剛性基層抗裂材料開發(fā)與溫度敏感性研究

焦 艷 紅

(屯留縣交通運(yùn)輸局，山西 屯留 046100)

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剛性基層抗裂材料開發(fā)與溫度敏感性研究

焦 艷 紅

(屯留縣交通運(yùn)輸局，山西 屯留 046100)

為增加剛?cè)釓?fù)合式路面耐久性，以高溫軟化點(diǎn)和低溫延度為指標(biāo)，開發(fā)剛性基層抗裂材料，測試了抗裂材料的基本性能，分析了材料組成、比例對抗裂材料的低溫柔韌性和高溫穩(wěn)定性的影響，為抗裂材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

道路工程，抗裂材料，溫度敏感性，剛性基層

以貧混凝土、水泥混凝土或連續(xù)配筋水泥混凝土等剛性材料為基層上覆蓋瀝青混凝土的復(fù)合式路面，能充分利用剛性基層材料抗沖刷性好、強(qiáng)度高、承載力大和整體性好等優(yōu)點(diǎn)，瀝青混凝土作為罩面提供了一個摩阻系數(shù)較高、平整度好的表面層，成為“剛?cè)嵯酀?jì)”復(fù)合式路面，大大改善了路面的行車舒適性和使用性能[1]。但在干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力的共同作用下，剛性基層的裂縫很容易向上擴(kuò)展，不采取措施將出現(xiàn)比半剛性基層瀝青路面更為嚴(yán)重的反射裂縫[2-5]。前期研究表明，影響復(fù)合式瀝青路面耐久性依然是反射裂縫問題，復(fù)合式路面的核心技術(shù)之一是設(shè)置合理的抗裂層，反射裂縫問題同樣也制約了復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用[6]。從運(yùn)營的情況看，滿鋪應(yīng)力吸收層的方法雖然在延緩、預(yù)防反射裂縫方面效果顯著，但工程造價較高；鋪設(shè)聚酯玻纖布、抗裂貼等措施，延緩反射裂縫效果不夠理想[7,8]。因此，研發(fā)一種較好的層間抗裂材料并深入探究其應(yīng)力吸收機(jī)理，對延長剛?cè)釓?fù)合式路面的使用壽命具有重要的意義。

本文為提高剛?cè)釓?fù)合式路面耐久性，以高溫軟化點(diǎn)和低溫延度為指標(biāo)開發(fā)剛性基層抗裂材料，將全面測試抗裂材料的基本性能，系統(tǒng)分析材料組成、比例對抗裂材料的低溫柔韌性和高溫穩(wěn)定性的影響，為剛?cè)釓?fù)合式路面更加耐久的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

1)基礎(chǔ)瀝青。本文所用的瀝青為SK70號基質(zhì)瀝青，按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程的試驗(yàn)方法測試基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求。

表1 基質(zhì)瀝青的基本指標(biāo)

2)改性劑。

a.高分子延展型改性劑。本文選用的高分子延展型改性劑為SBS-1301線型，作為建筑瀝青和道路瀝青的改性劑可明顯改進(jìn)瀝青的耐候性和耐負(fù)載性能。SBS技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 SBS技術(shù)指標(biāo)

b.高分子彈性改性劑。本文選用的高分子彈性改性劑為廢舊的橡膠粉，主要用于運(yùn)動場、防水卷材、工程輪胎、橡膠制品、塑料制品改性等領(lǐng)域。試驗(yàn)中橡膠粉的細(xì)度為30目。

3)助劑。本文采用的助劑是一種低分子量非晶態(tài)的共聚物，由丙烯、乙烯為原料聚合而成。其具有較好的耐水性能，能夠提高瀝青材料的高溫、低溫性能，增強(qiáng)瀝青材料的粘結(jié)性能，廣泛用于防水卷材中。

4)填料。本文選用優(yōu)質(zhì)石灰粉作為填料，用以增加瀝青材料的高溫穩(wěn)定性能。

1.2 試驗(yàn)方法

1)基本性能試驗(yàn)。基本性能試驗(yàn)參照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定對改性瀝青材料進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、離析、老化等試驗(yàn)。

2)低溫柔韌性試驗(yàn)。參照GB T328.14—2007建筑防水卷材試驗(yàn)方法中瀝青防水卷材—低溫柔性方法進(jìn)行試驗(yàn)，參照GB 23441—2009自粘聚合物改性瀝青防水卷材采用冷彎溫度評價其低溫性能。

3)高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。參照GB T328.11—2007建筑防水卷材試驗(yàn)方法中瀝青防水卷材—耐熱性方法進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合上層瀝青混合料施工終壓溫度以及瀝青層工作環(huán)境進(jìn)行高溫性能評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗裂材料開發(fā)

選擇SBS和膠粉單一材料加入到瀝青中，并添加適量助劑和填料，進(jìn)行以軟化點(diǎn)、延度為指標(biāo)的溫變性能試驗(yàn)。結(jié)合高、低溫性能初選膠粉或SBS作基礎(chǔ)添加劑，并添加另外一種材料，確定抗裂材料配比。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖6所示。

從圖1，圖2可以看出，隨著摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度都有不同程度的增加，其變化規(guī)律基本一致。其中SBS改性瀝青的高溫性能、低溫性能提升能力最強(qiáng)，相比而言膠粉對高溫耐溫變性能提升性能不明顯。因此，選擇SBS為抗裂材料的基礎(chǔ)添加劑，后續(xù)將以SBS摻量8%，12%和16%為基礎(chǔ)添加膠粉，進(jìn)行以軟化點(diǎn)、延度為指標(biāo)的溫變性能試驗(yàn)。

從圖3，圖4可以看出，膠粉對SBS改性瀝青高溫軟化點(diǎn)有一定的提高功效，隨著SBS含量的增加，膠粉對SBS改性瀝青的高溫性能影響逐漸減小，而延度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?？紤]材料的抗高溫耐溫變性能確定SBS∶膠粉∶瀝青(8∶30∶100～12∶30∶100)為優(yōu)選配比。后續(xù)將添加4%的助劑，研究填料對抗裂材料的性能影響規(guī)律，確定抗裂材料配比。

從圖5，圖6可直觀看出，填料對復(fù)合瀝青材料的高溫性能有明顯的改善作用，填料用量增加，則復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸提升，在用量大于30%后有減緩的趨勢；而復(fù)合瀝青材料的低溫延展性能逐漸降低。原因在于填料的加入致使部分瀝青粘結(jié)料裹覆于其表面，瀝青材料之間的連接基團(tuán)減少，故其延展性能逐漸降低。結(jié)合施工需求，確定抗裂材料優(yōu)選配比為A(8∶30∶30∶100)和配比為B(12∶30∶40∶100)。

2.2 抗裂材料基本性能研究

剛性基層抗裂材料是由瀝青、SBS改性劑、膠粉、填料等按一定比例配置而成的聚合物改性瀝青材料，按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程對優(yōu)選配比A和B進(jìn)行基本性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 抗裂材料基本性能

從表3可以看出，兩種優(yōu)化配比的抗裂材料的基本性能都維持在較高的水平，滿足中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 798—2011公路工程—廢胎膠粉橡膠瀝青的技術(shù)性能要求。相比較而言，配比A的相關(guān)性能優(yōu)于配比B，短期老化后，兩種配比的抗裂材料性能相差不大。

2.3 抗裂材料低溫柔韌性能研究

抗裂材料在低溫環(huán)境下延展性明顯下降，并具有一定的脆性。然而，剛性基層并沒有因?yàn)闅鉁叵陆刀S載減小。對優(yōu)選配比A和B進(jìn)行低溫柔韌性能研究。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)談至明教授的研究結(jié)論為在加鋪層10 cm以下的抗裂材料所處深度的極限溫度為-10 ℃。

表4 不同瀝青材料的低溫柔韌性能

通過表4可以看出，摻量大于4%的SBS改性瀝青均滿足低溫性能的要求，抗裂材料也均滿足低溫性能的要求。為直觀的分析各因素對抗裂材料低溫性能的影響，將其分類繪制直觀圖進(jìn)行系統(tǒng)說明，如圖7，圖8所示。

從圖7可以看出，隨著SBS摻量的增加瀝青材料的抗低溫性能逐漸提高，并且低溫性能的漸變率逐漸下降。很明顯，SBS加入瀝青增強(qiáng)了材料的延展性能，在低溫環(huán)境下改性瀝青的脆性表現(xiàn)逐漸不明顯。結(jié)合圖8延度試驗(yàn)結(jié)果分析：SBS的加入使得瀝青內(nèi)聚力增加，表面分子間的粘聚力增加，在低溫環(huán)境下任意方向的變形，拉應(yīng)力均能夠較好的緩和，宏觀表現(xiàn)為低溫抗彎性能增強(qiáng)。各材料成分中，橡膠起到增加彈性的作用，而填料起到填充空隙、增加骨架及抗壓的作用，所以橡膠及填料對瀝青的低溫性能的改善均建立在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上。

2.4 抗裂材料高溫穩(wěn)定性能研究

為研究抗裂材料在上層瀝青混凝土施工過程中的高溫穩(wěn)定性能，對優(yōu)選A和B進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示?？紤]瀝青混合料在鋪筑過程中，由攤鋪到碾壓完成這個過程中瀝青混合料溫度的變化，根據(jù)長沙理工大學(xué)鄭健龍教授及孫潔《熱拌瀝青混合料施工壓實(shí)過程中溫度場變化規(guī)律研究》的研究結(jié)論，認(rèn)為有效壓實(shí)時間30 min內(nèi)，6 cm瀝青混合料的溫度可降低到110 ℃。

表5 不同瀝青材料的高溫穩(wěn)定性能

為直觀的分析各因素對抗裂材料高溫性能的影響，將其分類繪制直觀圖進(jìn)行系統(tǒng)說明，如圖9，圖10所示。

從圖9可以看出，隨著SBS摻量的增加瀝青材料的耐熱性能逐漸提高，并且耐熱性能的漸變率逐漸下降。加熱60 min，SBS摻量的增加對耐熱性能的提高逐漸不明顯。表明在長時間的加熱狀態(tài)下，高溫性能較強(qiáng)的瀝青材料也會發(fā)生軟化，耐熱性能逐漸下降。SBS加入瀝青中在結(jié)構(gòu)上加固了瀝青的穩(wěn)定性，在長時間的高溫狀態(tài)下，能量逐漸累積，瀝青中局部穩(wěn)定性下降，輕組分逐漸流淌，SBS對瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用逐漸降低，故耐熱性能下降。在上層瀝青混合料攤鋪、碾壓過程中很少出現(xiàn)持續(xù)60 min的高溫加熱作用，故以持續(xù)加熱30 min為時限分析抗裂材料的耐熱性能。

從圖10可以看出，隨著SBS摻量的增加瀝青的軟化點(diǎn)和耐熱性逐漸增加，其中軟化點(diǎn)與SBS摻量基本呈線性關(guān)系，而耐熱性的增長趨勢逐漸減小。總體而言，軟化點(diǎn)和耐熱性呈現(xiàn)了明顯的相關(guān)性，在設(shè)計(jì)、施工過程中提高瀝青材料的軟化點(diǎn)對提高抗裂的耐熱性能具有直接作用。

3 結(jié)論

1)開發(fā)了用于剛性基層裂縫控制的瀝青材料，能夠在較高的溫度下保證不軟化，在低溫環(huán)境下不發(fā)生脆性破壞。且滿足我國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

2)SBS摻量的增加使瀝青材料的低溫柔韌性、高溫穩(wěn)定性逐漸提高，并且低溫性能的漸變率逐漸下降。在SBS改性瀝青中添加橡膠、填料對瀝青材料的低溫性能的影響規(guī)律一致。

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The rigid base anti-crack material development and temperature sensitivity research

Jiao Yanhong

(TunliuTrafficTransportBureau,Tunliu046100,China)

In order to increase the durability of rigid soft composite pavement, taking the high softening point and low temperature ductility as the index, developed the rigid base anti-crack material, tested the basic performances of anti-crack materials, analyzed the influence of material composition, ratio to the low temperature flexibility and high temperature stability of anti-crack material, laid foundation for the application of anti-crack materials.

road engineering, anti-crack material, temperature sensitivity, rigid base

1009-6825(2016)11-0117-04

2016-01-23

焦艷紅(1975- )，女，工程師

TU502

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