橡膠瀝青應(yīng)力吸收層研究進(jìn)展

劉 廣

（山西省公路局晉城分局，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國路網(wǎng)也得到了快速發(fā)展，過去三十年間我國大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，作為目前運(yùn)輸重要方式之一的高速公路，發(fā)展最為完善。經(jīng)過長期實(shí)踐，瀝青路面由于舒適性好、表面平整無接縫、噪聲低、養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)得到了大力發(fā)展。但是隨著瀝青路面運(yùn)營年限的增加,經(jīng)常發(fā)生裂縫、坑槽、車轍等病害。目前在舊路面的升級改造和新路面的建設(shè)中，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層得到了廣泛的應(yīng)用[1]。該技術(shù)兼顧了經(jīng)濟(jì)性和使用性能的同時，還具備施工便捷、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。

然而目前公路建設(shè)人員對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的認(rèn)識和了解有限，對于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在抗反射裂縫方面的作用機(jī)理和力學(xué)性能缺乏足夠的認(rèn)識。本文從橡膠瀝青的材料、研究方法、應(yīng)用效果驗(yàn)證及目前的研究進(jìn)展方面展開論述，全面分析了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的優(yōu)勢，可為后續(xù)公路建設(shè)提供借鑒。

1 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀

橡膠瀝青作為應(yīng)力吸收層最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，美國公路工程師Charles H.Mac Donald將廢膠粉與瀝青在高溫下混合后制備出了最初的橡膠瀝青，并將所制備的橡膠瀝青用于道路養(yǎng)護(hù)中[3]。南非和北美等國家對橡膠瀝青應(yīng)用非常廣泛，也是最早嘗試將橡膠瀝青作為防水黏結(jié)材料用于路面建設(shè)的[4]。經(jīng)過南非等國家的研究及實(shí)踐應(yīng)用表明，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層替代水穩(wěn)層與瀝青面層中間的稀漿封層后，可有效延長路面的使用壽命，延長路面的養(yǎng)護(hù)周期，由于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層介于水泥穩(wěn)定層與瀝青面層中間，可以一定程度上降低瀝青面層的厚度[3，5]。將該技術(shù)應(yīng)用到了舊路面的改造工程中，也可以有效延緩反射裂縫的出現(xiàn)，延長了改造路面的周期，降低了建造成本。現(xiàn)有研究表明，經(jīng)過加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，對于原路面使用壽命延長有較顯著的效果。

2000年后，橡膠瀝青受到科研工作者的關(guān)注。鄭健龍等[6]研究了特定時間內(nèi)溫度變化對溫縮型反射裂縫的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上得出了溫度變化的速度和幅度對裂縫的發(fā)展有著重要的影響。楊洋等[7]研究了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在抑制路基反射裂縫應(yīng)用效果，在室內(nèi)模擬了水泥混凝土與瀝青混合料疊加的典型“白加黑”結(jié)構(gòu)，在兩層之間設(shè)置了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，模擬工程應(yīng)用中水泥混凝土加鋪瀝青面層，分析了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在抗反射裂縫方面的工藝條件和方法，研究了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層對加鋪結(jié)構(gòu)抗裂性能的影響。

近年來，隨著橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在裂縫防止方面的優(yōu)異表現(xiàn)，逐漸地被用于各種路面的裂縫防治工作中。2009年，寧夏的中孟高速中衛(wèi)段在基層上鋪筑了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)段[8]；泗許高速為安徽省第一條大規(guī)模應(yīng)用橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的高速公路[9]；2010年，榮烏高速公路煙臺繞城，鋪筑了2 cm厚橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)路。以上工程均取得了良好的效果。2011年該高速亳州段在基層頂部采用橡膠瀝青應(yīng)力吸收層以代替常見的稀漿封層材料；深汕高速也在K279—K280段進(jìn)行了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)段的鋪筑[10]。

目前作為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的材料主要是以廢舊膠粉改性基礎(chǔ)石油瀝青為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行的進(jìn)一步改性和性能提升，改性劑有鏈接劑（TOR）、廢舊膠粉活化處理等。

20世紀(jì)70年代以后，歐美發(fā)達(dá)國家開展了橡膠瀝青的廣泛應(yīng)用研究，尤其以南非、美國研究的最為深入。經(jīng)過多個國家的試驗(yàn)段驗(yàn)證和服役后期的使用性能研究發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青黏結(jié)強(qiáng)度高、耐久性好、路面的使用舒適性優(yōu)于普通瀝青路面，且具有良好的路面防水性能，廢舊膠粉改性瀝青路面使用壽命是純?yōu)r青路面使用壽命的兩倍以上，主要是提高了瀝青路面的高溫性能和低溫抗裂性，還可以顯著地提升橡膠瀝青的高低溫抗變形能力，這是普通瀝青或普通改性瀝青所不具備的。正是由于橡膠瀝青的優(yōu)異性能，逐步地得到了許多國家的認(rèn)可，并開展了大規(guī)模的應(yīng)用。

而橡膠瀝青由于黏度高使得拌和和改性的溫度也相應(yīng)地提高，研究者為了解決橡膠瀝青拌和溫度高等問題，逐步開展了降低橡膠瀝青黏度的技術(shù)開發(fā)，包括增加發(fā)育時間、添加改性劑、活化廢舊膠粉等。

美國于1998年開始使用橡膠鏈接劑TOR作為改性劑，進(jìn)一步提升了橡膠瀝青的抗剝落性能；國內(nèi)張子宏等[11]研究者開展了活化劑對橡膠瀝青性能的研究，利用不同結(jié)構(gòu)的含硫塑解劑對膠粉活化再生，通過再生膠制備出了硫化膠，研究了橡膠瀝青的性能變化，研究結(jié)果顯示活化劑中苯環(huán)上官能團(tuán)含量的增加有利于再生膠和硫化膠的生成。

很多研究者將上述的活化脫硫技術(shù)和交聯(lián)反應(yīng)技術(shù)引入了橡膠瀝青的制備當(dāng)中，制備出了性能優(yōu)異的橡膠瀝青，并將其應(yīng)用到了應(yīng)力吸收層中，取得了不錯的應(yīng)用效果[12]。

2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)用領(lǐng)域

目前橡膠瀝青應(yīng)力吸收層主要用于3個方面：a）舊水泥混凝土路面改造，即“白+黑”路面改造工程；b）新建高速公路，用于替代現(xiàn)在用于水泥穩(wěn)定層與瀝青面層中間鋪設(shè)的稀漿封層；c）用于替代橋面防水黏結(jié)層，鋪設(shè)于橋面水泥混凝土與橋面瀝青混合料之間。

根據(jù)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的應(yīng)用領(lǐng)域不同，所起的作用也有所不同。第一，水泥路面改造加鋪瀝青路面工程，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的作用主要是起到承上啟下的作用，即將無機(jī)的水泥混凝土與有機(jī)的瀝青混合料黏結(jié)，保證加鋪層與舊路面有更好的整體性，防止加鋪的瀝青路面發(fā)生推移擁包等病害。第二，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在新建高速公路中替代稀漿封層，作用類似于第一種情況，起到了將瀝青路面與水泥穩(wěn)定層黏結(jié)在一起，同時防止水分滲透到水泥穩(wěn)定層及路基，同時延緩了水泥穩(wěn)定層和路基裂縫反射到瀝青面層的時間。第三，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)用于橋面防水，主要是防止水分滲透到橋面上，對橋梁內(nèi)部鋼骨架造成腐蝕，防止橋梁早期損害，也起到了承上啟下的黏結(jié)作用，將路面的應(yīng)力均勻地分散到橋面[13]。

3 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)方法

目前在橡膠瀝青的設(shè)計(jì)方法中主要為：空隙填充理論、有限元分析、經(jīng)驗(yàn)法。

空隙填充理論法，其理論基礎(chǔ)就是Hanson的空隙填充理論法，該設(shè)計(jì)方法采用骨料堆密度、集料空隙率和集料吸水率，并依據(jù)骨料尺寸和扁平指數(shù)計(jì)算出應(yīng)力吸收層所需的碎石最小尺寸，設(shè)計(jì)過程還會考慮已運(yùn)營的路面參數(shù)、交通通行量、路面破損狀況、骨料嵌固結(jié)構(gòu)等多個因素，最后采用相關(guān)公式確定最佳的骨料撒布量和瀝青結(jié)合料用量[14]。

軟件分析法，目前的軟件分析方法中有靜力平衡法、斷裂力學(xué)法和有限元分析法。其中有限元分析法在工程應(yīng)用最為廣泛，有限元分析法是利用有限元計(jì)算軟件，借鑒現(xiàn)實(shí)中的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利用數(shù)學(xué)近似的方法對應(yīng)力吸收層的應(yīng)力特性進(jìn)行模擬，通過模擬加鋪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特點(diǎn)，分析研究瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)參數(shù)、應(yīng)力吸收層參數(shù)、應(yīng)力吸收層模量對加鋪底層荷載應(yīng)力、應(yīng)力吸收層底部荷載應(yīng)力的影響。通過有限元分析可以模擬不同的瀝青混合料加鋪層、基本情況、車輛行駛速度等參數(shù)得到應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)受力行為，分析應(yīng)力響應(yīng)情況進(jìn)行分析，得出應(yīng)力吸收層與舊路面之間力學(xué)相應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確在動態(tài)荷載作用下應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)受力行為，以及應(yīng)力吸收層對路面結(jié)構(gòu)受力影響的關(guān)系[15]。

經(jīng)驗(yàn)法是最常用的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)施工的方法之一。該方法結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與施工要求，確定出了橡膠瀝青的用量、石料用量、石料規(guī)格及橡膠瀝青的性能指標(biāo)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的道路工程技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際施工需求和經(jīng)驗(yàn)，初步確定施工參數(shù)，然后通過小范圍施工觀察施工效果是否滿足設(shè)計(jì)要求，逐步調(diào)整，確定最終的施工參數(shù)[16]。

4 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)方法

為了更好地分析橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的作用機(jī)理，很多科研工作和在室內(nèi)模擬不同應(yīng)用場景下的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)用效果。主要是利用疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照實(shí)際使用情況制備試件，然后分析不同情況下加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)與未加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)之間的抗疲勞性能，進(jìn)而宏觀地得到橡膠瀝青應(yīng)力吸收層反射裂縫方面的作用效果。

5 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層研究熱點(diǎn)

目前關(guān)于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的研究主要有以下幾方面：a）降低橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的施工溫度；b）提升橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性，減少離析溫差；c）進(jìn)一步提升橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫性能。

其中，降低橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的施工溫度和提升橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性是目前橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的熱點(diǎn)研究方向。降低橡膠瀝青的施工溫度到普通改性瀝青的溫度范圍，可以極大地降低橡膠瀝青的施工難度，有助于橡膠瀝青在道路建設(shè)的全面應(yīng)用，有著戰(zhàn)略性的意義。而提升橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性，降低離析溫差可以降低施工成本，改善施工和易性，避免了長期存儲導(dǎo)致橡膠瀝青嚴(yán)重離析進(jìn)而導(dǎo)致工程質(zhì)量不穩(wěn)定。

6 結(jié)語

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層由于其優(yōu)異黏結(jié)性能和高溫黏彈性，使得橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可以在舊路面改造、新路面建設(shè)及橋面防水等方面有著重要的作用。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的應(yīng)用，可以顯著延長道路的使用壽命，降低道路的綜合使用成本，有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。