橡胶沥青应力吸收层性能试验研究

王运武

(海南省公路勘察设计院， 海口 570206 )



橡胶沥青应力吸收层性能试验研究

王运武

(海南省公路勘察设计院， 海口 570206 )

为延缓复合式路面沥青面层产生反射裂缝，通常会在沥青加铺层和水泥混凝土路面之间设置应力吸收层。通过复合试件的直接剪切与疲劳试验，对橡胶沥青应力吸收层与其它工程中常用应力吸收层的力学和疲劳性能进行比较和研究，揭示橡胶沥青应力吸收层的性能优势。

水泥混凝土路面；反射裂缝；橡胶沥青；应力吸收层；性能试验

在复合式路面结构中,由于水泥混凝土路面接缝和裂缝的存在，在温度变化和交通荷载作用下，其裂缝和接缝处会产生水平和竖向位移。这2种位移的周期性反复作用会将旧水泥混凝土面板产生的拉应力传递至沥青面层，当拉应力超过沥青混凝土面层的抗拉强度时，会在接缝或裂缝处出现反射裂缝[1-2]。

为延缓复合式路面产生反射裂缝，通常会在沥青加铺层和水泥混凝土路面之间设置1层抗剪切能力强、疲劳性能好的应力吸收层。橡胶沥青应力吸收层是采用橡胶沥青作为胶结料，铺筑于旧水泥混凝土路面之上，然后均匀满铺单一粒径碎石，并通过胶轮压路机碾压而形成碎石封层模式的路面结构层，其具有防反射裂缝、抗水毁及粘结作用[3]。为了评价橡胶沥青应力吸收层的使用性能，本文选择工程中常用的4种应力吸收层，即乳化沥青封层、SBS沥青封层、加铺土工格栅、聚酯玻纤布，并将其与橡胶沥青应力吸收层进行性能试验比较，以揭示橡胶沥青应力吸收层的性能优势。

1 原材料性质与试验评价指标

1.1 原材料性质

本次试验橡胶沥青采用广东省高富AH-70基质沥青与18% 40目橡胶粉加工拌制。橡胶沥青应力吸收层原材料试验结果分别见表1、表2。乳化沥青封层、SBS沥青封层、土工格栅、聚酯玻纤布应力吸收层所需集料均由海南省国道G361公路改建工程施工项目部提供。

表1 橡胶沥青试验结果

表2 集料试验结果

1.2 试验评价指标

根据应力吸收层的功能及特殊使用环境，应力吸收层须达到以下性能要求：1) 具有一定的粘结力，可以保证沥青混凝土加铺层与水泥混凝土路面具有较好的整体完整性，以抵抗层间的剪切力；2) 应具有良好的抗疲劳性能，可以经受交通荷载周期性反复作用而不出现疲劳损坏[4]。本次试验拟通过测试复合试件抗剪切强度和疲劳寿命2项指标对应力吸收层材料性能进行对比分析。

2 直接剪切试验

2.1 试验设计方案

直接剪切试验即不考虑沥青混凝土加铺层与水泥混凝土路面之间的摩擦力，对复合试件施加水平向荷载测试应力吸收层抵抗水平剪切的能力。与斜面剪切试验不同，直接剪切试验能够直接反映应力吸收层材料的抗剪切性能[5-6]。本次试验设计了复合马歇尔试件，采用特制圆形夹具利用马歇尔试验仪进行加载并记录最大竖向剪切力。直接剪切试验方法见图1。

图1 直接剪切试验

为了准确研究应力吸收层的抗剪强度，全面分析各试验影响因素对剪切强度的影响规律，制定了如下剪切试验方案：

1) 为了对比研究设置应力吸收层对复合试件抗剪强度的影响，试验设置1组未铺设应力吸收层的复合试件。

2) 为了测试水泥混凝土界面粗糙状态对复合试件抗剪切强度的影响，试验设置1组界面未作处理的试件，其他试件均在水泥混凝土表面进行拉毛处理。

3) 为确定橡胶沥青用量对复合试件抗剪强度的影响，试验设置3组不同橡胶沥青用量试件，橡胶沥青用量分别为1.8、2.4、3.0 kg/m2，其他试验参数不变。

鉴于试验主要目的在于研究中间层的性能，对于水泥混凝土和沥青混凝土的性能要求不是很严格，因此复合试件水泥混凝土统一采用C30混凝土，加铺层统一采用AC-13沥青混凝土。试验以3个试件为1组，取1组的平均值作为试验结果。

2.2 复合马歇尔试件制备

制作复合马歇尔试件时，先将一定量设计强度为C30的水泥混凝土装入Ф101 mm×87 mm的标准马歇尔试模中成型Ф100 mm×44 mm的水泥混凝土试件，然后在标准条件下将试件养生28 d。按照各类应力吸收层施工方法在水泥混凝土试件表面成型应力吸收层时，先将一定量的热拌AC-13沥青混合料倒入Ф101 mm×87 mm马歇尔试模中，然后在压力机上采用静压成型试件，待混合料冷却后1次脱模。试件制备过程见图2。

图2 复合马歇尔试件制作过程

2.3 试验结果分析

直接剪切试验结果见表3。

由表3可以看出：

1) 抗剪切性能优劣次序为橡胶沥青3.0 kg/m2>聚酯玻纤布>橡胶沥青2.4 kg/m2>SBS改性沥青>乳化沥青>土工格栅>橡胶沥青1.8 kg/m2(拉毛)>橡胶沥青1.8 kg/m2(未处理)>无应力吸收层。与未设置应力吸收层复合试件相比，设置了应力吸收层的试件其剪切强度有大幅度提高，这是由于应力吸收层能够有效提高沥青混凝土与水泥混凝土界面之间的粘结状态，从而可提高复合试件的层间剪切强度。

2) 对水泥混凝土试件表面进行拉毛处理后，橡胶沥青应力吸收层复合试件抗剪强度从0.52 MPa提高到0.67 MPa，剪切强度明显增大。

表3 直接剪切试验结果

3) 橡胶沥青用量在1.8～3.0 kg/m2范围内时，试件抗剪切强度随沥青用量增加而增加，这是由于在直接剪切试验中，抗剪能力主要由沥青的粘聚力提供，当沥青用量增加时，沥青混合料与基底接触面积增大，抗剪强度也随之增大。

通常沥青罩面层5 cm处的剪切力为0.2～0.45 MPa，且随着罩面深度增加，层间剪应力减小[7]。直接剪切试验结果表明，各应力吸收层抗剪强度均能满足路面使用要求，其中橡胶沥青应力吸收层和聚酯玻纤布应力吸收层抵抗层间剪切效果较好。

3 复合小梁疲劳试验

3.1 试验设计方案

为评价应力吸收层抵抗反射裂缝的性能，本次试验设计了长38.1 cm×6.4 cm×8.5 cm 的复合小梁试件，并对下层C30水泥混凝土进行预切缝处理以模拟水泥混凝土路面的裂缝和接缝条件。美国SHRP研究成果表明，对于加铺层较薄路面，应变控制模式更符合路面实际状况[8]。本次试验采用四点弯拉试验，并用UTM应变控制系统对复合小梁疲劳性能进行研究。试验时，试验温度为15 ℃，控制应变为400 με，加载频率为10 Hz，当复合梁试件劲度模量降为初始劲度模量50%时的作用次数即为试件疲劳破坏寿命。疲劳试验模型见图3。

图3 疲劳试验模型示意

3.2 复合小梁试件制备

制作复合梁试件时，先在40 cm×30 cm×5 cm车辙模子中浇筑厚为4 cm、强度等级为C30的水泥混凝土板，然后对表面进行拉毛处理，并在标准条件下养生28 d。按照各类应力吸收层施工方法制作应力吸收层，并在水泥混凝土板上层倒入一定量的热拌AC-13沥青混合料，然后轮碾成型复合板。室内放置48 h后将每块复合板切割成38.1 cm×6.4 cm×8.5 cm的复合小梁，并从下层水泥混凝土中间贯穿切缝，缝宽3 mm，以模拟水泥混凝土路面的裂缝和接缝条件。

3.3 试验结果分析

疲劳试验结果见表4。

由表4可以看出：

1) 疲劳性能优劣次序为聚酯玻纤布>橡胶沥青3.0 kg/m2>SBS改性沥青>橡胶沥青2.4 kg/m2>土工格栅>橡胶沥青1.8 kg/m2>乳化沥青>无应力吸收层。设置应力吸收层能有效提高复合结构中沥青混凝土加铺层的疲劳寿命。

2) 橡胶沥青用量在1.8～3.0 kg/m2范围内时，复合梁试件疲劳寿命随沥青用量增大而增大，且效果比较显著。这是由于沥青用量的变化影响着应力吸收层的劲度模量、空隙率和沥青膜厚度，且这些因素均对试件的疲劳寿命有影响。

3) 橡胶沥青洒布量为3.0 kg/m2的复合小梁其疲劳寿命为36 051次，是乳化沥青复合小梁疲劳寿命的3倍多。除橡胶沥青应力吸收层外，聚酯玻纤布应力吸收层和SBS沥青封层疲劳性能也较好。

表4 复合梁疲劳试验结果

4 结束语

本文基于通过对含应力吸收层的复合马歇尔试件、复合小梁试件进行的直接剪切和弯曲疲劳试验，对橡胶沥青应力吸收层与其他工程中常用应力吸收层的力学和疲劳性能进行了研究，并得到如下结论：

1) 在旧水泥混凝土路面加铺沥青面层结构设计中，应力吸收层的设置非常重要。在各类应力吸收层中，橡胶沥青应力吸收层具有较好的抗剪切和抗疲劳性能，且聚酯玻纤布应力吸收层和SBS沥青封层也具有较好的使用性能。

2) 粗糙的水泥混凝土表面可以增大界面之间的摩擦力和粘结力，从而可提高层间抗剪切强度。工程应用中，可以采取先对水泥混凝土表面进行拉毛、抛丸等处理，再铺筑沥青混凝土等措施，以取得较好的使用效果。

3) 橡胶沥青用量在1.8～3.0 kg/m2范围内时，复合试件抗剪切和抗疲劳性能都随沥青用量增加而显著增大，但如果沥青用量过大，则沥青路面容易产生泛油，且也会增加工程造价。为此，基于试验研究成果，建议橡胶沥青应力吸收层合适的用量为2.4～2.8 kg/m2。

[1] 张顺先，刘 甫.橡胶沥青SAMI应力吸收层的性能研究[J].交通标准化，2008(7)：161-164.

[2] 王 浩，叶 强，闫东波，等.橡胶沥青SAMI应力吸收层施工技术[J].公路交通技术，2008(3)：41-42，45.

[3] 牛智华.高性能橡胶沥青应力吸收层应用技术研究[D].西安：长安大学，2011.

[4] 陈 骁.SBS改性沥青应力吸收层性能研究[J].中外公路，2005(6)：99-101.

[5] 何良杰.桥面高粘沥青粘结防水材料性能与应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.

[6] 高俊启，季天剑.橡胶沥青应力吸收层力学与疲劳性能研究[J].实验力学，2009，24(4)：341-346.

[7] 王 龙，郭 攀.橡胶沥青应力吸收层性能研究及应用[J].路基工程，2014(6)：108-109.

[8] 侯彦明，高敏杰，高俊启.橡胶沥青应力吸收层疲劳性能试验研究[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

王运武(1984-)，男，湖南省永州市人，硕士，工程师。

1009-6477(2016)05-0009-04

U416.217

A