張清利， 王康明， 焦長(zhǎng)青， 朱 文， 王佳宇， 趙之仲， 胡 朋

(1.湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430056； 2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院， 山東 濟(jì)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(yán)重影響著我國公路的使用壽命和服務(wù)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(nèi)外進(jìn)行了一系列的嘗試和研究。其中采用砂粒式混合料作為應(yīng)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(shè)土工格柵，在有效防治反射裂縫的同時(shí)又能夠很好地保持各層間的粘結(jié)和整體性[4]。砂粒式混合料應(yīng)力吸收層最早的實(shí)際應(yīng)用是由美國科氏公司提出的Strata應(yīng)力吸收層，后期隨著國內(nèi)對(duì)Strata應(yīng)力吸收層的研究的引進(jìn)應(yīng)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(yīng)用成本較為高昂[5]。

因此近幾十年來國內(nèi)學(xué)者開展了砂粒式混合料應(yīng)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(jià)格低廉的應(yīng)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(yīng)力吸收層被證明有著不錯(cuò)的應(yīng)用效果[6，7]。但是仍然存在著一定的不足，本文便針對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行進(jìn)一步的改性研究，以低密度聚乙烯(LDPE)對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性來提升應(yīng)力吸收層的路用性能[8]。同時(shí)研究所用LDPE和橡膠粉分別是廢塑料和廢橡膠提取物，實(shí)現(xiàn)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(yàn)用材料

1.1 應(yīng)力吸收層膠結(jié)料

本文的研究對(duì)象是LDPE和廢舊膠粉(CR)作為改性劑制備的CR/LDPE復(fù)合改性瀝青為膠結(jié)料的應(yīng)力吸收層。與常用的SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層、橡膠改性瀝青應(yīng)力吸收層和美國的Strata應(yīng)力吸收層進(jìn)行對(duì)比研究。

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

4種應(yīng)力吸收層所用膠結(jié)料，分別為國產(chǎn)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(fù)合改性瀝青。而Strata應(yīng)力吸收層膠結(jié)料則為美國制備生產(chǎn)，為PG82-28等級(jí)。為了能夠充分對(duì)比不同改性瀝青應(yīng)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(yīng)力吸收層)、8.7%(SBS應(yīng)力吸收層)、8.8%(CR應(yīng)力吸收層)、8.9%(CR/LDPE應(yīng)力吸收層)。4種應(yīng)力吸收層膠結(jié)料的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 應(yīng)力吸收層膠結(jié)料基礎(chǔ)指標(biāo)Table.1 Basic indicators of stress absorption layer asphalt 應(yīng)力吸收層類型針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)TR&B/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm運(yùn)動(dòng)黏度(135 ℃)/(Pa·s)彈性恢復(fù)(25 ℃)/%Strata8665.8552.3687SBS5572.4352.2392CR4267.69.23.2182CR/LDPE4362.3134.3388

1.2 級(jí)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(jí)配的穩(wěn)定，采用連續(xù)級(jí)配。級(jí)配采用Strata應(yīng)力吸收層級(jí)配的中值見表2。

表2 應(yīng)力吸收層級(jí)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(jí)配范圍10080～10060～8540～7025～5515～358～206～14級(jí)配中值 1009072.55540251410

2 試驗(yàn)方案

應(yīng)力吸收層作為中間層，在其保證防治反射裂縫功能的基礎(chǔ)上，其層間黏結(jié)性能同樣重要。因此研究提出對(duì)由“瀝青混合料面層+應(yīng)力吸收層+水泥混凝土層”組成的復(fù)合試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)來評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)性能，用由“瀝青混合料上面層+應(yīng)力吸收層+瀝青混合料下面層”組成的復(fù)合試件來進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)以評(píng)價(jià)其抵抗反射裂縫的疲勞耐久性能。同時(shí)良好的低溫抗裂性能是應(yīng)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(yàn)來評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層自身的低溫性能。

2.1 拉拔斜剪試驗(yàn)

斜剪和拉拔復(fù)合試件的制備是首先將預(yù)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(yīng)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(fù)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(fù)合拉拔試件和10 cm×10 cm×10 cm的復(fù)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(fù)合試件拉拔參考規(guī)范ASTM C1583-04[9]進(jìn)行，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速率為100 N/s。復(fù)合試件45°斜剪試驗(yàn)參照規(guī)范ASTM C882M[10]進(jìn)行，同樣在萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速率為10 mm/min。2種試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖2所示。

(a) 拉拔試驗(yàn)裝置

對(duì)拉拔和斜剪試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，除了進(jìn)行常溫(23 ℃)的試驗(yàn)外，還考慮了高溫(60 ℃)下的層間黏結(jié)性能。同時(shí)考慮水損害對(duì)層間黏結(jié)性能的影響，依據(jù)我國瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，進(jìn)行浸水后的拉拔和斜剪試驗(yàn)。

2.2 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

應(yīng)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(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層和路面結(jié)構(gòu)抵抗反射裂縫的能力，基于4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的原理，對(duì)由“2.5 cmAC-13+1 cm應(yīng)力吸收層+1.5 cm AC-25”的復(fù)合試件進(jìn)行切割，得到標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)小梁試件，同時(shí)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(diǎn)彎曲疲勞試件示意圖

2.3 低溫劈裂試驗(yàn)

應(yīng)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(chǔ)，當(dāng)其自身能夠不因低溫作用產(chǎn)生溫縮裂縫時(shí)，才能更進(jìn)一步抵抗反射裂縫的作用。因此研究采用低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)4種應(yīng)力吸收層混合料的低溫性能。低溫劈裂試驗(yàn)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在-10 ℃下的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 常溫下的層間黏結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉拔和斜剪試驗(yàn)，計(jì)算得到平均的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度值如表3、表4所示。

表3 應(yīng)力吸收層抗拉強(qiáng)度結(jié)果(23 ℃)Table 3 Tensile strength of stress absorption layer (23 ℃)應(yīng)力吸收層類型測(cè)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(xiàn)，CR應(yīng)力吸收層的抗拉強(qiáng)度是最低的，而另外3種的抗拉強(qiáng)度則均在0.4 MPa以上。從強(qiáng)到弱分別是CR/LDPE>Strata>SBS。這3種應(yīng)力吸收層的抗拉強(qiáng)度與膠結(jié)料的黏度大小是相似的。而作為黏度第二高的CR應(yīng)力吸收層其層間黏結(jié)性能卻最弱。CR/LDPE和Strata應(yīng)力吸收層的抗拉強(qiáng)度是較為優(yōu)異的，其中CR/LDPE應(yīng)力吸收層因其膠結(jié)料高強(qiáng)的黏度有著最好的抗拉強(qiáng)度。

表4 應(yīng)力吸收層剪切強(qiáng)度結(jié)果(23 ℃)Table 4 Shear strength of stress absorption layer (23 ℃)應(yīng)力吸收層類型測(cè)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(yīng)力吸收層的剪切強(qiáng)度依次為CR/LDPE>SBS>Strata>CR。可以看出無論是抗拉強(qiáng)度還是剪切強(qiáng)度，CR/LDPE應(yīng)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(duì)層間黏結(jié)性能的提升是顯著的。與CR應(yīng)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(duì)層間黏結(jié)性能的增加是有積極作用的。

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

3.2 高溫對(duì)層間粘結(jié)性能的影響

為了進(jìn)一步探究新型的CR/LDPE應(yīng)力吸收層在多種條件下的層間黏結(jié)性能。首先對(duì)在高溫(60 ℃)條件下應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)性能進(jìn)行研究，對(duì)比高溫和常溫下層間黏結(jié)性能的差異，計(jì)算得到4種應(yīng)力吸收層高溫下抗拉和剪切強(qiáng)度的損失率。結(jié)果如圖4、5所示。

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

圖4 高溫下拉拔試驗(yàn)結(jié)果(60 ℃)

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

圖5 高溫下斜剪試驗(yàn)結(jié)果(60 ℃)

因此綜合2項(xiàng)指標(biāo)可以看出，在高溫下，CR/LDPE應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)性能仍然是最優(yōu)異的。相對(duì)于CR應(yīng)力吸收層來說，LDPE的加入對(duì)CR/LDPE應(yīng)力吸收層的耐高溫性能也是有著積極作用。

3.3 水損害對(duì)層間粘結(jié)性能的影響

瀝青路面結(jié)構(gòu)的孔隙會(huì)使得水分進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部，因此水分對(duì)應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)性能會(huì)有著一定影響。為了探究應(yīng)力吸收層在水損害后的層間黏結(jié)性能。對(duì)浸水后的復(fù)合試件進(jìn)行拉拔和斜剪試驗(yàn)，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 浸水后拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖7 浸水后斜剪試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水損害后，試件的抗拉強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度數(shù)值來看，其抗拉強(qiáng)度仍然是最差的。而CR/LDPE應(yīng)力吸收層在水損害后的抗拉強(qiáng)度和衰減率指標(biāo)都是強(qiáng)于Strata和SBS應(yīng)力吸收層的。綜合來說，CR/LDPE應(yīng)力吸收層在水損害后的抗拉強(qiáng)度仍然是優(yōu)異的。

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

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

3.4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

以4種應(yīng)力吸收層在抵抗下部裂縫時(shí)的耐久性能來表征應(yīng)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(duì)有著預(yù)切縫的四點(diǎn)彎曲疲勞小梁試件進(jìn)行以500 με應(yīng)變?yōu)榭刂茥l件的疲勞試驗(yàn)，得到4種復(fù)合試件的疲勞壽命如圖8所示。

圖8 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力吸收層的疲勞壽命次數(shù)較為接近，性能較為優(yōu)異。可以發(fā)現(xiàn)CR/LDPE應(yīng)力吸收層的疲勞次數(shù)則略低于前兩者。但是與CR應(yīng)力吸收層對(duì)比來說，LDPE的加入增強(qiáng)了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的疲勞壽命，這也說明了LDPE的加入對(duì)CR/LDPE應(yīng)力吸收層抵抗反射裂縫的耐久性能有著增強(qiáng)。

3.5 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)4種應(yīng)力吸收層混合料試件進(jìn)行-10 ℃的低溫劈裂試驗(yàn)，得到4種應(yīng)力吸收層的劈裂抗拉強(qiáng)度、破壞拉伸應(yīng)變和破壞勁度模量如圖9所示。

(a) 劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)在低溫下，Strata和SBS應(yīng)力吸收層的劈裂抗拉強(qiáng)度要略高于CR/LDPE應(yīng)力吸收層，而CR應(yīng)力吸收層的強(qiáng)度值則是最小。從圖9(b)可以看出強(qiáng)度較高的Strata和SBS應(yīng)力吸收層的破壞拉伸應(yīng)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(yīng)力吸收層的破壞拉伸應(yīng)變最小。從圖(c)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度最低的CR應(yīng)力吸收層的勁度模量最大，而Strata應(yīng)力吸收層的模量最小。

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

4 結(jié)論

基于新型CR/LDPE改性瀝青應(yīng)力吸收層與Strata應(yīng)力吸收層、SBS瀝青應(yīng)力吸收層和橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的對(duì)比研究，得到如下主要結(jié)論：

a.通過層間黏結(jié)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CR/LDPE應(yīng)力吸收層有著最強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。這說明LDPE對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)性能有著良好的增強(qiáng)作用。

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

c.疲勞試驗(yàn)和低溫劈裂試驗(yàn)的規(guī)律較為相似：Strata和SBS應(yīng)力吸收層的疲勞性能和低溫性能相對(duì)更好，而CR應(yīng)力吸收層的這兩項(xiàng)性能是最差的，LDPE的加入明顯改善了橡膠瀝青應(yīng)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(yīng)力吸收層的各項(xiàng)性能，而與Strata應(yīng)力吸收層和SBS瀝青應(yīng)力吸收層相比，各有優(yōu)勢(shì)。

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