基于厂拌热再生的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂性能研究
时间：2023-06-17 14:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
祝谭雍，段卫党，许 兵，黄晓明
(1.江西省高速公路养护工程技术研究中心，江西 南昌 330025；
2. 江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌 330025；
3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)
半刚性基层沥青路面是国内高等级公路的主要结构形式，具有承载力大、板体性好的优点。然而，在温度、湿度与荷载的综合作用下，半刚性基层内部容易产生温缩、干缩裂缝，并进一步发展成反射裂缝，造成路况水平下降。为减少路面反射裂缝，设计上通常采用增加厚度的方式来实现路面承载力和使用寿命的提升。然而，在经济效益及现场标高等条件的约束下，公路新建及养护工程逐步探索设置应力吸收层来抑制、延缓反射裂缝的发展，提高路面耐久性[1-3]。
采用橡胶沥青生产的应力吸收层具有弹性恢复能力强、柔韧性好的特点，可有效降低半刚性基层顶部的应力集中，抑制裂缝的产生与发展[4-5]。常颖[6]采用低密度PE与橡胶粉配制复合改性沥青，基于室内加速加载及间接拉伸疲劳试验研究了橡胶沥青最佳复配方案。张利清[7]对比了Strata，SBS和低密度PE橡胶沥青应力吸收层的路用性能，证明低密度PE的加入显著增强了橡胶沥青应力吸收层的层间黏结性能、抗反射裂缝性能和低温性能。程梅[8]采用高模量剂与橡胶粉复配，通过高温车辙、低温弯曲、疲劳试验研究了复配比例对应力吸收层使用性能的影响。郝晓红[9]通过三点弯曲试验断裂能指标研究对比了橡胶沥青与SBS改性沥青两种应力吸收层混合料的温度敏感性及抗裂性能，结果表明橡胶沥青应力吸收层对路面抗裂性能产生了更好的改善效果。潘睿分析比较了SAK温拌橡胶沥青和SBS改性沥青两种应力吸收层在寒冷地区的使用效果，结果表明温拌橡胶沥青应力吸收层具有更为优良的抗裂效果[10]。目前，相关研究通常围绕各类型橡胶沥青新拌应力吸收层混合料的调和配方、设计方法、材料性能、作用机理等开展，对于橡胶沥青再生类材料在应力吸收层的研究与应用报道较少。
橡胶沥青是在高温下根据严格的生产工艺将胶粉与沥青融合，经过充分溶胀发育而成[11]，能有效提高沥青的黏弹性，改善温度敏感性及抗老化能力，并且有助于促进生态环境的保护。依托工厂化生产的复合改性橡胶沥青较传统胶粉沥青在储存稳定性上得到改善，且和易性较好，应用更为灵活[12]。为保障抗裂性能要求，应力吸收层混合料普遍存在沥青含量大、建设成本偏高的问题，为提升该技术方案的经济与环境效益，提高公路行业路面材料循环利用率，将沥青路面回收材料(RAP)应用于应力吸收层当中是一项值得探究的措施，特别是RAP筛分回收的细料中沥青含量丰富，循环利用价值突出。本研究将路面再生技术与复合改性橡胶沥青技术相结合，将沥青路面RAP细料循环利用于应力吸收层，结合胶结料、混合料试验分析研究复合改性橡胶沥青再生混合料的抗裂性能。
1.1 常规技术指标
研究所采用的复合改性橡胶沥青主要由AH-70沥青、2.5%SBS、15%粒径40目橡胶粉及0.5%有机改性活性矿物(Activated Mineral Binder Stabilizer，AMBS)组成，依托专业工艺在工厂集中化生产得到。为研究复合改性橡胶沥青的材料特点，选取了不同沥青进行比较。其中，按传统湿法工艺室内自行制备了胶粉改性沥青，将掺量20%粒径40目的橡胶粉掺入AH-70基质沥青中，于180 ℃将胶粉在沥青中以5 000 rpm速率剪切50 min，然后经过45 min溶胀发育。检测指标如表1所示。在针入度、软化点、延度3大指标方面，复合改性橡胶沥青与SBS改性沥青较为相近，主要区别在于其延度要略低于SBS改性沥青，这主要是由于复合改性橡胶沥青中胶粉颗粒在沥青中溶解还不完全彻底，胶粉颗粒与沥青在拉伸过程中展现出不同的弹性特征，变形差异导致的应力集中使得复合改性橡胶沥青拉伸面率先起裂。复合改性橡胶沥青的弹性恢复指标达到89.5%，显著优于试验室自制胶粉改性沥青。
为确保沥青在泵送时保持适宜的流动性，SHRP提出沥青135 ℃的黏度应低于3 Pa·s。由表1可知，AH-70沥青和SBS改性沥青满足该要求，但两种橡胶粉改性类沥青均超出范围。美国各州及我国江苏省针对橡胶沥青施工专门提出了和易性指标，见表2，以177 ℃黏度为标准，复合改性橡胶沥青施工和易性显著优于自制胶粉改性沥青[11,13-15]。复合改性橡胶沥青比AH-70沥青、SBS改性沥青离析更明显，但比自制胶粉改性沥青已有大幅改善，这是因为复合改性橡胶沥青中添加的矿物活化成分提高了胶粉与沥青间的相容性，且经工厂化集中生产，胶粉微粒在沥青中降解更加深入、溶胀程度高，反映出更好的储存稳定性。
表2 橡胶沥青施工和易性指标
1.2 SHRP性能指标
应力吸收层材料的抗裂性能与沥青胶结料的低温、疲劳等各项性能有着密切联系，本研究采用SHRP性能试验分析研究复合改性橡胶沥青性能特点。
(1)温度敏感性
沥青作为温度敏感型材料，其劲度、黏度等指标随着温度改变而改变，由于温度敏感性与路面的耐久、抗裂性能存在内在联系，这既关系到沥青路面施工生产，也影响到路面使用。SHRP通过沥青的流变特性来评价温度敏感性[16]，动态剪切流变试验所测复数模量G双对数与温度T对数之间存在线性关系如下：
lglgG=GTS·lgT+C，
(1)
式中，G为G*或G*/sinδ；
T为开氏温度；
GTS为lglgG-lgT的斜率；
|GTS|绝对值反映沥青温度敏感性高低。
在44～88 ℃中高温区间采用动态剪切流变仪对沥青进行测试，试验使用的平行板直径25 mm，板间距1 mm，测试频率10 rad/s。
如图1(a)所示，从复数模量G*随着温度变化的情况看，在试验温度区间4种沥青G*下降的总体趋势基本一致，测得复合改性橡胶沥青G*略低于自制胶粉沥青，高于SBS改性沥青，而AH-70沥青G*最小；
由图1(b)可见，复合改性橡胶沥青的相位角δ略大于自制胶粉沥青，小于SBS改性沥青，AH-70沥青δ最大。这说明，相比于SBS改性沥青、AH-70沥青，复合改性橡胶沥青特征更加接近于弹性材料，与自制胶粉沥青相似。
针对4种不同沥青，式(1)中的线性关系如图1(c)所示，依据|GTS|指标评价不同沥青的温度敏感性：复合改性橡胶沥青的|GTS|指标为3.09，G*/sinδ随着温度T升高变化相对较小，与自制胶粉沥青|GTS|指标2.93较接近，其对温度的敏感性显著低于AH-70道路石油沥青和SBS 改性沥青。
图1 动态剪切流变试验结果
(2)低温性能
应用弯曲梁流变试验在-12 ℃温度下评价复合改性橡胶沥青的低温流变性，并与AH-70、SBS改性沥青、自制胶粉沥青做对比，测试结果见表3。
表3 不同沥青-12 ℃的流变性能测试结果
通过弯曲蠕变劲度S比较不同沥青的低温流变性，相同温度下复合改性橡胶沥青劲度仅147 MPa，低温性能相对较好，其次为自制胶粉沥青、SBS改性沥青，AH-70沥青低温性能较差。根据蠕变速率m值的测试结果，复合改性橡胶沥青应力松弛能力相对较好，其主要原因是工厂化集中生产的复合改性橡胶沥青中所含的胶粉微粒在沥青中经过充分的物理化学反应过程，溶胀形成了互相联络的空间立体网状结构，这种胶粉-沥青混溶体系有效改善了沥青的低温流变性能。
(3)疲劳性能
沥青路面的疲劳开裂受气侯、重载交通等外因以及混合料材料组成、性能等内因的综合影响，就沥青混合料而言，SHRP研究统计发现沥青胶结料对路面疲劳寿命的影响超过50%[17]。
在19～31 ℃环境下通过动态剪切流变试验计算得到沥青疲劳因子G*/sinδ，G*/sinδ越小表示每个加载周期耗散能越小，材料内部的损伤积累越慢[18]。根据图2，不同沥青在常温下的疲劳因子：复合改性橡胶沥青G*/sinδ相对较小，疲劳性能优于自制胶粉沥青、SBS改性沥青及AH-70沥青。
图2 不同沥青的疲劳因子比较
时间-扫描试验能够模拟沥青试件从损伤产生、发展至疲劳破坏的各阶段，相关研究显示，应变控制模式下沥青的疲劳寿命Nf50与混合料疲劳寿命之间存在较强关联，相关系数平均达0.8以上，其中Nf50定义为沥青复数模量衰减至初始模量(试验初期加载至50次的模量)50%时的循环加载次数[19]。本研究在15 ℃下，以10 Hz，5%应变水平加载对4种沥青进行时间-扫描试验，测试结果见表4。复合改性橡胶沥青的疲劳寿命要高于自制胶粉改性沥青、SBS改性沥青和AH-70沥青，这与采用G*/sinδ指标的试验结果一致。上述结果表明，将复合改性橡胶沥青应用于应力吸收层当中有助于提高路面抗裂性能。
表4 不同沥青疲劳寿命对比
为研究掺再生料的复合改性橡胶沥青应力吸收层抗裂能力，分析RAP掺量对路用性能的影响程度及变化规律，采取小梁弯曲、环形加载、含预切缝的半圆弯曲试验探究厂拌热再生在复合改性橡胶沥青应力吸收层中的应用效果。
2.1 RAP检测
采用某高速公路养护工程上面层AK-13铣刨料，原路面设计使用SBS改性沥青，PG分级为PG70-22。经检测，RAP含水量1.52%，砂当量73.4%，均能满足再生技术标准[20]。RAP抽提级配及沥青检测结果见表5～6。
表5 RAP抽提级配
表6 RAP抽提沥青检测结果
2.2 配合比设计
为制备应力吸收层混合料，将RAP依据粒径大小筛为4档，由粗到细分别用“RAP-1#”，“RAP-2#”，“RAP-3#”，“RAP-4#”表示，分档筛孔尺寸为1.18 mm，4.75 mm，13.2 mm，各档RAP的沥青及级配见表7和图3。
表7 各档RAP沥青含量
图3 各档RAP抽提后级配曲线
应力吸收层采用公称最大粒径较小的AC-10，使用RAP-2#～ RAP-4#等3档料，设计制备了RAP掺量分别为0，20%，35%，50%的橡胶沥青应力吸收层混合料，不同RAP掺量的配比见表8。
表8 不同RAP掺量的AC-10配合比设计结果
2.3 低温小梁弯曲试验
采用小梁弯曲评价复合改性橡胶沥青再生混合料的低温性能，根据规范要求[21]，在-10 ℃下以50 mm/min 加载，不同RAP掺量下的混合料试验结果见表9。在各RAP掺配比例下，复合改性橡胶沥青再生混合料AC-10的抗弯拉强度总体高于新拌混合料，破坏应变则随着RAP掺量的增加而逐渐下降。其中，新料的最大弯拉应变超过4 700 με，在20%，35%和50%的RAP掺量下，最大弯拉应变分别降低了24.9%，28.0%，40.2%。这表明，旧料的掺入对于复合改性橡胶沥青应力吸收层材料的低温抗变形能力影响较大，特别是50%RAP下该指标衰减较显著。对照《公路沥青路面施工技术规范》标准，当RAP掺量在35%以内，应力吸收层能够达到各类气候分区的低温性能要求，而在50%RAP掺量时，已不能满足冬严寒区3 000 με的技术标准[22]。
表9 复合改性橡胶沥青再生混合料AC-10小梁弯曲试验结果
2.4 环形加载试验性能研究
为模拟应力吸收层在路面结构中的实际受力状态，采用自行设计的环形加载试验评价复合改性橡胶沥青再生应力吸收层的力学性能[23]。压头底端直径1 cm，在施加荷载时模具从周围向试件提供竖向支撑。环形加载相较于传统小梁弯曲的加载方式，能更好模拟路面结构层的3向受力状况；
试验所采用的圆柱体试件通过旋转压实成型，压实、切割等制备过程简便；
试件制备过程中产生的矿料离析及切割精度误差比小梁要少。
环形加载试件厚度40 mm，直径150 mm，依托UTM-25万能试验机，在10 ℃以5 mm/min速率对复合改性橡胶沥青混合料AC-10进行环形加载试验。AC-10试件在环形加载条件下裂纹从多个方向、延多条路径从加载中心向边缘扩展，裂缝数量多、损伤范围广，且裂纹宽度、长短不均。采用相同试验条件，对比同种沥青制备的AC-20试件破环形态，AC-20试件加载过程中少数裂纹形成之后径直向边缘扩展，断裂过程表现出了明显的脆性。究其原因，外力加载做功形成的能量主要被试件既有缺陷所吸收，在微裂纹扩张、新裂纹产生至试件破坏过程中转化为表面能， AC-10混合料具有密级配、油石比高等特点，有助于应力吸收层在变形及开裂过程中吸收更多能量。
环形加载试验曲线如图4，相关研究一般采用强度、变形、劲度以及能量指标对材料力学性能进行定量评价[24]。本研究采用极限荷载Fmax，δFmax，劲度模量指数IRT及断裂能W，分析RAP掺量对应力吸收层力学性能的影响规律。其中，δFmax为荷载达到极限Fmax时对应的破坏变形，劲度模量指数IRT为荷载-位移曲线线性阶段的斜率，断裂能W的计算从0时刻开始至0.1Fmax终止。
图4 复合改性橡胶沥青混合料AC-10环形加载试验曲线
如图5(a)～(b)，应力吸收层混合料AC-10在环形加载下的极限荷载Fmax伴随RAP比例增加而提升，而δFmax逐步下降。具体而言，RAP掺量20%，35%，50%所对应的Fmax分别较新料提升了19.6%%，39.4%%和49.1%，对应的δFmax分别下降了24.8%%，24.9% 和18.6%。这表明在复合改性橡胶沥青应力吸收层中掺入RAP会提高其弯拉强度，但同时也会损失应力吸收层的抗变形能力。图5(c)反映了RAP掺量对应力吸收层弯拉劲度指数IRT的影响，RAP比例越高IRT劲度模量越大，当RAP掺比达到50%时劲度提高了近一倍。其原因主要是RAP中沥青老化较严重，针入度大幅下降，延度降至0。随着RAP掺量的增加，复合改性橡胶沥青与RAP料中老化沥青混合后产物呈现硬化脆化趋势，导致应力吸收层混合料的柔韧性随RAP掺量提高而快速衰减。
图5 复合改性橡胶沥青混合料AC-10环形加载试验结果
断裂能指标是AC-10应力吸收层混合料从加载到破坏全过程抗裂性能的综合体现，图5(d)反映了复合改性橡胶沥青混合料AC-10的断裂能W与RAP掺量的关系。结果表明，应力吸收层再生混合料断裂能W随着RAP掺量增加而逐渐下降，3种不同RAP掺量下再生混合料断裂能W比新料下降了5.6%，15.5%，29.3%。从趋势看，当RAP掺比超过35%，断裂能W下降幅度加剧。应力吸收层材料的组成设计主要是追求路面抗裂性能提高，并保持良好的柔韧性，在再生料中宜控制RAP的掺量不超过35%。
2.5 含预切缝的半圆弯曲试验
沥青混合料是一种非均质材料，在生产过程中天然存在一些固有缺陷(包括微裂纹、孔洞等)，相关理论研究认为常规试验难以反映混合料的非均质特征，而断裂力学方法更适于评价沥青混合料的抗裂性[25-26]。本研究基于含预切缝的半圆弯曲试验，通过材料断裂韧度JC分析应力吸收层混合料抗裂性如式(2)所示，其物理意义是当裂缝尖端的J积分达到断裂韧度JC就会开裂。
(2)
式中，a为切缝深度；
U为断裂能；
B为试样厚度。
试验中半圆试件直径为150 mm，厚度40 mm，圆心位置分别在垂直方向设10，20，30 mm不等的预切缝，支点跨距120 mm，见图6。依托UTM-25，在25 ℃下以5 mm/min施加匀速荷载，预切缝深度不同的试件荷载-位移曲线如图7所示。
图6 含预切缝的半圆加载试验示意图
图7 含预切缝的半圆加载试验曲线
将不同切缝深度a与断裂能U检测结果进行线性回归，得到线性关系如表10所示。其中U-a线性关系中的斜率即为断裂韧度JC。由表10可见，不同RAP掺量下，应力吸收层混合料的半圆弯曲试验断裂能均与切缝深度呈良好的线性关系(R2>0.9)。从JC指标看，随着RAP掺量提高，JC总体呈现下降趋势，35%RAP掺量下JC较新料下降了8%，而在50%RAP掺量下JC下降达18%，降幅增大。有关文献[27-28]经长期跟踪检测数据回归了路面破损率与JC相关性，当JC>0.65 kJ/m2时，路面抗裂性较好，混合料JC指标越高实际路面的破损率越低。对比该标准，各RAP掺量下的复合改性橡胶沥青均表现出良好的抗裂性能。
表10 断裂韧度试验结果
(1)复合改性橡胶沥青具有弹性恢复能力强、温度敏感性低、疲劳性能好等优点，其施工和易性比传统胶粉改性沥青更佳，在应力吸收层混合料中具有良好的适用性。
(2)复合改性橡胶沥青应力吸收层再生混合料低温性能良好，当RAP掺配比例在35%以内，可以达到各气候分区及低温环境对于改性沥青混合料的抗裂性能的要求，在50%的RAP掺量下，能够满足除冬严寒区以外的各类气候分区对低温抗裂性能的需求。
(3)复合改性橡胶沥青应力吸收层再生混合料具有较好的抗裂性能，RAP掺量的提高使得复合改性橡胶沥青混合料总体呈现强度升高、模量增加、韧性降低的特点，混合料断裂韧度、断裂能指标随RAP掺量增加而下降，为保障再生料具有充分的抗裂性能，旧料掺量不宜超过35%。
(4)将路面再生技术应用于复合改性橡胶沥青应力吸收层混合料制备中，应力吸收层的抗裂性能可以得到保障，兼顾了路面养护的经济效益与环境效益，具有良好的推广意义。
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