程 梅

(無錫城市職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214000)

高模量劑與橡膠粉復合改性瀝青應力吸收層混合料技術性能研究

程 梅

(無錫城市職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214000)

針對反射裂縫在半剛性基層瀝青路面和舊路加鋪改造中普遍存在的問題，為提高應力吸收層材料的抗裂性、抗車轍劑抗疲勞耐久性，阻止反射裂縫的產生和發(fā)展，將橡膠粉與高模量劑進行復配，基于車轍、低溫彎曲和四分點加載疲勞試驗研究了PR.S和橡膠粉摻量對應力吸收層混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞耐久性的影響并將與STRATA應力吸收層混合料進行了對比。研究結果表明，相同PR.S摻量情況下，增大橡膠粉摻量復合改性瀝青旋轉黏度呈二次函數關系增大，橡膠粉和PR.S摻量對復合改性瀝青軟化點有顯著的影響，橡膠粉對PR.S改性瀝青的低溫性能有明顯的改善作用；以軟化點≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，177 ℃黏度≤4.5 Pa·s，25 ℃彈性恢復率≥65%作為判別標準優(yōu)選了3種不同復配方案，經室內試驗和試驗路驗證推薦最佳復配方案為8%PR.S+20%橡膠粉。經過試驗路的應用，證明了橡膠粉和高模量劑復合改性瀝青混合料作為應力吸收層式瀝青路面防止反射裂縫的有效途徑之一，具有更廣的地區(qū)適用性。

道路工程； 橡膠粉與高模量復合改性瀝青混合料； 應力吸收層； 路用性能； 抗疲勞性能

0 引言

近年來，為防止舊水泥路面瀝青加鋪層和半剛性基層反射裂縫，國內外進行了大量的試驗路研究及理論分析，國內長安大學、同濟大學、東南大學等高校及一些科研單位從20世紀80年代開始也相繼開展了這方面的研究[1-6]，并結合實體工程鋪筑了大量的應力吸收層試驗路，跟蹤監(jiān)測試驗結果表明，在水泥路面與加鋪層之間以及半剛性頂部設置能吸收和消散裂縫尖端應力應變的中間層，如橡膠(纖維)瀝青應力吸收薄層(SAMI)、砂粒式瀝青混合料、纖維改性砂粒式瀝青混合料、級配碎石中間層等是一種有效抗反射裂縫措施。美國科氏瀝青材料公司研制開發(fā)了STRATA應力吸收層(厚2.5 cm)，利用其優(yōu)良的抗裂性能防止反射裂縫，STRATA在美國試驗應用數年，取得成功經驗后于1994年開始推廣使用，STRATA防裂技術己在美國德克薩斯州等多個項目中使用[4-10]。然而STRATA應力吸收層在國內的推廣應用過程中因其施工難度大，工程造價高以及技術保密等問題，推廣應用效果并不理想，國內對STRATA改性應力吸收層的研究并不多。從國內近幾年的工程實踐來看，應力吸收層材料使用越來越普遍，同時加鋪厚度也由原來的1 cm，逐漸增大到2～2.5 cm，而國內對應力吸收層的高溫抗永久變形能力并沒有提出明確的要求，這也產生了一個問題，通常應力吸收層的瀝青用量都比較大，隨著厚度增大，很多應力吸收層并沒有足夠的抗高溫剪切變形能力，應力吸收層反而成為了路面結構中的軟弱夾層，因此研究高低溫和疲勞性能兼顧的應力吸收層材料意義重大。橡膠粉屬于廢舊材料，可顯著改善瀝青瀝青混合料的低溫和抗疲勞性能，但其對瀝青混合料高溫性能改善程度有限，添加型高模量瀝青混凝土對提高瀝青路面的高溫抗車轍能力有顯著的貢獻，但難以兼顧低溫抗裂性。對于我國北方，低溫開裂是十分嚴重和普遍的路面病害。本文將法國PR.S高模量劑與橡膠粉改性劑進行復配，利用高模量劑優(yōu)良的抗高溫性能和橡膠粉改性劑優(yōu)良的低溫和抗疲勞性能，以實現有效的防止反射裂縫的產生和發(fā)展。

1 PR.S與橡膠粉復合改性瀝青性能

1.1 原材料及配比

試驗采用SK70A級重交道路石油瀝青，經檢測瀝青技術性能指標滿足現行施工規(guī)范JTG F40-2004要求。選用的PRM高模量劑由法國路面材料實業(yè)有限公司(PRIDUSTRIE)研發(fā)并生產，高模量劑主要技術指標如表1所示，根據廠家推薦的0.6%～0.8%(占集料質量的百分比)高模量劑摻量，并借鑒國內相關研究成果，復合改性瀝青中PR.S摻量為6%、8%、10%、12%(占瀝青質量的百分比)。工程實踐表明，使用橡膠粉改性瀝青可以解決廢舊橡膠輪胎污染環(huán)境問題，有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞耐久性，同時提高瀝青路面的柔性，延緩路面反射裂縫、增強路面冬季柔性除冰降噪等功能，本文采用的膠粉為西安國林橡膠粉加工廠生產的40目硫化膠粉，其由常溫粉碎法生產工藝制備，橡膠粉的技術指標如表1所示。根據ASTM對橡膠粉改性瀝青的定義，本文初選的橡膠粉摻量為16%、18%、22%、24%。

表1 PRS高模量主要技術指標Table1 MainperformanceindexofPRSadditive添加劑類型外觀粒徑/mm密度/(g·cm-3)軟化點/℃廠家建議摻量范圍，(占集料質量百分比)/%PRModule灰色顆粒狀3～40929～094317806～08

1.2 高模量劑與橡膠粉復合改性瀝青制備及性能

改性瀝青的制備工藝流程一般需要混合溶脹、剪切磨細和發(fā)育三個階段。先將基質瀝青加熱到170～175 ℃，然后加入預定質量的橡膠粉和PR.S，為避免一次性加入改性劑過多導致瀝青溫度下降過低，提高加熱裝置的試驗溫度，同時邊加入橡膠粉邊快速攪拌，使加入的橡膠粉能在短時間內與基質瀝青混合均勻，并快速加熱到所需的試驗溫度，待膠粉顆粒全部加入后以4 800 r/min剪切速率剪切45 min，然后在175 ℃條件下發(fā)育45 min，制成復合改性瀝青后，對其進行旋轉黏度(177 ℃)、軟化點、延度(5 ℃)和彈性恢復率(25 ℃)試驗，結果見圖1。

圖1 高模量劑與橡膠粉復合改性瀝青性能試驗結果Figure 1 High modulus agent and compound rubber powder modified asphalt performance test results

圖1試驗結果表明： ①相同PR.S摻量情況下，隨著橡膠粉摻量增大復合改性瀝青旋轉黏度呈二次函數關系增大，橡膠粉摻量相同條件下，旋轉黏度增大，尤其PR.S摻量超過5%后黏度增加幅度較大。黏度越大混合料施工難度越大，以應力吸收層改性瀝青黏度不大于4.5 Pa·s作為評判標準，復合改性瀝青方案中橡膠粉摻量不宜超過21%； ②相同橡膠粉摻量條件下，隨著橡膠粉摻量增大復合改性瀝青軟化點增大，橡膠粉和PR.S摻量均對復合改性瀝青軟化點有顯著的影響，軟化點越高復合改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性越好，據此推斷采用復合改性方案可提高應力吸收層的高溫穩(wěn)定性。 ③相同PR.S摻量條件下，隨著橡膠粉摻量增大復合改性瀝青-5 ℃延度呈二次函數關系增大，而PR.S摻量越大相同橡膠粉摻量情況下的延度越小，表明橡膠粉對PR.S改性瀝青的低溫性能有明顯的改善作用，而PR.S摻量越大復合改性瀝青低溫抗裂性越差； ④相同PR.S摻量條件下，隨著橡膠粉摻量的增大復合改性瀝青彈性恢復率增大，橡膠粉摻量超過21%后彈性恢復率增大趨于穩(wěn)定，此外相同橡膠粉摻量情況下，隨著PR.S摻量的增大彈性恢復率雖有增大趨勢，但是變化幅度較小。以彈性恢復率指標不小于65%作為評判指標，橡膠粉摻量不宜小于16%。 ⑤參考國內已有研究成果，用于應力吸收層的改性瀝青材料一般要求[3]：軟化點≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，177 ℃黏度3.0～4.5 Pa·s，25 ℃彈性恢復率≥65%，將圖1試驗結果與應力吸收層材料技術要求對比，同時考慮工程的經濟性可優(yōu)選出3種復配方案：復配方案Ⅰ(6%PR.S+22%橡膠粉)、復配方案Ⅱ(8%PR.S+22%橡膠粉)、復配方案Ⅲ(10%PR.S+20%橡膠粉)。

2 橡膠粉與PR.S復合改性瀝青應力吸收 層混合料配合比設計

研究表明，砂粒式瀝青混合料應力吸收層瀝青結合料含量(質量分數)適中，且兼顧抗疲勞、常溫抗拉強度高、低溫抗裂性能強等優(yōu)良路用性能[12，13]，本文試驗選用實體工程中采用的AC-5砂粒式瀝青混合料(混合料合成級配見表2)，采用Superpave體積設計法進行混合料配合比設計，為了方便與STRATA應力吸收層材料的路用性能進行對比，從山西某高速公路水泥路面加鋪瀝青路面施工現場提取了一定質量的STRATA應力吸收層材料用于對比試驗。試驗結果見表3。

表2 AC-5混合料合成級配Table2 AC-5mixturesynthesisgrading篩孔尺寸/mm95475236合成級配/%100935743規(guī)范要求/%10080～10060～851180603015007555740123114310340～7025～5515～358～206～14

表3 橡膠粉與PRS復合改性AC-5瀝青混合料配合比設計結果Table3 RubberpowderandPRScompositemodifiedasphaltmix?tureAC-5mixproportion%改性瀝青種類OACVVVMAVFA6%PRS+22%橡膠粉757151968738%PRS+22%橡膠粉7621219789910%PRS+20%橡膠粉76014201883STRATA應力吸收層78912205891技術要求—08～25>180>90

表3配合比設計結果表明: 3種復配方案下砂粒式瀝青混合料各項體積指標均滿足技術要求，且橡膠粉與高模量劑復合改性應力吸收層材料的體積指標與STRATA應力吸收層差別不大。

3 不同改性劑摻配比例應力吸收層混合料 路用性能

為確保復合改性瀝青應力吸收層材料在使用過程中具有良好的高溫穩(wěn)定性，對比不同改性劑復配方案應力吸收層材料的高溫穩(wěn)定性，進而優(yōu)選出最佳的橡膠粉與PR.S復配方案，采用車轍試驗研究橡膠粉/高模量劑復合改性瀝青應力吸收層材料的高溫穩(wěn)定性。應力吸收層材料主要功能之一就是阻止或延緩反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展，這對應力吸收層材料自身的抗裂性提出了更高要求。按照現行施工規(guī)范要求采用低溫小梁彎曲試驗評價復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性，車轍試驗參數為：試驗溫度60 ℃，試驗輪行走速率(42±1)次/min，試件尺寸為300 mm(長)×300 mm(寬)×100 mm(高)。低溫彎曲試驗參數為：試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，試驗時采用單點加載方式，支點間距200 mm。試驗結果見表4、表5。

表4 車轍試驗結果Table4 Ruttingtestresults改性瀝青種類動穩(wěn)定度DS/(次·mm-1)60min車轍變形量/mm22%橡膠粉103226548%PRS301219236%PRS+22%橡膠粉347618758%PRS+22%橡膠粉4341179310%PRS+20%橡膠粉49031765STRATA應力吸收層32371966

表5 低溫彎曲試驗結果Table5 Lowtemperaturebendingtestresults改性瀝青種類抗彎拉強度/MPa最大彎拉應變/με勁度模量/MPa22%橡膠粉11153879342874228%PRS11542309434996946%PRS+22%橡膠粉13175468682395768%PRS+22%橡膠粉136458655323188410%PRS+20%橡膠粉1358557668242109STRATA應力吸收層1329537691245536技術要求12～14≥4000—

車轍試驗結果表明，隨著高模量劑和橡膠粉摻量增大，復合改性瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度增大，60 min車轍變形量減小，高模量劑對應力吸收層混合料的高溫性能起著決定性作用。比較不同橡膠粉和高模量摻量的應力吸收層車轍試驗動穩(wěn)定度大?。?0%PR.S+20%橡膠粉>8%PR.S+22%橡膠粉>6%PR.S+22%橡膠粉>STRATA>8%PR.S>22%橡膠粉，可見采用橡膠粉與高模量劑復配方案可顯著改善應力吸收層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，8%PR.S+22%橡膠粉、10%PR.S +20%橡膠粉兩種復配方案具有較好的抗高溫變形能力，其車轍試驗動穩(wěn)定度優(yōu)于STRATA應力吸收層混合料。此外相比橡膠粉、PR.S高模量劑單一改性應力吸收層混合料，將橡膠粉和PR.S復配后應力吸收層混合料高溫性能顯著提高。

低溫彎曲試驗結果表明，8%PR.S+22%橡膠粉吸收層混合料的低溫抗裂性能最優(yōu)，6種應力吸收層材料的最大彎拉應變由大到小依次是8%PR.S+22%橡膠粉>10%PR.S+20%橡膠粉>6%PR.S+22%橡膠粉>STRATA>22%橡膠粉>8%PR.S，3種高模量劑與橡膠粉復配方案下的應力吸收層材料低溫彎曲應變均大于5 000 με，且低溫抗裂性能優(yōu)于STRATA，可見采用高模量劑與橡膠粉復配方案所生產的應力吸收層混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性能。復合改性方案顯著降低了瀝青混合料的勁度模量，提高了混合料的低溫抗裂性，這主要與RRM增強了瀝青混合料的抗破壞強度，而橡膠粉改性劑增強了瀝青混合料的釋放荷載的能力和提高了柔韌性有關。

4 高模量劑與橡膠粉復合改性應力吸收層 混合料疲勞性能

應力吸收層材料在使用過程中起到了防水、粘結、應力吸收層的作用，由于半剛性基層和舊水泥混凝土板普遍存在裂縫和接縫，易于產生反射裂縫，嚴重影響了應力吸收層材料的使用壽命，為防止反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展，應力吸收層材料自身需要有足夠好的抗疲勞開裂性能。目前評價瀝青混合料疲勞性能的試驗方法有簡支梁法、四點彎曲法、加速加載試驗法、懸臂梁法、扭剪法、貫入剪切法、拉壓法和三軸壓力法等，加載方式有控制應力和控制應變兩種形式[12-15]，每種疲勞試驗方法都有其優(yōu)缺點，其中四點彎曲控制應變疲勞試驗方法過程中瀝青混合料的受力狀態(tài)更接近瀝青路面的實際情況，瀝青層底拉應變也是計算路面結構厚度的重要控制指標之一，且試驗方法可操作性強，對瀝青結合料敏感性強。本部分疲勞試驗采用中四分點加載彎曲試驗法，加載模式為應變控制方式，按照現行瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程JTG E20-2011中的要求成型大車轍板試件，室溫放置48 h后切割尺寸為400 mm×300 mm×80 mm小梁試件，在UTM疲勞試驗機上采用三點加載方式，試驗選用200、300、400、500，共4個應變水平，試驗溫度為15 ℃，疲勞試驗數據(僅列舉疲勞試驗數據)及擬合結果見表6。

表6 疲勞試驗結果Table6 Fatiguetestresults瀝青結合料類型應變水平/με200300400500擬合方程22%橡膠粉579534193046527476210511y=5643×1016×(1/x)4301(R2=0987)8%PRS529534189046524476297511y=5535×1016×(1/x)4346(R2=0994)6%PRS+22%橡膠粉66878401165018337168128874y=5742×1016×(1/x)4289(R2=0987)8%PRS+22%橡膠粉82227981449937423264162868y=5755×1016×(1/x)4281(R2=0969)10%PRS+20%橡膠粉77581311362466396587152263y=5713×1016×(1/x)4291(R2=0987)STRATA應力吸收層69510521215296352631135055y=5694×1016×(1/x)4321(R2=0997)

表6試驗結果表明：各應變水平下，6%PR.S+22%橡膠粉、8%PR.S+22%橡膠粉、10%PR.S+20%橡膠粉3種復配方案的瀝青混合料疲勞性能相當，疲勞性能最好。相比橡膠粉、PR.S單一改性橡膠瀝青應力吸收層材料，22%橡膠粉改性瀝青和8%PR.S改性瀝青混合料疲勞性能最差，可見高模量劑與橡膠粉復合改性瀝青混合料的疲勞性能要優(yōu)于橡膠粉、高模量劑單一改性瀝青，且優(yōu)于STRATA應力吸收層瀝青混合料。

5 試驗路驗證

試驗段選在內蒙古自治區(qū)克什克滕縣某省際通道，公路等級為雙向四車道高速公路，路面寬22.5 m，路線所在氣候分區(qū)內，近30 a極端最低氣溫-37 ℃，一年有120多天平均氣溫低于0 ℃，低溫開裂是該區(qū)半剛性基層瀝青路面的主要病害。結合室內研究成果，課題組于2013年在K88+300～K89+500段水泥穩(wěn)定碎石基層上加鋪2 cm橡膠粉-高模量劑復合改性瀝青應力吸收層+10 cm厚ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石+8 cm厚AC-20C中粒式瀝青混合料+5 cm SBS改性AC-16C，試驗段總面積27 000 m2。2013年8月份施工完成后一直對試驗段進行跟蹤觀測，近三年的路況檢測結果表明，鋪筑2 cm 8%PR.S+22%橡膠粉復合改性AC-5砂粒式瀝青混合料應力吸收層的路段狀況良好，目前沒有明顯的車轍和開裂病害，路面使用狀況良好，且沒有泛油等現象。加鋪單一橡膠粉改性瀝青應力吸收層和STRATA應力吸收層材料的路段則出現且有一定寬度的裂縫，說明高模量劑與橡膠粉復合改性應力吸收層具有很好的防反射裂縫發(fā)生的功能，由此可見，采用橡膠粉與高模量復合改性瀝青應力吸收層延長了道路的使用壽命，經濟、社會效益顯著。

6 結論

① 研究了PR.S高模量劑和橡膠粉摻量對復合改性瀝青旋轉黏度(177 ℃)、軟化點、延度(5 ℃)和彈性恢復率(25 ℃)的影響，以滿足軟化點≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，135 ℃黏度≤3.5 Pa·s，25 ℃彈性恢復率≥65%為技術指標要求，優(yōu)選出3種不同復配方案：復配方案Ⅰ(6%PR.S+22%橡膠粉)、復配方案Ⅱ(8%PR.S+22%橡膠粉)、復配方案Ⅲ(10%PR.S+20%橡膠粉)。

② 橡膠粉和高模量劑摻量對應力吸收層材料的路用性能和抗疲勞性能有顯著的影響，采用橡膠粉和PR.S復配方案可充分瀝青兩種改性劑各自的技術性能優(yōu)勢，橡膠粉和PR.S復合改瀝青應力吸收層材料的各項技術性能指標均可與STRATA應力吸收層材料相媲美，推薦最佳復配方案為8%PR.S+22%橡膠粉。

③ 6%PR.S+22%橡膠粉、8%PR.S+22%橡膠粉、10%PR.S+20%橡膠粉3種復配方案的瀝青混合料綜合性能優(yōu)于STRATA應力吸收層混合料，經過試驗路的應用，證明了橡膠粉和高模量劑復合改性瀝青混合料作為應力吸收層式瀝青路面防止反射裂縫的有效途徑之一。

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Study on Technical Performance of PR.S and Rubber Powder Compound Modified Stress Absorbing Layer Asphalt Mixture

CHENG Mei

(Wuxi Vocational and Technical School， Wuxi， Jiangsu 214000， China)

in view of reflection cracking in semi-rigid base asphalt pavement and common problems in the old road paving renovation，in order to improve the crack resistance of stress absorbing layer materials，anti-rutting agent fatigue durability，prevent the emergence and development of reflection crack，this article will rubber powder with high modulus agent distribution，based on rutting，low temperature bending and quartile loading fatigue test was studied.The PR.s and rubber powder content of stress absorbing layer mixture high temperature stability，low temperature crack resistance and fatigue resistance，durability and will work with the influence of with STRATA stress absorbing layer mixtures are compared.Research results show that the same PR.S quantity of cases，increasing the rotate composite dosage of rubber powder modified asphalt viscosity increases a quadratic function relation，rubber powder and PR.S content have significant effects on composite modified asphalt softening point，rubber powder on PR.S low temperature performance of modified asphalt has obvious improvement effect；With softening point 75 ℃ or higher，5 ℃ ductility 20 cm，or 4.5 Pa·s，viscosity of 177 ℃ or less 25 ℃ elastic recovery rate 65% or greater as judging standard of optimizing the three different distribution，verified by laboratory test and test road to recommend the best compound with solution of 8% PR.S+20% rubber powder.Proved by experiments in the way of application of rubber powder and high modulus composite modified asphalt mixture as stress absorbed layer type is one of the effective ways to prevent reflection cracking of asphalt pavement，applicability has a wider area.

road engineering； rubber powder and high modulus composite modified asphalt mixture； stress absorbing layer； road performance； anti-fatigue performance

2016 — 04 — 28

程 梅(1980 — )，女，江蘇無錫人，工程碩士，講師，研究方向：道路橋梁方向。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0271 — 05