橡膠瀝青碎石封層路用性能評價

伊美君

(松溪縣交通建設質量安全監(jiān)督站，松溪 353500)

大量的研究和工程實踐[1-3]已然證實瀝青路面中面層與基層間的結合質量是影響瀝青路面使用壽命的重要因素之一，若兩者之間結合質量不好，通車后易發(fā)生層間剪切滑移，產(chǎn)生推擠裂紋，在荷載及雨水的作用下，路面早期破壞頻發(fā)。同時由于水泥材料的特性，半剛性基層極易產(chǎn)生溫縮和干縮裂縫， 在車輛荷載和環(huán)境溫度的耦合作用下，裂縫將不斷向瀝青層擴展，反射到路面形成反射裂縫，大大縮減了路面的使用壽命[4-5]。 因此，為了使路面多層組合體系具有良好的結構承載能力和耐久性， 針對瀝青路面面層與基層層間處置新材料新技術的研究近年來一直是瀝青路面領域的熱點問題。

橡膠瀝青碎石封層作為一種性能優(yōu)異瀝青路面功能層，可起到防水粘結、應力消減、以及延緩路面裂縫反射的作用[6]，近年來，在國內多項高速公路工程中鋪筑了橡膠瀝青碎石封層的試驗路段， 可以說其表現(xiàn)出了較大的應用前景。 然而，目前針對于這一新型功能層，關于材料設計、 功能評價等方面還沒有具體標準和和統(tǒng)一的試驗方法， 本文將從抗剪性能和抗反射裂縫性能對其主要功能進行試驗評價， 以其為后續(xù)福建省橡膠瀝青碎石封層推廣應用奠定試驗基礎。

1 試驗

1.1 試驗材料與試件制備

為模擬含橡膠瀝青碎石封層的路面結構形式， 采用“水泥混凝板(厚5cm)+橡膠瀝青碎石封層+瀝青層(厚5cm)”的組合形式制備試件。水泥板采用秦嶺牌425 號普通硅酸鹽水泥，其物理力學性質如表1 所示。所用粗骨料為石灰?guī)r，砂子為機制砂，設計得到水泥混凝土配合比如表2 所示。

瀝青混合料的所用瀝青為殼牌70#基質瀝青，礦料為石灰?guī)r，礦料級配分別按規(guī)范[7]AC-16 型推薦中值設計，按馬歇爾法確定最佳油石比分別為4.9%，空隙率為4.5%。 殼牌70#基質瀝青、橡膠瀝青技術性能分別如表3 所示。

表1 水泥技術性能

表2 水泥混凝土配合比設計

表3 殼牌70# 瀝青、橡膠瀝青技術性能

1.2 測試方法

為評價橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能， 在25℃恒溫環(huán)境箱中使用MTS 液壓伺服試驗機按位移控制模式(50mm/min)對試件(長寬高均為10cm 的正方體)進行斜剪試驗。 原理如圖1 所示，測試裝置主要由加載板、承載板及滾軸組成，在豎向載荷作用下，上下兩塊加載板在水平方向產(chǎn)生相對滑動，由滾軸提供滑動的邊界條件，加載板的相對滑動會在粘結層處產(chǎn)生剪切應力為[8]：

式(1)中，F(xiàn) 為試驗過程記錄的峰值荷載(N)，A 為試件防水粘結層面積(mm2)； 為剪切角度45°。

圖1 斜向剪切試驗原理

為評價橡膠瀝青碎石封層的抗反射裂縫性能， 依托于MTS 液壓伺服試驗進行三點彎曲試驗和應力控制疲勞試驗， 原理如圖2 所示。 兩種試驗方法的溫度均為25℃。 單調加載彎曲試驗的加載頻率為50mm/min，得到彎拉強度σm評價橡膠瀝青碎石封層的抗裂性能，其計算方法按式(2)進行計算。疲勞試驗采用0.1σm和0.3σm兩種應力水平(分別代表低應力和高應力)，采用正弦波形荷載進行加載，波峰為設定應力水平，波谷為10N，加載頻率設定為10Hz。所用試件幾何尺寸：總長250mm，寬50mm，高100mm，小梁由上下兩層復合而成，下層是水泥混凝土板(高50mm)，中間鋸縫的寬度是2mm，以模擬舊水泥混凝土路面的反射裂縫，中間層是橡膠瀝青碎石封層，上層采用AC-16 瀝青混合料。

式(2)中，σm為彎拉強度，Kt為應力集中系數(shù)；F 為破壞時刻荷載，L 為復合梁跨徑200mm，B 為復合梁寬度50mm，h 為復合梁瀝青層高度50mm。

圖2 三點彎曲試驗原理

2 試驗結果與分析

2.1 抗剪切性能評價

優(yōu)選橡膠瀝青用量范圍為0.9～1.8 kg/m2， 碎石灑布量范圍為9～12m3/1000m2，進行全面試驗(共16 組)，試驗結果如表4 所示。

表4 斜剪試驗結果

由表4 可知，橡膠瀝青用量及碎石用量處于不同水平組合時，試驗結果有明顯差異，說明了斜剪試驗具有良好的區(qū)分作用，可用于評價橡膠瀝青封層的抗剪性能，同時7# 試驗組的抗剪強度最高， 說明最優(yōu)的組合為1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量。 抗剪強度結果對橡膠瀝青用量及碎石用量有明顯的依賴性在于其層間破壞的機理， 試件受層間剪切應力的作用而發(fā)生失穩(wěn)性破壞，可采用摩爾一庫侖理論進行分析。 根據(jù)摩爾-庫侖理論，認為材料的剪切強度特性符合公式(3)，即路面結構層間的抗剪強度主要由兩部分組成： 一部分是摩擦力σtanφ，主要來源于碎石顆粒之間的摩擦與嵌擠作用；另一部分是粘結力C，與法向應力σ 無關，主要來自于層間材料橡膠瀝青本身的粘結力以及瀝青與碎石之間的粘結力。

式(3)中：τ為路面結構層間抗剪強度，C 為材料的粘聚力，MPa；σ 為外荷載產(chǎn)生的正應力，φ 為粘層結構的內摩擦角。

2.2 抗反射裂縫性能評價

為評價橡膠瀝青碎石封層的抗反射裂縫作用， 分別對含優(yōu)化后橡膠瀝青碎石封層的復合梁(1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量)和普通復合梁(層間以基質瀝青粘結) 進行單調加載的彎曲試驗和疲勞加載的彎曲試驗，結果如表5 和6 所示。

由表5 可知，相比于普通復合梁，含橡膠瀝青碎石封層的復合梁的抗拉強度有所提高， 但提升幅度為4%，并不明顯， 這說明極限破壞模式下橡膠瀝青碎石封層的抗裂性能提升作用并不顯著。 路面中實際破壞模式通常是荷載反復作用下結構與材料的疲勞破壞， 所以進一步對表6 中結果進行比較， 可以看出兩種復合梁在低應力水平下其疲勞加載次數(shù)更高，對于普通復合梁，應力水平降低后，試件的承載次數(shù)提高了13.5 倍，同樣對于含橡膠瀝青碎石封層的復合梁， 試件的承載次數(shù)提高了18.7倍，這也解釋了公路限載的重要性。另外在相同應力水平下， 含橡膠瀝青碎石封層的復合梁的承受荷載次數(shù)明顯高于普通復合梁， 在低應力水平下， 提升幅度達到84.8%，在高應力水平下提升幅度達到35.5%，說明設置橡膠瀝青碎石封層將顯著提升路面結構的抗反射裂縫性能。

表5 復合梁抗拉強度結果

表6 復合梁疲勞作用次數(shù)結果

3 結論

通過斜剪試驗和三點彎曲試驗評價了橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能和抗反射裂縫性能，得出以下結論：

(1)橡膠瀝青用量和碎石灑布量均會影響橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能，為獲得最優(yōu)抗剪性能，推薦采用1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量的組合。

(2)相比于普通復合梁，含橡膠瀝青碎石封層復合梁抗拉強度提升不多，但疲勞承載次數(shù)大幅提高，表明橡膠瀝青碎石封層對于提升路面抗反射裂縫性能大有裨益。