橡膠瀝青混合料力學(xué)性能綜述

朱春鳳 劉 浩 田 偉 金玉杰 錢永梅

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

隨著當(dāng)今我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對生活水平的要求越來越高，導(dǎo)致出行需求變多。因此隨著交通荷載的加劇與外界環(huán)境的影響，對道路瀝青路面的破壞越來越嚴(yán)重，人們?yōu)榱颂岣邽r青路面的壽命，學(xué)者們在瀝青中加入各種添加劑延長其使用年限，研究其各種力學(xué)性能的差異。特別東北地區(qū)氣溫常年冷熱交替，導(dǎo)致瀝青道路容易受到破損，如何提高瀝青路面的性能與質(zhì)量，影響道路使用壽命的因素之一是組成路面的瀝青混合料的質(zhì)量，因此研究道路工作的關(guān)鍵是對路面材料進(jìn)行研究。瀝青混凝土路面在水分與低溫共同作用下，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的凍融損傷破壞，對于季節(jié)凍土區(qū)的道路工程破壞作用更加明顯[1]，為滿足城市道路需求，一些研究學(xué)者在瀝青中加入硅藻土使其高溫性能得到改善[2]。張文剛，陳建榮等人通過研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料中加入玄武巖纖維后，其抵抗低溫變形能力得到明顯增強(qiáng)。盡管如此，對于瀝青中橡膠進(jìn)行凍融損傷性能的研究甚少，因此文章研究了摻入橡膠后其力學(xué)性能的改變情況。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外瀝青研究現(xiàn)狀

摻入橡膠后的改性瀝青研究現(xiàn)如今較為普遍，早在一百多年前英國就已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際中，到那時(shí)技術(shù)還尚未成熟。20 世紀(jì)60 年代美國學(xué)者率先利用濕法工藝研制生產(chǎn)出Overflex TM 橡膠瀝青混合料[3]。從美國的研究與應(yīng)用來看，采用濕法工藝，且混合料為間斷級(jí)配和開級(jí)配設(shè)計(jì)[4]。Lachance 等人著重研究了凍融循環(huán)下改性瀝青混合料的黏彈性能，基于復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)探討了集料對其黏彈性能的影響[5]。

1.2 國內(nèi)瀝青研究現(xiàn)狀

譚憶秋等人基于損傷理論，以瀝青混合料的路用性能為指標(biāo)，建立了瀝青混合料凍融損傷的普適模型，并對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，以抗壓回彈模量作為指標(biāo)來觀測瀝青混合料凍融損傷壽命預(yù)測模型的擬合作用，其結(jié)果更加簡單直接[6]。

2 瀝青混合料性能分析及試驗(yàn)方法

2.1 低溫抗裂性能

由于常年氣溫溫差大，瀝青道路路面較易產(chǎn)生裂縫。裂縫的產(chǎn)生會(huì)使外面水分侵入瀝青路面內(nèi)部，產(chǎn)生沖刷等現(xiàn)象，破壞瀝青路面的結(jié)構(gòu)，對瀝青路面的使用性能造成嚴(yán)重影響。瀝青混合料其良好低溫抗裂性是季凍區(qū)瀝青路面實(shí)際應(yīng)用的前提。當(dāng)前我國的瀝青混合料低溫抗裂性性能的評(píng)價(jià)方法主要有有低溫彎曲試驗(yàn)、低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)等。進(jìn)行研究時(shí)可采用最常見的低溫彎拉試驗(yàn)對三種改性瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.1 低溫彎曲試驗(yàn)

瀝青混合料抵抗溫縮裂縫擴(kuò)展的能力即為低溫拉伸性能。按照瀝青混合料彎曲試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將輪轍成型的試件切割成30 mm×35 mm×250 mm 且跨徑為200 mm 的小梁，參照某一試驗(yàn)溫度環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.2 低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)

當(dāng)路面材料的低溫收縮變形能力超過了路面材料的變形能力，便會(huì)出現(xiàn)低溫裂縫。路面出現(xiàn)低溫開裂的可能與收縮系數(shù)的大小有關(guān)。

在最佳用油量下，按照馬歇爾密度，輪轍成型瀝青混合料試驗(yàn)，并切割成40 mm×40 mm×200 mm的小梁試件。在試驗(yàn)中降溫普遍采用連續(xù)降溫和間斷降溫兩種方式。

2.1.3 蠕變試驗(yàn)

通常來說,瀝青混合料屬于黏彈性材料，會(huì)表現(xiàn)出一定的蠕變特性, 即在保持外力作用不變的情況下,應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)而逐漸增加,直至由于過大的變形發(fā)生破壞。本試驗(yàn)主要對瀝青混合料在恒應(yīng)力條件下，溫度為低溫時(shí)材料的變形能力。蠕變試驗(yàn)一般可分為三個(gè)階段,依次為蠕變遷移、蠕變穩(wěn)定和蠕變加速破壞階段。

2.2 高溫性能

隨著社會(huì)的發(fā)展物流需求較大，導(dǎo)致交通運(yùn)輸荷載增加，瀝青道路的危害也越來越多，其中對于夏季炎熱地區(qū)影響最大的一種病害就是車轍病害，容易產(chǎn)生變形從而導(dǎo)致路面破壞影響道路的使用。用來評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法有很多，常見的高溫性能試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)瀝青混合料方法主要有:單軸靜載、動(dòng)載試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)，徑向試驗(yàn)等。

2.3 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是模擬瀝青混合料在受汽車車輪擠壓力的情況下，對瀝青混凝土路面進(jìn)行碾壓，試驗(yàn)接近于實(shí)際情況進(jìn)行模擬，從而能夠從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中探究橡膠顆粒對瀝青混合料高溫性能的影響。按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗(yàn)。試件尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

2.4 水穩(wěn)定性能

在外界環(huán)境的條件下，雨水會(huì)通過瀝青混合料的空隙進(jìn)入內(nèi)部，破壞瀝青與集料間的穩(wěn)定性，導(dǎo)致混合料的結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響瀝青路面的穩(wěn)定性。

瀝青路面的主要病害之一即為水損害。所謂水損害是瀝青路面在水或凍融循環(huán)的作用下，由于汽車車輪動(dòng)態(tài)荷載的作用，進(jìn)入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力成真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用,水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低,并逐漸喪失黏結(jié)力，瀝青膜從石料表面脫落,瀝青混合料掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的松散、剝落和坑槽等的損害現(xiàn)象。

多年來，人們對瀝青面層的抗水害性能進(jìn)行全方面的研究，除了設(shè)計(jì)、施工和環(huán)境因素外，主要研究了瀝青混合料水穩(wěn)性，通常是從評(píng)價(jià)瀝青與礦料的粘附性及評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性兩個(gè)角度考慮。前者的試驗(yàn)方法主要有水煮法、水浸法、光電比色法、攪動(dòng)水凈吸附法等；后者的試驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用的有浸水馬歇爾試驗(yàn)、真空飽水馬歇爾試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(yàn)、飽水劈裂試驗(yàn)、凍融后劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)等。本課題中，主要采用了浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的抗水害性能。

2.4.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)混合料抗水害性能在世界各地得到廣泛應(yīng)用，該方法是通過兩組馬歇爾試件，一組在一定溫度水浴中保養(yǎng)后，測定其馬歇爾穩(wěn)定度。另一組在同樣溫度水浴中，恒溫保養(yǎng)更長時(shí)間后后測定其馬歇爾穩(wěn)定度，用殘留穩(wěn)定度來表征混合料的水穩(wěn)性能。值越大，水穩(wěn)性越好。

2.4.2 凍融劈裂試驗(yàn)

參考國內(nèi)外的相關(guān)資料，凍融循環(huán)條件下瀝青混合料沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)，不同試驗(yàn)對于瀝青混合料的凍融條件和凍融次數(shù)也有差別。根據(jù)大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的空隙率和力學(xué)性能在經(jīng)過10 次左右的凍融循環(huán)都趨于穩(wěn)定，變化平緩。參考《公路工程抗凍設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》對于瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗凍性凍融循環(huán)次數(shù)的規(guī)定，做試驗(yàn)室合理凍融循環(huán)。

3 結(jié)論

加入橡膠顆粒后的瀝青混合料相對于普通瀝青混合料各種性能有明顯提高。隨著橡膠顆粒粒徑的增大瀝青混合料的低溫性能的抗拉彎性能得到改善，高溫車轍試驗(yàn)時(shí)混合料的抗剪能力不斷增強(qiáng)，橡膠顆粒可以減少水分進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部，從而提高橡膠顆粒瀝青混合料抵抗凍融破壞的能力，使橡膠顆粒瀝青混合料的水穩(wěn)定性增強(qiáng)。