基于廠拌熱再生的復合改性橡膠瀝青應力吸收層抗裂性能研究

祝譚雍，段衛黨，許 兵，黃曉明

(1.江西省高速公路養護工程技術研究中心，江西 南昌 330025；2. 江西省交通投資集團有限責任公司，江西 南昌 330025；3.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是國內高等級公路的主要結構形式，具有承載力大、板體性好的優點。然而，在溫度、濕度與荷載的綜合作用下，半剛性基層內部容易產生溫縮、干縮裂縫，并進一步發展成反射裂縫，造成路況水平下降。為減少路面反射裂縫，設計上通常采用增加厚度的方式來實現路面承載力和使用壽命的提升。然而，在經濟效益及現場標高等條件的約束下，公路新建及養護工程逐步探索設置應力吸收層來抑制、延緩反射裂縫的發展，提高路面耐久性[1-3]。

采用橡膠瀝青生產的應力吸收層具有彈性恢復能力強、柔韌性好的特點，可有效降低半剛性基層頂部的應力集中，抑制裂縫的產生與發展[4-5]。常穎[6]采用低密度PE與橡膠粉配制復合改性瀝青，基于室內加速加載及間接拉伸疲勞試驗研究了橡膠瀝青最佳復配方案。張利清[7]對比了Strata，SBS和低密度PE橡膠瀝青應力吸收層的路用性能，證明低密度PE的加入顯著增強了橡膠瀝青應力吸收層的層間黏結性能、抗反射裂縫性能和低溫性能。程梅[8]采用高模量劑與橡膠粉復配，通過高溫車轍、低溫彎曲、疲勞試驗研究了復配比例對應力吸收層使用性能的影響。郝曉紅[9]通過三點彎曲試驗斷裂能指標研究對比了橡膠瀝青與SBS改性瀝青兩種應力吸收層混合料的溫度敏感性及抗裂性能，結果表明橡膠瀝青應力吸收層對路面抗裂性能產生了更好的改善效果。潘睿分析比較了SAK溫拌橡膠瀝青和SBS改性瀝青兩種應力吸收層在寒冷地區的使用效果，結果表明溫拌橡膠瀝青應力吸收層具有更為優良的抗裂效果[10]。目前，相關研究通常圍繞各類型橡膠瀝青新拌應力吸收層混合料的調和配方、設計方法、材料性能、作用機理等開展，對于橡膠瀝青再生類材料在應力吸收層的研究與應用報道較少。

橡膠瀝青是在高溫下根據嚴格的生產工藝將膠粉與瀝青融合，經過充分溶脹發育而成[11]，能有效提高瀝青的黏彈性，改善溫度敏感性及抗老化能力，并且有助于促進生態環境的保護。依托工廠化生產的復合改性橡膠瀝青較傳統膠粉瀝青在儲存穩定性上得到改善，且和易性較好，應用更為靈活[12]。為保障抗裂性能要求，應力吸收層混合料普遍存在瀝青含量大、建設成本偏高的問題，為提升該技術方案的經濟與環境效益，提高公路行業路面材料循環利用率，將瀝青路面回收材料(RAP)應用于應力吸收層當中是一項值得探究的措施，特別是RAP篩分回收的細料中瀝青含量豐富，循環利用價值突出。本研究將路面再生技術與復合改性橡膠瀝青技術相結合，將瀝青路面RAP細料循環利用于應力吸收層，結合膠結料、混合料試驗分析研究復合改性橡膠瀝青再生混合料的抗裂性能。

1 復合改性橡膠瀝青的特性

1.1 常規技術指標

研究所采用的復合改性橡膠瀝青主要由AH-70瀝青、2.5%SBS、15%粒徑40目橡膠粉及0.5%有機改性活性礦物(Activated Mineral Binder Stabilizer，AMBS)組成，依托專業工藝在工廠集中化生產得到。為研究復合改性橡膠瀝青的材料特點，選取了不同瀝青進行比較。其中，按傳統濕法工藝室內自行制備了膠粉改性瀝青，將摻量20%粒徑40目的橡膠粉摻入AH-70基質瀝青中，于180 ℃將膠粉在瀝青中以5 000 rpm速率剪切50 min，然后經過45 min溶脹發育。檢測指標如表1所示。在針入度、軟化點、延度3大指標方面，復合改性橡膠瀝青與SBS改性瀝青較為相近，主要區別在于其延度要略低于SBS改性瀝青，這主要是由于復合改性橡膠瀝青中膠粉顆粒在瀝青中溶解還不完全徹底，膠粉顆粒與瀝青在拉伸過程中展現出不同的彈性特征，變形差異導致的應力集中使得復合改性橡膠瀝青拉伸面率先起裂。復合改性橡膠瀝青的彈性恢復指標達到89.5%，顯著優于試驗室自制膠粉改性瀝青。

為確保瀝青在泵送時保持適宜的流動性，SHRP提出瀝青135 ℃的黏度應低于3 Pa·s。由表1可知，AH-70瀝青和SBS改性瀝青滿足該要求，但兩種橡膠粉改性類瀝青均超出范圍。美國各州及我國江蘇省針對橡膠瀝青施工專門提出了和易性指標，見表2，以177 ℃黏度為標準，復合改性橡膠瀝青施工和易性顯著優于自制膠粉改性瀝青[11,13-15]。復合改性橡膠瀝青比AH-70瀝青、SBS改性瀝青離析更明顯，但比自制膠粉改性瀝青已有大幅改善，這是因為復合改性橡膠瀝青中添加的礦物活化成分提高了膠粉與瀝青間的相容性，且經工廠化集中生產，膠粉微粒在瀝青中降解更加深入、溶脹程度高，反映出更好的儲存穩定性。

表2 橡膠瀝青施工和易性指標

1.2 SHRP性能指標

應力吸收層材料的抗裂性能與瀝青膠結料的低溫、疲勞等各項性能有著密切聯系，本研究采用SHRP性能試驗分析研究復合改性橡膠瀝青性能特點。

(1)溫度敏感性

瀝青作為溫度敏感型材料，其勁度、黏度等指標隨著溫度改變而改變，由于溫度敏感性與路面的耐久、抗裂性能存在內在聯系，這既關系到瀝青路面施工生產，也影響到路面使用。SHRP通過瀝青的流變特性來評價溫度敏感性[16]，動態剪切流變試驗所測復數模量G雙對數與溫度T對數之間存在線性關系如下：

lglgG=GTS·lgT+C，

(1)

式中，G為G*或G*/sinδ；T為開氏溫度；GTS為lglgG-lgT的斜率；|GTS|絕對值反映瀝青溫度敏感性高低。

在44～88 ℃中高溫區間采用動態剪切流變儀對瀝青進行測試，試驗使用的平行板直徑25 mm，板間距1 mm，測試頻率10 rad/s。

如圖1(a)所示，從復數模量G*隨著溫度變化的情況看，在試驗溫度區間4種瀝青G*下降的總體趨勢基本一致，測得復合改性橡膠瀝青G*略低于自制膠粉瀝青，高于SBS改性瀝青，而AH-70瀝青G*最小；由圖1(b)可見，復合改性橡膠瀝青的相位角δ略大于自制膠粉瀝青，小于SBS改性瀝青，AH-70瀝青δ最大。這說明，相比于SBS改性瀝青、AH-70瀝青，復合改性橡膠瀝青特征更加接近于彈性材料，與自制膠粉瀝青相似。

針對4種不同瀝青，式(1)中的線性關系如圖1(c)所示，依據|GTS|指標評價不同瀝青的溫度敏感性：復合改性橡膠瀝青的|GTS|指標為3.09，G*/sinδ隨著溫度T升高變化相對較小，與自制膠粉瀝青|GTS|指標2.93較接近，其對溫度的敏感性顯著低于AH-70道路石油瀝青和SBS 改性瀝青。

圖1 動態剪切流變試驗結果

(2)低溫性能

應用彎曲梁流變試驗在-12 ℃溫度下評價復合改性橡膠瀝青的低溫流變性，并與AH-70、SBS改性瀝青、自制膠粉瀝青做對比，測試結果見表3。

表3 不同瀝青-12 ℃的流變性能測試結果

通過彎曲蠕變勁度S比較不同瀝青的低溫流變性，相同溫度下復合改性橡膠瀝青勁度僅147 MPa，低溫性能相對較好，其次為自制膠粉瀝青、SBS改性瀝青，AH-70瀝青低溫性能較差。根據蠕變速率m值的測試結果，復合改性橡膠瀝青應力松弛能力相對較好，其主要原因是工廠化集中生產的復合改性橡膠瀝青中所含的膠粉微粒在瀝青中經過充分的物理化學反應過程，溶脹形成了互相聯絡的空間立體網狀結構，這種膠粉-瀝青混溶體系有效改善了瀝青的低溫流變性能。

(3)疲勞性能

瀝青路面的疲勞開裂受氣侯、重載交通等外因以及混合料材料組成、性能等內因的綜合影響，就瀝青混合料而言，SHRP研究統計發現瀝青膠結料對路面疲勞壽命的影響超過50%[17]。

在19～31 ℃環境下通過動態剪切流變試驗計算得到瀝青疲勞因子G*/sinδ，G*/sinδ越小表示每個加載周期耗散能越小，材料內部的損傷積累越慢[18]。根據圖2，不同瀝青在常溫下的疲勞因子：復合改性橡膠瀝青G*/sinδ相對較小，疲勞性能優于自制膠粉瀝青、SBS改性瀝青及AH-70瀝青。

圖2 不同瀝青的疲勞因子比較

時間-掃描試驗能夠模擬瀝青試件從損傷產生、發展至疲勞破壞的各階段，相關研究顯示，應變控制模式下瀝青的疲勞壽命Nf50與混合料疲勞壽命之間存在較強關聯，相關系數平均達0.8以上，其中Nf50定義為瀝青復數模量衰減至初始模量(試驗初期加載至50次的模量)50%時的循環加載次數[19]。本研究在15 ℃下，以10 Hz，5%應變水平加載對4種瀝青進行時間-掃描試驗，測試結果見表4。復合改性橡膠瀝青的疲勞壽命要高于自制膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和AH-70瀝青，這與采用G*/sinδ指標的試驗結果一致。上述結果表明，將復合改性橡膠瀝青應用于應力吸收層當中有助于提高路面抗裂性能。

表4 不同瀝青疲勞壽命對比

2 復合改性橡膠瀝青再生應力吸收層

為研究摻再生料的復合改性橡膠瀝青應力吸收層抗裂能力，分析RAP摻量對路用性能的影響程度及變化規律，采取小梁彎曲、環形加載、含預切縫的半圓彎曲試驗探究廠拌熱再生在復合改性橡膠瀝青應力吸收層中的應用效果。

2.1 RAP檢測

采用某高速公路養護工程上面層AK-13銑刨料，原路面設計使用SBS改性瀝青，PG分級為PG70-22。經檢測，RAP含水量1.52%，砂當量73.4%，均能滿足再生技術標準[20]。RAP抽提級配及瀝青檢測結果見表5～6。

表5 RAP抽提級配

表6 RAP抽提瀝青檢測結果

2.2 配合比設計

為制備應力吸收層混合料，將RAP依據粒徑大小篩為4檔，由粗到細分別用“RAP-1#”，“RAP-2#”，“RAP-3#”，“RAP-4#”表示，分檔篩孔尺寸為1.18 mm，4.75 mm，13.2 mm，各檔RAP的瀝青及級配見表7和圖3。

表7 各檔RAP瀝青含量

圖3 各檔RAP抽提后級配曲線

應力吸收層采用公稱最大粒徑較小的AC-10，使用RAP-2#～ RAP-4#等3檔料，設計制備了RAP摻量分別為0，20%，35%，50%的橡膠瀝青應力吸收層混合料，不同RAP摻量的配比見表8。

表8 不同RAP摻量的AC-10配合比設計結果

2.3 低溫小梁彎曲試驗

采用小梁彎曲評價復合改性橡膠瀝青再生混合料的低溫性能，根據規范要求[21]，在-10 ℃下以50 mm/min 加載，不同RAP摻量下的混合料試驗結果見表9。在各RAP摻配比例下，復合改性橡膠瀝青再生混合料AC-10的抗彎拉強度總體高于新拌混合料，破壞應變則隨著RAP摻量的增加而逐漸下降。其中，新料的最大彎拉應變超過4 700 με，在20%，35%和50%的RAP摻量下，最大彎拉應變分別降低了24.9%，28.0%，40.2%。這表明，舊料的摻入對于復合改性橡膠瀝青應力吸收層材料的低溫抗變形能力影響較大，特別是50%RAP下該指標衰減較顯著。對照《公路瀝青路面施工技術規范》標準，當RAP摻量在35%以內，應力吸收層能夠達到各類氣候分區的低溫性能要求，而在50%RAP摻量時，已不能滿足冬嚴寒區3 000 με的技術標準[22]。

表9 復合改性橡膠瀝青再生混合料AC-10小梁彎曲試驗結果

2.4 環形加載試驗性能研究

為模擬應力吸收層在路面結構中的實際受力狀態，采用自行設計的環形加載試驗評價復合改性橡膠瀝青再生應力吸收層的力學性能[23]。壓頭底端直徑1 cm，在施加荷載時模具從周圍向試件提供豎向支撐。環形加載相較于傳統小梁彎曲的加載方式，能更好模擬路面結構層的3向受力狀況；試驗所采用的圓柱體試件通過旋轉壓實成型，壓實、切割等制備過程簡便；試件制備過程中產生的礦料離析及切割精度誤差比小梁要少。

環形加載試件厚度40 mm，直徑150 mm，依托UTM-25萬能試驗機，在10 ℃以5 mm/min速率對復合改性橡膠瀝青混合料AC-10進行環形加載試驗。AC-10試件在環形加載條件下裂紋從多個方向、延多條路徑從加載中心向邊緣擴展，裂縫數量多、損傷范圍廣，且裂紋寬度、長短不均。采用相同試驗條件，對比同種瀝青制備的AC-20試件破環形態，AC-20試件加載過程中少數裂紋形成之后徑直向邊緣擴展，斷裂過程表現出了明顯的脆性。究其原因，外力加載做功形成的能量主要被試件既有缺陷所吸收，在微裂紋擴張、新裂紋產生至試件破壞過程中轉化為表面能， AC-10混合料具有密級配、油石比高等特點，有助于應力吸收層在變形及開裂過程中吸收更多能量。

環形加載試驗曲線如圖4，相關研究一般采用強度、變形、勁度以及能量指標對材料力學性能進行定量評價[24]。本研究采用極限荷載Fmax，δFmax，勁度模量指數IRT及斷裂能W，分析RAP摻量對應力吸收層力學性能的影響規律。其中，δFmax為荷載達到極限Fmax時對應的破壞變形，勁度模量指數IRT為荷載-位移曲線線性階段的斜率，斷裂能W的計算從0時刻開始至0.1Fmax終止。

圖4 復合改性橡膠瀝青混合料AC-10環形加載試驗曲線

如圖5(a)～(b)，應力吸收層混合料AC-10在環形加載下的極限荷載Fmax伴隨RAP比例增加而提升，而δFmax逐步下降。具體而言，RAP摻量20%，35%，50%所對應的Fmax分別較新料提升了19.6%%，39.4%%和49.1%，對應的δFmax分別下降了24.8%%，24.9% 和18.6%。這表明在復合改性橡膠瀝青應力吸收層中摻入RAP會提高其彎拉強度，但同時也會損失應力吸收層的抗變形能力。圖5(c)反映了RAP摻量對應力吸收層彎拉勁度指數IRT的影響，RAP比例越高IRT勁度模量越大，當RAP摻比達到50%時勁度提高了近一倍。其原因主要是RAP中瀝青老化較嚴重，針入度大幅下降，延度降至0。隨著RAP摻量的增加，復合改性橡膠瀝青與RAP料中老化瀝青混合后產物呈現硬化脆化趨勢，導致應力吸收層混合料的柔韌性隨RAP摻量提高而快速衰減。

圖5 復合改性橡膠瀝青混合料AC-10環形加載試驗結果

斷裂能指標是AC-10應力吸收層混合料從加載到破壞全過程抗裂性能的綜合體現，圖5(d)反映了復合改性橡膠瀝青混合料AC-10的斷裂能W與RAP摻量的關系。結果表明，應力吸收層再生混合料斷裂能W隨著RAP摻量增加而逐漸下降，3種不同RAP摻量下再生混合料斷裂能W比新料下降了5.6%，15.5%，29.3%。從趨勢看，當RAP摻比超過35%，斷裂能W下降幅度加劇。應力吸收層材料的組成設計主要是追求路面抗裂性能提高，并保持良好的柔韌性，在再生料中宜控制RAP的摻量不超過35%。

2.5 含預切縫的半圓彎曲試驗

瀝青混合料是一種非均質材料，在生產過程中天然存在一些固有缺陷(包括微裂紋、孔洞等)，相關理論研究認為常規試驗難以反映混合料的非均質特征，而斷裂力學方法更適于評價瀝青混合料的抗裂性[25-26]。本研究基于含預切縫的半圓彎曲試驗，通過材料斷裂韌度JC分析應力吸收層混合料抗裂性如式(2)所示，其物理意義是當裂縫尖端的J積分達到斷裂韌度JC就會開裂。

(2)

式中，a為切縫深度；U為斷裂能；B為試樣厚度。

試驗中半圓試件直徑為150 mm，厚度40 mm，圓心位置分別在垂直方向設10，20，30 mm不等的預切縫，支點跨距120 mm，見圖6。依托UTM-25，在25 ℃下以5 mm/min施加勻速荷載，預切縫深度不同的試件荷載-位移曲線如圖7所示。

圖6 含預切縫的半圓加載試驗示意圖

圖7 含預切縫的半圓加載試驗曲線

將不同切縫深度a與斷裂能U檢測結果進行線性回歸，得到線性關系如表10所示。其中U-a線性關系中的斜率即為斷裂韌度JC。由表10可見，不同RAP摻量下，應力吸收層混合料的半圓彎曲試驗斷裂能均與切縫深度呈良好的線性關系(R2>0.9)。從JC指標看，隨著RAP摻量提高，JC總體呈現下降趨勢，35%RAP摻量下JC較新料下降了8%，而在50%RAP摻量下JC下降達18%，降幅增大。有關文獻[27-28]經長期跟蹤檢測數據回歸了路面破損率與JC相關性，當JC>0.65 kJ/m2時，路面抗裂性較好，混合料JC指標越高實際路面的破損率越低。對比該標準，各RAP摻量下的復合改性橡膠瀝青均表現出良好的抗裂性能。

表10 斷裂韌度試驗結果

3 結論

(1)復合改性橡膠瀝青具有彈性恢復能力強、溫度敏感性低、疲勞性能好等優點，其施工和易性比傳統膠粉改性瀝青更佳，在應力吸收層混合料中具有良好的適用性。

(2)復合改性橡膠瀝青應力吸收層再生混合料低溫性能良好，當RAP摻配比例在35%以內，可以達到各氣候分區及低溫環境對于改性瀝青混合料的抗裂性能的要求，在50%的RAP摻量下，能夠滿足除冬嚴寒區以外的各類氣候分區對低溫抗裂性能的需求。

(3)復合改性橡膠瀝青應力吸收層再生混合料具有較好的抗裂性能，RAP摻量的提高使得復合改性橡膠瀝青混合料總體呈現強度升高、模量增加、韌性降低的特點，混合料斷裂韌度、斷裂能指標隨RAP摻量增加而下降，為保障再生料具有充分的抗裂性能，舊料摻量不宜超過35%。

(4)將路面再生技術應用于復合改性橡膠瀝青應力吸收層混合料制備中，應力吸收層的抗裂性能可以得到保障，兼顧了路面養護的經濟效益與環境效益，具有良好的推廣意義。