HDPE-橡膠粉復合改性瀝青應力吸收層混合料疲勞性能

洪 海，程培峰（東北林業大學土木工程學院，150040哈爾濱）

HDPE-橡膠粉復合改性瀝青應力吸收層混合料疲勞性能

洪 海，程培峰
（東北林業大學土木工程學院，150040哈爾濱）

針對反射裂縫在半剛性基層瀝青路面中普遍存在問題，為延緩半剛性基層瀝青路面反射裂縫的產生和擴展，本文開展了HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料疲勞性能的研究.在分析了HDPE-橡膠粉復合改性瀝青性能對應力吸收層疲勞壽命的影響規律的基礎上，通過實體工程的監測開展了HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料路用性能的研究.結果表明:HDPE-橡膠粉復合改性瀝青的性質對瀝青混合料疲勞特性具有顯著的影響，性能良好的瀝青使得混合料具有良好的抗疲勞能力，能有效延緩瀝青路面反射裂縫的發生.經過試驗路的應用，也證明了HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料作為應力吸收層是瀝青路面防止反射裂縫的有效途徑之一.

HDPE；橡膠粉；改性瀝青；應力吸收層；疲勞性能

目前，反射裂縫是半剛性基層瀝青路面普遍存在的主要病害之一［1］.反射裂縫的出現，不僅破壞了瀝青路面的整體性和連續性，還削弱了瀝青路面的強度和剛度，而且在行車荷載反復作用和環境溫度周期性變化的影響下，常常迅速向四周擴展，大大縮短了瀝青面層的使用壽命.因此，反射裂縫的防治一直是公路行業的熱點問題之一，在諸多防治反射裂縫的措施中，設置改性瀝青混合料應力吸收層是一種有效的措施——美國科氏公司研發一種STRATA的應力吸收系統，由于它具有彈性高、耐疲勞、抗塑性變形能力強、密實、不透水等特點，能有效延緩反射裂縫的發生，從而提高瀝青路面的抗水害能力，延長了瀝青路面的使用壽命；然而，由于STRATA瀝青結合料的價格較高，從而限制了這種措施推廣.“八五”國家攻關項目開展了橡膠瀝青SAMI應力吸收層的探討，研究表明，低溫下SAMI將變脆，抵抗拉應變能力下降，防止反射裂縫的效果有限.

應力吸收層的作用不僅是用來防治反射裂縫，還需要抗水損壞和粘結作用的特點，HDPE-橡膠粉復合改性瀝青除具有以上優點外，同時制備它的原料—HDPE和橡膠粉均屬于廢舊的高分子材料，具有良好的彈性與抗疲勞能力，獲得途徑廣泛.因此若可以將HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料作為應力吸收層材料［2］，不僅可以有效的防治反射裂縫的產生和發展.而且起到變廢為寶的作用.

1 確定疲勞試驗方法

瀝青混合料疲勞試驗方法大致可以分為4類：第一類是實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞試驗破壞.第二類是足尺路面結構在模擬汽車荷載作用下的疲勞試驗研究，包括環道試驗和加速加載試驗.第三類是試板試驗法，主要是通過輪轍試驗以模擬車輪在路面上的作用，了解裂縫產生和擴展形式.第四類是實驗室小型的疲勞試驗研究.前三類耗資大、周期長、開展得并不普遍.因此，大量采用的還是周期短、費用小的室內小型疲勞試驗方法.室內小型疲勞試驗常采用簡單彎曲試驗，其中又有中點加載或三分點加載、旋轉懸臂梁和梯形懸臂梁3種試驗方式.此外還有劈裂試驗、彈性基礎梁彎曲試驗、二軸壓力試驗等.

本文試驗采用實驗室小型疲勞試驗研究，先將瀝青混合料制作一定形狀的試件，然后按某種方式模擬瀝青路面的受力狀態進行疲勞試驗.此試驗方法的特點在于瀝青混合料制備比較方便，試件尺寸小，試驗周期短，溫度、荷載等因素易于控制，便于進行大量試驗，可排除其他影響因素得出瀝青混合料的疲勞規律［3］.本次試驗考慮到我國標準車轍板為300 mm×300 mm，高50 mm，同時缺少大型車轍板碾壓成型裝置，所以采用三分點加載彎曲試驗試件和成型方法.小梁尺寸為50 mm×50 mm×240 mm，根據小梁尺寸設計工具尺寸，兩端支點中心間距（小梁的跨徑）為210 mm分點處加載，中間純彎段長70 mm，具體尺寸見圖1所示.

圖1 試件尺寸（mm）

試驗在MTS（material test system）-810試驗機上進行.試驗采用MTS材料試驗機控制加載，力傳感器精確到1 N，位移控制精確到0.001 mm，溫度采用環境箱進行控制，精確到0.1℃，夾具的2個加載點和反力點都可以夾緊小梁，并且可以自由平移和旋轉.在每個荷載作用周期結束時，夾具將試件拉回初始位置，滿足小梁試驗的基本精度要求.夾具主要分為底座、外框、側板3個部分，由特制螺栓連接，接頭處設計成球座，能夠保證外框自由轉動，同時在外框與底座之間能夠很好的傳遞荷載.

應變控制荷載模式能夠更好的反映瀝青混合料在路面中受行車荷載作用的疲勞特性［4］，更接近于路面結構中瀝青混合料的應力應變狀態，疲勞試驗結果更便于應用.因此，本次試驗使用應變控制荷載模式進行了疲勞試驗，選擇小梁加載100次時的勁度模量作為初始勁度，以混合料的勁度下降到初始勁度的一半時作為破壞標準.

瀝青混合料是一種粘彈性材料，疲勞性能隨溫度變化，在夏季高溫時，疲勞損耗會有很大的恢復.所以不考慮20℃以上的疲勞破壞.根據哈爾濱工業大學研究成果［5］，認為全國各地氣溫變化較大，對于瀝青混合料，其疲勞破壞主要集中在13～15℃，恰好是北方春融期溫度，在此季節路面結構強度有較明顯削弱，是路面結構抗疲勞性能的最不利時期.我國“公路瀝青路面的設計規范”中容許拉應力指標采用的是15℃的參考值，本次小梁彎曲疲勞試驗采用15℃作為試驗溫度.

我國現行的《公路工程技術標準》規定高等級公路計算行車速度范圍為60～120 km／h，可見選擇10 Hz作為荷載頻率較為合理，本次試驗選用10 Hz的加載頻率.

在進行疲勞試驗時采用較多的應力或應變波譜是單向作用的矩形波、三角形波和交變的正弦形波，材料疲勞壽命與加載波形之間有一定的關系見圖2.本次試驗選用的波形為偏正弦波，不設間歇時間.

圖2 疲勞壽命與加載波形關系

2 混合料和實驗方案的選擇

為選出最佳HDPE-橡膠粉改性瀝青應力吸收層混合料，在4%、5%和6%的HDPE改性瀝青中分別摻入5%、10%和15%的40目橡膠粉進行復合摻配［6］，采用濕法進行制備，制成HDPE-橡膠粉復合改性瀝青.用于應力吸收層的改性瀝青材料一般要求軟化點指標≥75℃，5℃延度≥20 cm，25℃彈性恢復指標≥65%，135℃旋轉粘度指標≤3.5 Pa·s.將上述試驗指標與應力吸收層技術要求對比可知，采用摻量配比Ⅰ（4%的HDPE+15%的橡膠粉）、摻量配比Ⅱ（5%的HDPE +10%的橡膠粉）和摻量配比Ⅲ（6%的HDPE+ 5%的橡膠粉）制備的HDPE-橡膠粉復合改性瀝青符合應力吸收層瀝青材料的技術要求.3種摻量配比復合改性瀝青指標試驗結果見表1.AC-5礦料合成級配見表2.

本文試驗方案見表4采用控制應變的三分點加載小梁彎曲疲勞試驗，試驗中需要針對不同的材料選擇合適的應變水平.應變水平大小直接反映試件發生彎曲變形的程度.而對于實際應力層而言，混合料的變形程度反映了車輪荷載作用力大小，混合料受車載作用的變形程度的大小直接影響到實際應力層的疲勞壽命.

表1 HDPE-橡膠粉復合改性瀝青試驗結果

一般要求應用于應力吸收層的改性瀝青混合料空隙率在0.8%～2.5%，礦料間隙率＞18%，瀝青飽和度在90%以上，由表3中體積參數可看出3種HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率均符合應力吸收層瀝青混合料技術要求.

表2 AC-5礦料合成級配表

表3 HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料體積參數

實驗室內疲勞試驗應變水平在一定程度上代表實際應力層所承受的車輛荷載作用大小程度.在瀝青混合料疲勞試驗過程中，應變水平的大小應控制在一個合理的范圍內.應變水平過大則會導致疲勞壽命過短，與實際應力層的疲勞破壞行為不相符；而應變水平過小，則會使得試驗周期過長甚至出現無法達到疲勞破壞點的現象.本次研究中，所有試驗的應變水平調節均將試件疲勞壽命控制在1×103～1×105次，這樣既保證了準確性又縮短了試驗時間.

表4 3種混合料的試驗方案

3 試驗數據分析

摻量配比不同的3種瀝青混合料在應變控制下的三分點彎曲疲勞試驗結果見表5.不同瀝青用量下疲勞壽命試驗結果見表6，不同橡膠粉摻量下疲勞壽命試驗結果見表7.

表5 混合料疲勞試驗結果

將3種瀝青混合料的疲勞數據放在一起比較，如表5所示，瀝青性質對瀝青混合料疲勞壽命存在顯著的影響——隨著HDPE增加與橡膠粉摻量的減少，瀝青混合料疲勞壽命呈現先增大后減小的變化趨勢，說明HDPE與橡膠粉間的比例是瀝青混合料疲勞性能的主要影響因素，存在最佳摻配比例.

摻量配比Ⅰ的改性瀝青混合料與摻量配比Ⅲ的改性瀝青混合料之間數據差別較小.試驗結果表明，摻量配比Ⅱ的改性瀝青混合料數據要遠大于另外兩種改性瀝青混合料.

試驗結果表明：在同一級配、同一HDPE—橡膠粉改性瀝青、同一應變水平下，瀝青混合料的最大疲勞壽命存在著一個最佳的瀝青用量，瀝青用量太少或太多都會降低混合料的疲勞性能.

表6 不同瀝青用量下疲勞壽命試驗結果

表7 不同橡膠粉摻量下疲勞壽命試驗結果

試驗結果表明：橡膠粉摻量從5%增加到10%時疲勞壽命有大幅增加，當從10%增加到15%時疲勞壽命反而下降，可見橡膠粉摻量不是越多越好，對于疲勞性能來說需要控制合適的范圍中.

4 試驗路驗證

試驗路選在黑龍江省佳木斯市宏勝至富錦公路，收縮裂縫是該地區半剛性基層瀝青路面主要病害之一.該段公路為省道，公路等級為一般二級公路，全長89 km，路基寬為12 m，路面寬為9 m.

在水泥穩定砂礫基層上加鋪2 cm厚AC-5HDPE-膠粉改性瀝青混合料應力吸收層+5 cm厚AC-25粗粒式瀝青混凝土底面層+4 cm厚AC -20中粒式瀝青混凝土中面層+4 cm厚AC-13細粒式瀝青混凝土上面層.試驗路起點樁號為K88+700，終點樁號為K89+000，試驗路段長度為300 m，試驗路段HDPE-膠粉改性瀝青應力吸收層總鋪筑面積2 700 m2.

2013年8月初施工結束時間后對試驗路進行觀測，鋪筑HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層的路段路況良好，路表沒有任何變形、裂縫，沒有加鋪瀝青應力吸收層的路段則出現一些且有一定寬度裂縫，說明應力吸收層在道路建成初期具有很好防止反射裂縫發生的功效見圖3.

圖3 現場試驗路

經過一個凍融，2014年4月初再次對試驗路進行了路況調查.為反映HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層防治反射裂縫的效果，調查包括了試驗路段、試驗路相鄰路段及遠離試驗路段，調查結果顯示，鋪筑HDPE-橡膠粉改性瀝青混合料應力吸收層的路段在經過近一年運營之后沒有出現裂縫，其他兩個對比路段出現了一些裂縫.由此可見，瀝青應力吸收層預防反射裂縫的效果非常顯著.此外，試驗路段無泛油等其他病害，見圖4.

圖4 現場試驗路

5 結 論

1）HDPE與橡膠粉間的比例是瀝青混合料疲勞性能的主要影響因素，存在最佳摻配比例.在應變控制下的三分點彎曲疲勞試驗中摻量Ⅱ的HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層的抗疲勞性能好于摻量配比Ⅰ、Ⅲ的HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層.

2）HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層具有良好的抗疲勞性能，混合料級配是懸浮密實結構也是其抗疲勞性能優良的條件之一.

3）不同的瀝青用量和橡膠粉摻量對HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料應力吸收層疲勞性能有很大影響.

4）經過試驗路的應用，證明了HDPE-橡膠粉復合改性瀝青混合料作為應力吸收層是瀝青路面防止反射裂縫的有效途徑之一.

［1］譚憶秋，昆磊，王佳妮，等.瀝青性質對應力吸收層瀝青混合料性能影響的研究［J］.公路交通科技，2006，26（2）：13-17.

［2］王瑋，高建華，季節，等.改性瀝青混合料應力吸收層的材料組成與性能評價［J］.公路，2005（12）：125-127.

［3］周燕.應力吸收層結合料性能及其關鍵評價指標研究［D］.西安：長安大學，2010：13-19.

［4］李祖仲.應力吸收層瀝青混合料路用性能研究［D］.西安：長安大學，2005.

［5］石昆磊.高粘性瀝青應力吸收層防治瀝青路而反射裂縫的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［6］程培峰，史書銓，洪海.HDPE-橡膠粉復合改性瀝青及其應力吸收層混合料性能［J］.公路交通科技，2014（2）：32-36.

［7］王朝輝，王選倉.基于瀝青加鋪層結構疲勞壽命的夾層位置確定［J］.中國公路學報，2008（21）：29-34.

（編輯 苗秀芝）

Fatigue performance of stress absorbing layerasphalt combining HDPE and rubber powder

HONG Hai，CHENG Peifeng
（School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，150040 Harbin，China）

To reduce the generation and development of reflection cracks of the semi-rigid base asphalt pavement，of which the fatigue performance using the HDPE-rubber powder tomodify asphalt composite as a stress absorbing layer was studied.The fatigue test was carried out and the data after choosing proper test method and determining themixture proportion and final experiment schemewas analyzed.Experimental results showed that asphaltmodified by HDPE-rubber powder had excellent anti-fatigue ability and could effectively delay the generation of reflection cracksin asphalt pavement.This was verified by the observation results of indoor asphalt pavement test.

HDPE；rubber powder；modifiedasphalt；stress absorbing layer；fatigue performance

U416.217

A

0367-6234（2014）12-0125-04

2014-05-26.

黑龍江省交通運輸廳科技項目（HJK2012—041）.

洪 海（1972—），男，博士；程培峰（1963—），男，教授，博士生導師.

程培峰，chengpeifeng＠126.com.