LDPE改性橡膠瀝青應力吸收層路用性能研究

張清利， 王康明， 焦長青， 朱 文， 王佳宇， 趙之仲， 胡 朋

(1.湖北省路橋集團有限公司， 湖北 武漢 430056； 2.山東交通學院 交通土建工程學院， 山東 濟南 250357)

0 引言

瀝青路面的反射裂縫問題一直廣泛存在于我國的公路中，反射裂縫病害嚴重影響著我國公路的使用壽命和服務水平[1]。因此為了能夠有效防治瀝青路面中的反射裂縫病害問題，國內外進行了一系列的嘗試和研究。其中采用砂粒式混合料作為應力吸收層是一種能夠有效防治反射裂縫的處置手段[2-3]。該方法區(qū)別于傳統(tǒng)的路面破碎加鋪和鋪設土工格柵，在有效防治反射裂縫的同時又能夠很好地保持各層間的粘結和整體性[4]。砂粒式混合料應力吸收層最早的實際應用是由美國科氏公司提出的Strata應力吸收層，后期隨著國內對Strata應力吸收層的研究的引進應用也表明其有優(yōu)良的抗反射裂縫性能和抗疲勞性能，但是應用成本較為高昂[5]。

因此近幾十年來國內學者開展了砂粒式混合料應力吸收層的自主研發(fā)工作，以期能夠研發(fā)出性能優(yōu)良且價格低廉的應力吸收層。目前的研究中SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青2類應力吸收層被證明有著不錯的應用效果[6，7]。但是仍然存在著一定的不足，本文便針對橡膠瀝青應力吸收層進行進一步的改性研究，以低密度聚乙烯(LDPE)對橡膠瀝青進行復合改性來提升應力吸收層的路用性能[8]。同時研究所用LDPE和橡膠粉分別是廢塑料和廢橡膠提取物，實現了廢棄物的資源化利用，符合我國綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的基本國策。

1 試驗用材料

1.1 應力吸收層膠結料

本文的研究對象是LDPE和廢舊膠粉(CR)作為改性劑制備的CR/LDPE復合改性瀝青為膠結料的應力吸收層。與常用的SBS改性瀝青應力吸收層、橡膠改性瀝青應力吸收層和美國的Strata應力吸收層進行對比研究。

選擇上述研究對象的主要原因是Strata應力吸收層是最早提出應用的，在同類型應力吸收層中較為優(yōu)異。而SBS改性瀝青應力吸收層和橡膠改性瀝青應力吸收層則在我國有著較為廣泛的研究和應用。因此選擇跟這3種較為優(yōu)質的改性瀝青應力吸收層來進行對比研究有著一定的參考價值。

4種應力吸收層所用膠結料，分別為國產I-D型SBS改性瀝青、15%摻量的橡膠改性瀝青，以及10% CR和3% LDPE復合改性瀝青。而Strata應力吸收層膠結料則為美國制備生產，為PG82-28等級。為了能夠充分對比不同改性瀝青應力吸收層之間的差異，選擇各自的最佳瀝青摻量分別為9.2%(Strata應力吸收層)、8.7%(SBS應力吸收層)、8.8%(CR應力吸收層)、8.9%(CR/LDPE應力吸收層)。4種應力吸收層膠結料的基本技術指標如表1所示。

表1 應力吸收層膠結料基礎指標Table.1 Basic indicators of stress absorption layer asphalt 應力吸收層類型針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點TR&B/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm運動黏度(135 ℃)/(Pa·s)彈性恢復(25 ℃)/%Strata8665.8552.3687SBS5572.4352.2392CR4267.69.23.2182CR/LDPE4362.3134.3388

1.2 級配

研究所采用的集料為玄武巖，2.36 mm以下的石屑采用石灰?guī)r。為了確保級配的穩(wěn)定，采用連續(xù)級配。級配采用Strata應力吸收層級配的中值見表2。

表2 應力吸收層級配Table 2 Gradation of stress absorption layer篩孔尺寸/mm不同篩孔尺寸(mm)的通過率/%9.54.752.361.180.60.30.150.075級配范圍10080～10060～8540～7025～5515～358～206～14級配中值 1009072.55540251410

2 試驗方案

應力吸收層作為中間層，在其保證防治反射裂縫功能的基礎上，其層間黏結性能同樣重要。因此研究提出對由“瀝青混合料面層+應力吸收層+水泥混凝土層”組成的復合試件進行拉拔試驗和斜剪試驗來評價應力吸收層的層間黏結性能，用由“瀝青混合料上面層+應力吸收層+瀝青混合料下面層”組成的復合試件來進行四點彎曲疲勞試驗以評價其抵抗反射裂縫的疲勞耐久性能。同時良好的低溫抗裂性能是應力吸收層能夠在溫縮裂縫作用下發(fā)揮作用的保證，以低溫劈裂試驗來評價應力吸收層自身的低溫性能。

2.1 拉拔斜剪試驗

斜剪和拉拔復合試件的制備是首先將預先制備好的水泥混凝土試件切割成30 cm×30 cm×4 cm大小放置在車轍試件模具中，而后拌和加鋪上一層2 cm厚的應力吸收層混合料，待試件冷卻后加鋪4 cm厚的AC-13瀝青混合料。從而確定斜剪拉拔復合試件為(4+2+4)cm的厚度。而后將試件切割成7 cm×7 cm×10 cm的復合拉拔試件和10 cm×10 cm×10 cm的復合斜剪試件。試件的模型如圖1所示。

圖1 拉拔斜剪試件示意圖

其中復合試件拉拔參考規(guī)范ASTM C1583-04[9]進行，采用萬能試驗機進行，加載速率為100 N/s。復合試件45°斜剪試驗參照規(guī)范ASTM C882M[10]進行，同樣在萬能試驗機上完成，加載速率為10 mm/min。2種試驗的試驗裝置如圖2所示。

(a) 拉拔試驗裝置

對拉拔和斜剪試驗的試驗條件，除了進行常溫(23 ℃)的試驗外，還考慮了高溫(60 ℃)下的層間黏結性能。同時考慮水損害對層間黏結性能的影響，依據我國瀝青混合料浸水馬歇爾試驗的試驗條件，進行浸水后的拉拔和斜剪試驗。

2.2 四點彎曲疲勞試驗

應力吸收層從功能性上來說是提高瀝青路面抵抗反射裂縫的耐久性。因此為了評價應力吸收層和路面結構抵抗反射裂縫的能力，基于4點彎曲疲勞試驗的原理，對由“2.5 cmAC-13+1 cm應力吸收層+1.5 cm AC-25”的復合試件進行切割，得到標準四點彎曲試驗小梁試件，同時在小梁試件下部的中間切割一條1 cm的裂縫，模擬下部反射裂縫的作用[7，11]。試件模型如圖3所示。

圖3 四點彎曲疲勞試件示意圖

2.3 低溫劈裂試驗

應力吸收層在低溫下良好的抗裂性能是保證其抵抗溫縮裂縫的基礎，當其自身能夠不因低溫作用產生溫縮裂縫時，才能更進一步抵抗反射裂縫的作用。因此研究采用低溫劈裂試驗評價4種應力吸收層混合料的低溫性能。低溫劈裂試驗測定標準馬歇爾試件在-10 ℃下的劈裂抗拉強度。

3 試驗結果分析

3.1 常溫下的層間黏結性能試驗結果

對制備切割好的拉拔和斜剪試件，在23 ℃常溫下保溫不少于4 h，而后在萬能試驗機上進行拉拔和斜剪試驗，計算得到平均的抗拉強度和剪切強度值如表3、表4所示。

表3 應力吸收層抗拉強度結果(23 ℃)Table 3 Tensile strength of stress absorption layer (23 ℃)應力吸收層類型測量值/MPa均值/MPaStrata0.420.490.440.45SBS0.420.430.380.41CR0.390.350.340.36CR/LDPE0.530.450.490.49

由表3可以發(fā)現，CR應力吸收層的抗拉強度是最低的，而另外3種的抗拉強度則均在0.4 MPa以上。從強到弱分別是CR/LDPE>Strata>SBS。這3種應力吸收層的抗拉強度與膠結料的黏度大小是相似的。而作為黏度第二高的CR應力吸收層其層間黏結性能卻最弱。CR/LDPE和Strata應力吸收層的抗拉強度是較為優(yōu)異的，其中CR/LDPE應力吸收層因其膠結料高強的黏度有著最好的抗拉強度。

表4 應力吸收層剪切強度結果(23 ℃)Table 4 Shear strength of stress absorption layer (23 ℃)應力吸收層類型測量值/MPa均值/MPaStrata1.521.551.491.52SBS1.591.511.611.57CR1.121.231.221.19CR/LDPE1.631.591.671.63

由表4可知，4種應力吸收層的剪切強度依次為CR/LDPE>SBS>Strata>CR?？梢钥闯鰺o論是抗拉強度還是剪切強度，CR/LDPE應力吸收層都是最高的，這說明CR/LDPE改性瀝青優(yōu)異的黏彈性對層間黏結性能的提升是顯著的。與CR應力吸收層相比，LDPE的摻加一方面降低了膠粉的摻量，另一方面也對層間黏結性能的增加是有積極作用的。

綜合來說SBS和Strata 2種應力吸收層的層間黏結性能較為接近。而CR應力吸收層的層間黏結性能是相對最差的，CR/LDPE應力吸收層的抗拉和剪切強度都是最為優(yōu)異的，可以發(fā)現新型的CR/LDPE應力吸收層在層間黏結性能上有著優(yōu)勢。

3.2 高溫對層間粘結性能的影響

為了進一步探究新型的CR/LDPE應力吸收層在多種條件下的層間黏結性能。首先對在高溫(60 ℃)條件下應力吸收層的層間黏結性能進行研究，對比高溫和常溫下層間黏結性能的差異，計算得到4種應力吸收層高溫下抗拉和剪切強度的損失率。結果如圖4、5所示。

由圖4可以發(fā)現，在高溫下4種應力吸收層的抗拉強度均有不同程度的下降。其中下降幅度最大的為CR應力吸收層，強度損失率達到了41.7%。而另外3種應力吸收層的損失率則均保持在25%左右，相對來說另外3種應力吸收層的耐高溫性能更好。同時對比高溫下的抗拉強度可以發(fā)現，從大到小依次是CR/LDPE>Strata>SBS>CR。綜合來說高溫下CR/LDPE應力吸收層的抗拉強度最佳。

圖4 高溫下拉拔試驗結果(60 ℃)

從圖5可以看出，在高溫下應力吸收層的剪切強度也出現了不同程度的下降。同時可以發(fā)現剪切強度的損失率較抗拉強度損失更加顯著。CR應力吸收層的強度損失率最大，達到了47.1%。而SBS應力吸收層的強度損失率也達到了31.2%。CR/LDPE應力吸收層的強度損失率是最小的，同時高溫下的剪切強度也最大。

圖5 高溫下斜剪試驗結果(60 ℃)

因此綜合2項指標可以看出，在高溫下，CR/LDPE應力吸收層的層間黏結性能仍然是最優(yōu)異的。相對于CR應力吸收層來說，LDPE的加入對CR/LDPE應力吸收層的耐高溫性能也是有著積極作用。

3.3 水損害對層間粘結性能的影響

瀝青路面結構的孔隙會使得水分進入瀝青路面內部，因此水分對應力吸收層的層間黏結性能會有著一定影響。為了探究應力吸收層在水損害后的層間黏結性能。對浸水后的復合試件進行拉拔和斜剪試驗，結果如圖6、圖7所示。

圖6 浸水后拉拔試驗結果

圖7 浸水后斜剪試驗結果

由圖6可以發(fā)現，經過水損害后，試件的抗拉強度的損失率均在15%～20%之間，從大到小依次是Strata>SBS>CR/LDPE>CR。CR應力吸收層受水損害的影響是最小的，但是從水損害后的抗拉強度數值來看，其抗拉強度仍然是最差的。而CR/LDPE應力吸收層在水損害后的抗拉強度和衰減率指標都是強于Strata和SBS應力吸收層的。綜合來說，CR/LDPE應力吸收層在水損害后的抗拉強度仍然是優(yōu)異的。

由圖7可以發(fā)現，CR應力吸收層的剪切強度損失率是最小的，而后依次為CR/LDPE

綜合來說，4種應力吸收層中，CR/LDPE應力吸收層的耐高溫性能最好，CR應力吸收層的水穩(wěn)定性則更佳。但是綜合層間黏結強度和耐久性來說，CR/LDPE應力吸收層的層間黏結性能是較為突出的，而Strata和SBS應力吸收層的層間黏結性能則是相差不多，CR應力吸收層的性能較差。

3.4 疲勞試驗結果

以4種應力吸收層在抵抗下部裂縫時的耐久性能來表征應力吸收層抵抗下部裂縫的抗反射裂縫性能。研究在15 ℃下通過對有著預切縫的四點彎曲疲勞小梁試件進行以500 με應變?yōu)榭刂茥l件的疲勞試驗，得到4種復合試件的疲勞壽命如圖8所示。

圖8 疲勞試驗結果

由圖8可以發(fā)現，4種試件的疲勞壽命由高到低依次是Strata>SBS>CR/LDPE>CR。其中Strata和SBS 2種應力吸收層的疲勞壽命次數較為接近，性能較為優(yōu)異。可以發(fā)現CR/LDPE應力吸收層的疲勞次數則略低于前兩者。但是與CR應力吸收層對比來說，LDPE的加入增強了橡膠瀝青應力吸收層的疲勞壽命，這也說明了LDPE的加入對CR/LDPE應力吸收層抵抗反射裂縫的耐久性能有著增強。

3.5 低溫劈裂試驗結果

對4種應力吸收層混合料試件進行-10 ℃的低溫劈裂試驗，得到4種應力吸收層的劈裂抗拉強度、破壞拉伸應變和破壞勁度模量如圖9所示。

(a) 劈裂抗拉強度

由圖9(a)可以發(fā)現在低溫下，Strata和SBS應力吸收層的劈裂抗拉強度要略高于CR/LDPE應力吸收層，而CR應力吸收層的強度值則是最小。從圖9(b)可以看出強度較高的Strata和SBS應力吸收層的破壞拉伸應變也較大，說明其能夠承受較大荷載的情況下，低溫下的延展性也更好。而CR/LDPE應力吸收層的破壞拉伸應變最小。從圖(c)發(fā)現，強度最低的CR應力吸收層的勁度模量最大，而Strata應力吸收層的模量最小。

綜合來說，Strata和SBS應力吸收層的低溫性能是較為優(yōu)異的，其次為CR/LDPE應力吸收層，相對來說CR應力吸收層的低溫性能是最差的。

4 結論

基于新型CR/LDPE改性瀝青應力吸收層與Strata應力吸收層、SBS瀝青應力吸收層和橡膠瀝青應力吸收層的對比研究，得到如下主要結論：

a.通過層間黏結性能試驗發(fā)現，CR/LDPE應力吸收層有著最強的抗拉強度和剪切強度。這說明LDPE對橡膠瀝青應力吸收層的層間黏結性能有著良好的增強作用。

b.在高溫下CR/LDPE應力吸收層仍能夠保證良好的層間黏結性能，這說明其層間黏結性能受高溫影響較??；而水損害對CR/LDPE應力吸收層的層間黏結性能影響較為顯著，但是水損害后CR/LDPE應力吸收層的黏結性能較其他材料仍是較為優(yōu)異的。

c.疲勞試驗和低溫劈裂試驗的規(guī)律較為相似：Strata和SBS應力吸收層的疲勞性能和低溫性能相對更好，而CR應力吸收層的這兩項性能是最差的，LDPE的加入明顯改善了橡膠瀝青應力吸收層的低溫性能和抗反射裂縫性能。

d.綜合來說，LDPE的加入明顯改善了橡膠瀝青應力吸收層的各項性能，而與Strata應力吸收層和SBS瀝青應力吸收層相比，各有優(yōu)勢。

e.由廢舊橡膠和廢塑料生產的CR和LDPE作為改性劑，在做到廢棄物資源化利用的同時又降低了應力吸收層的造價，相較其他兩種應力有著自己獨特的優(yōu)勢。CR/LDPE應力吸收層在后續(xù)有著進一步推廣和研究應用價值。