程應(yīng)用實(shí)例對其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了評價(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)保證無鐵與其他雜質(zhì)。其相關(guān)性能指標(biāo)檢測結(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]，對其性能檢測結(jié)果如表3所示。

表3 集料的物理性能檢測指標(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，其主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

由表4可知，當(dāng)橡膠粉的摻量為18%時，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%時性能滿足規(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，通過上述試驗(yàn)綜合評價(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，但同時對其粘結(jié)性能也具有較高要求。若其層間抗剪強(qiáng)度低，則會成為軟弱夾層，路面面層在車輛荷載作用下極易發(fā)生水平滑移。因此，需對其抗剪切性能進(jìn)行試驗(yàn)研究以評定其是否滿足上述要求。

橡膠應(yīng)力吸收層的層間抗剪切性能通過45°斜剪試驗(yàn)進(jìn)行評價(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，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，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)度增大趨勢并不明顯。因此，由于碎石粒徑的限制，增加橡膠瀝青用量來提高拉拔強(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

疲勞壽命是評定橡膠應(yīng)力吸收層在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中的性能的重要指標(biāo)，試驗(yàn)時所采用的試件長×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，其中當(dāng)橡膠瀝青用量由1.8 kg/m2增加到2.4 kg/m2時，疲勞壽命增長了20%；橡膠瀝青用量由2.4 kg/m2增加到3.0 kg/m2時，疲勞壽命增長幅度達(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”工程中對施工工藝進(jìn)行了嚴(yán)格控制，工程施工完成后對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行了相應(yīng)性能檢測。

3.2 橡膠瀝青生產(chǎn)

橡膠瀝青生產(chǎn)時，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)力吸收層試鋪前對原水泥混凝土路面進(jìn)行清掃、沖洗與銑刨，對原路面裂縫處進(jìn)行修補(bǔ)與灌縫，應(yīng)特別注意對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對橡膠瀝青灑布車進(jìn)行預(yù)熱。

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

(4) 確?，F(xiàn)場人員與檢測試驗(yàn)儀器已到位。

3.4 施工要點(diǎn)

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

(2) 碎石撒布：碎石撒布車應(yīng)保持一定距離緊跟橡膠瀝青灑布車，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 碾壓時間控制標(biāo)準(zhǔn)

3.5 檢測與評價(jià)

路面鋪筑完成后，對K135+238—K147+320段每1 000 m選取相應(yīng)樁號進(jìn)行鉆芯取樣，取樣后的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)以檢測抗剪切性能，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2年內(nèi)，經(jīng)歷了復(fù)雜的行車荷載與重載作用。2年后對其路面平整度進(jìn)行了檢測，試驗(yàn)采用3 m直尺，對K135+238—K147+320段路面每隔30 m測量一處，每一處做10尺連續(xù)測量，檢測結(jié)果表明：檢測道路路段總長12 km，共測得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。