弹性应力吸收带路用性能及施工特性研究

2017-02-05刘志胜朱洪泉边睿

筑路机械与施工机械化 2016年11期

刘志胜+朱洪泉+边睿

摘要：为全面地研究高弹应力吸收带的路用性能，系统测试橡胶玛蹄脂的软化点、延度、弹性恢复等基本性能，并与增加玻纤布后形成的应力吸收带的相关性能进行对比，测试应力吸收及温度等因素对粘结性能和车辙性能的影响。研究结果表明：SBS掺量的增加可提高沥青材料的抗低温性能、耐热性能；在高掺量下，再提高SBS的掺量对沥青材料的老化性能没有明显的提高效果；增加玻纤布对玛蹄脂材料的抗低温性具有明显的改善作用；应力吸收带后铺筑厚度不宜超过5 mm。

关键词：SBS改性沥青；添加剂；应力吸收带；路用性能

中图分类号：U41603文献标志码：B

Abstract： In order to study the pavement performance of stress absorption band with high elasticity， the softening point， ductility and elastic recovery performance of rubber mastic were tested， and were compared with those of stress absorption band with high elasticity. At the same time， adhesive properties and antirutting performance at different construction temperatures were tested for the stress absorption band. The results show that low temperature performance and heat resistance improve following the increase of SBS content； aging properties show no obvious improvement when the SBS content is high enough and continues to climb； increasing glass fiber cloth produces obvious effect on low temperature performance of rubber mastic； bonding performance of stress absorption band increases when construction temperature rises， and the band should not be thicker than 5 mm.

Key words： SBS modified asphalt； additive； stress absorption band； pavement performance

0引言

高等级公路主要采取沥青路面和水泥路面2种形式。由于沥青路面施工方便、维修便利，因此在中国应用广泛，水泥混凝土路面具有较强的承载力，多在重交通地区采用。最新调查数据显示，水泥混凝土路面在高等级公路中的比例不足5%，这与水泥路面行车性能差、维修复杂等原因有关。2014年底，日本道路协会重申水泥混凝土路面的设计理念，并提出了新建水泥混凝土路面与旧水泥混凝土路面处治方法。山西省针对其重载交通的特点，对现有水泥混凝土路面进行了相关研究，在利用旧水泥混凝土路面残余承载力的同时，提出沥青加铺层抗裂技术[12]，在旧路面底层的裂缝处增加防裂缝反射结构，旨在增强刚柔复合式路面的使用寿命。目前的防裂缝反射措施主要有橡胶沥青应力吸收膜、沥青混合料应力吸收层、抗裂贴等[36]，橡胶沥青应力吸收膜厚度较小，在层间难以起到应力扩散的作用；沥青混合料应力吸收层采用全幅方式铺设，造价偏高，而且沥青混合料抗拉性较差；抗裂贴在施工中难以与旧水泥混凝土路面很好地粘结，耐久性不足[79]。山西交科新材料有限公司针对现有裂缝处治技术及产品的不足，开发了高弹性橡胶玛蹄脂应力吸收带加铺层抗裂技术：将高弹性橡胶沥青玛蹄脂粘结料与细集料等按一定比例配制而成的聚合物改性沥青混合料，采用现场浇注后加铺玻纤布形成低模量、高弹性抗裂混合柔性体[1011]。

本文将对高弹橡胶玛蹄脂及应力吸收带的基本性能、低温柔性、耐高温性能、延展性能、粘附性能及施工特性进行研究，为高弹橡胶玛蹄脂应力吸收带的推广应用提供借鉴。

1原材料

1.1基础沥青

基础沥青为SK70#基质沥青，其各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的试验方法测试基质沥青的各项指标，结果如表1所示。

1.2.2高分子弹性改性剂

本文选用的高分子弹性改性剂为废旧橡胶粉，主要用于运动场、防水卷材、工程轮胎、橡胶制品及塑料制品改性等领域。试验中橡胶粉的细度为30目。

1.2.3助剂

采用的助剂一种是低分子量非晶态的共聚物，以丙烯、乙烯为原料聚合而成，具有较好的耐水性能，能够提高沥青的高温、低温性能，增强沥青材料的粘结性能，广泛用于防水卷材中；另一种是高分子胶，用于鞋类、箱包、汽车部件、PP与PE材料、板材与薄膜等的粘合。试验中助剂一与助剂二按照1∶1的比例添加。

1.3填料

本文选用优质石灰粉作为填料，用以增加沥青材料的高温稳定性能。

2试验方法

高弹性橡胶玛蹄脂的制备工艺虽然比较简单，但是需要严格控制拌和时间和加热温度，具体步骤如下。

（1）在105 ℃条件下将沥青脱水。

（2）将沥青加热到135 ℃～145 ℃，加入SBS，同时搅拌30～40 min，使SBS粉末充分溶于沥青中。

（3）加入胶粉，低速搅拌，使胶粉完全溶入沥青；提高温度到170 ℃～180 ℃，进行高速剪切，剪切时间根据橡胶粉的溶入情况确定，确保橡胶粉不完全与沥青熔融，否则会降低弹性功效。

（4）加入石灰粉，将温度提高至200 ℃～205 ℃，进行低速剪切，直到完全混合均匀为止。结束后加入助剂，保证石灰粉不发生沉积，增加材料的储存稳定性，得到橡胶玛蹄脂。

2.1基本性能

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）要求对优选配比A（8∶30∶30∶4∶100）和B（12∶30∶40∶4∶100）的橡胶玛蹄脂材料进行基本性能试验，测试其软化点、延度、弹性恢复以及老化等指标。

2.2低温柔韧性

参照《建筑防水卷材试验方法》（GB/T328.14—2007）中沥青防水卷材低温柔性方法进行试验，按照设计的施工厚度（4 mm），以长（150±1） mm、宽（25±1）mm、厚（4±1） mm浇筑成型试件。以0 ℃为起始温度，间隔6 ℃降温进行试验，寻找试件开始发生破坏的最低温度，以此为起始温度，间隔2 ℃增加温度，寻找裂缝开始出现的温度，以此为冷弯温度。采用冷弯温度评价其低温性能。

2.3高温稳定性

参照《建筑防水卷材试验方法》（GB/T328.11—2007）中沥青防水卷材耐热性方法进行试验，并结合施工终压温度进行高温性能评价。按照设计的施工厚度，以长（115±1） mm、宽（100±1） mm、厚（4±1） mm浇注成型试件，在室温的环境下放置4 h。将烘箱加热到预定温度30 min后，将试件放入烘箱，烘箱恢复温度持续时间应小于30 s。试件持续加热60 min后，测试玛蹄脂材料下流的距离，以5 ℃为间隔温度进行试验。

2.4延展性

板带拉伸试验通过MTS万能试验机进行。浇注一定面积的橡胶玛蹄脂，并按照20 cm×12 cm的尺寸剪切为块状，其有效拉伸尺寸为10 cm×12 cm，试验温度选择常温（25 ℃）。按照《土工合成材料》（GB/T 14800—2010）标准，以20 mm·min-1的速度进行宽条拉伸。

2.5粘附性

采用现浇施工技术后附加玻纤布形成高弹性橡胶玛蹄脂，其与旧水泥混凝土的粘结性能是抗裂缝反射性能发挥的关键因素。若与旧水泥路面粘结不良易造成层间滑移，导致沥青加铺层的抗剪性能下降，起不到控制裂缝的作用。为此，对2种配比的橡胶玛蹄脂进行拉拔试验，评价高弹性橡胶玛蹄脂对水泥混凝土的粘附性能。所有试验均在室温下进行，抗剪性能试验的竖向压力为0.7 MPa。

2.6施工特性测试

先用特制模具加工尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土试件；等水泥混凝土养生28 d达到龄期后，在水泥混凝土试件中央铺注4～6 mm不同厚度的橡胶玛蹄脂，并覆盖玻纤布，形成应力吸收带；在应力吸收带的试件上成型300 mm×300 mm×50 mm的大粒径沥青混合料，参照沥青混凝土车辙试验方法进行试验，观测泛油现象与车辙深度。

3试验结果分析

3.1基本性能

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求，对优选配比A（8∶30∶30∶4∶100）和B（12∶30∶40∶4∶100）的橡胶玛蹄脂材料进行基本性试验，结果如表3所示。

从表3可以看出，2种优化配比的橡胶玛蹄脂的基本性能都维持在较高水平，满足《公路工程废胎胶粉橡胶沥青》（JT/T 798—2011）中对其技术性能的要求。相比较而言，配比A的相关性能优于配比B。短期老化后，2种配比的橡胶玛蹄脂性能相差不大，这表明在较高的SBS和胶粉掺量下，再提高SBS的掺量对沥青材料的老化性能没有明显的提高。

3.2高弹性沥青玛蹄脂低温柔韧性能研究

选择基质沥青、不同掺量（4%、8%、12%）的SBS改性沥青、2种橡胶玛蹄脂及覆盖玻纤布的玛蹄脂等8组试件进行试验。根据同济大学谈至明教授《基于路表实测温度的路面温度场估计模型》的研究结论，认为在加铺层10 cm以下的应力吸收带所处的极限温度为-10 ℃。不同因素下橡胶玛蹄脂的低温性能如图1～3所示。

通过图3可以看出，在SBS改性沥青中添加橡胶、填料及助剂对沥青低温性能的影响规律一致，增加玻纤布对玛蹄脂材料的抗低温性具有明显的改善作用。

3.3高弹性沥青玛蹄脂高温性能研究

选择基质沥青、不同掺量（4%、8%、12%）的SBS改性沥青、2种橡胶玛蹄脂及覆盖玻纤布的玛蹄脂等8组试件进行试验。考虑沥青混合料在摊铺开始到碾压完成过程中的温度变化，并根据长沙理工大学孙洁《热拌沥青混合料施工压实过程中温度场变化规律研究》的研究结论[11]，认为有效压实时间在30 min内。试验结果如图4～6所示。

从图4可以看出，随着SBS掺量的增加，沥青材料的耐热性能逐渐提高，并且渐变率逐渐下降。加热60 min时，SBS掺量的增加对耐热性能的提高效果逐渐减弱。这表明，在长时间的加热状态下，高温性能较强的沥青材料会发生软化，耐热性能逐渐下降。SBS的加入在结构上加固了沥青的稳定性，但在长时间的高温状态下，能量逐渐累积，沥青局部稳定性下降，轻组分逐渐流淌，SBS对沥青的结构的稳定作用逐渐降低，故耐热性能下降。在上层沥青混合料的摊铺、碾压过程中很少出现持续60 min的高温加热作用，故以持续加热30 min为时限分析橡胶玛蹄脂的耐热性能。

从图5可以看出，随着SBS掺量的增加，沥青的软化点和耐热性逐渐增加，其中软化点与SBS掺量基本呈线性关系，而耐热性的增长趋势逐渐减小。总体而言，软化点和耐热性呈现了明显的相关性，在设计、施工过程中提高沥青材料的软化点对提高橡胶玛蹄脂的耐热性能具有直接作用。这同时也说明，当沥青中存在足够的结构性物质时，再增加SBS掺量对材料在较长时间下的稳定性影响不大。

通过图6可以看出，在SBS改性沥青中添加橡胶、填料、助剂，对沥青高温性能的影响规律一致，而增加玻纤布对玛蹄脂材料耐热性能的影响不明显。这是由于：高弹性橡胶玛蹄脂的各组成材料中，橡胶对沥青的高温性能具有一定的提高作用，同时填料增加了玛蹄脂的比热，从热量吸收的角度而言可提高材料的热稳定性；而助剂增加了材料的粘附性，使得材料在受热软化后，沿试验模具下滑的阻力增加，耐热性提高。玻纤布对沥青耐热性的提高作用不明显，是由于试验采用竖向受热流淌进行评价，此时玻纤布在玛蹄脂材料的侧面，故对其性能影响不明显；然而，在施工时，玻纤布在施工初期起到隔热的作用，在碾压过程中起到限制玛蹄脂材料横向位移的作用，将对其耐热稳定性起到一定的作用。

3.4高弹性橡胶玛蹄脂应力吸收带板带拉伸性能

3.4.1橡胶玛蹄脂材料板带拉伸性能

为确定橡胶玛蹄脂材料的受力与变形规律，对橡胶玛蹄脂进行板带拉伸试验。在试件拉伸过程中，橡胶玛蹄脂拉伸量逐渐增加，拉伸强力值有微小的上升趋势，而没有拉断或拉力减小的趋势。因此，橡胶玛蹄脂在实际工程应用时，拟定在伸长率达到500%时记录断裂强力，并停止试验。

从图7明显可以看出，在较小的区域内，强力值随拉伸长度的增加有小范围的反复增长再减小的趋势，这也显示出玛蹄脂材料不同于常规材料的特性，其内部结构在相对恒定的强力值下不停变化以抵抗外力的作用。试验结果如表4所示。

从表4可以看出，随着厚度的增加，裂缝反射预防材料的强度都有不同程度的提高，其断裂强度与断裂功都呈现出相同的增长趋势。

3.4.2橡胶玛蹄脂应力吸收带板带拉伸

依据橡胶玛蹄脂的材料受拉性能，研究布设玻纤布对橡胶玛蹄脂材料的抗拉性能的增强效果。施工过程中，由于交通管制不严，经常有车辆直接碾压应力吸收带，未经充分降温的橡胶玛蹄脂粘结力不足以保证玻纤布的结构稳定，为此在玻纤布上再加1层较薄的橡胶玛蹄脂，以起到增加层间粘结力的作用。本课题组将研究橡胶玛蹄脂材料+玻纤布、橡胶玛蹄脂材料+玻纤布+橡胶玛蹄脂材料这2种结构的受拉力学性能，并与现有的抗裂贴进行对比，分析2种材料的抗拉性能，试验结果如图8所示。

由图8可知，试验过程中，拉伸强力随板带试件的伸长不断增大，到拉伸值为3 mm时，拉伸力骤减，裂缝反射预防材料沿玻纤布发生破坏处产生裂口，裂口逐渐被拉长，最终拉力维持在裂缝反射预防材料的强度范围内。图8所展示的裂缝反射预防材料+玻纤布的拉伸值与强力的关系，与弹性强力材料在荷载作用下的应力增长变化曲线一致，具有明显的弹性变形阶段、强化阶段、屈服阶段和缩颈阶段。为此，后续的研究可以取强力衰减到峰值的80%时的值作为材料的强度值。抗裂贴在试验过程中，随着拉伸量的增加，强力值不断增加，而其破坏现象首先表现为表层高分子聚合物的开裂，并与其中间的土工布逐渐分离直至完全脱落，最后发生拉伸破坏。因此，基本可认为抗裂贴强度主要由其内部的土工布承担，其表层的高分子聚合物起到与结构层粘结的作用。抗裂贴面临的主要问题是如何保证土工布和高分子聚合物协调工作而不发生破坏。

为系统地比较橡胶玛蹄脂材料+玻纤布（a型）、橡胶玛蹄脂材料+玻纤布+橡胶玛蹄脂材料（b型）这2种应力吸收带与抗裂贴（c型）的力学特性，对比分析其断裂强度、断裂功等指标，结果如图9～12所示。

从图9～12可以得到，橡胶玛蹄脂应力吸收带a型和b型的断裂强度和断裂功都相差较大，这表明在橡胶玛蹄脂的中间设置玻纤布能够增强材料的抗裂性能，更有助于发挥橡胶玛蹄脂的高弹性作用。其根本原因在于，橡胶玛蹄脂起到弹性缓冲作用，而玻纤布起到抗拉并限制橡胶玛蹄脂变形的作用。在试件a的拉伸过程中，玻纤布位于玛蹄脂的一侧，随着拉伸量的增加，玻纤布与玛蹄脂的变形差异逐渐明显，甚至有局部分离的现象。试件b在成型过程中，两侧的玛蹄脂通过玻纤布的孔隙互相融为一起，将玻纤布完整地裹覆在沥青材料的内部，故在拉伸过程中，玛蹄脂可以跟随玻纤布进行变形，使玻纤布更好地发挥抗拉性能。

与市场现有的抗裂贴相比，试件b的断裂强度和断裂强力相差都不大。抗裂贴中的土工布厚度远大于玻纤布，拉伸过程中外侧沥青材料脱落后主要依靠土工材料的抗拉性能进行工作，此时其结构已经出现裂缝，抗裂缝反射性能已经消失；而高弹性橡胶玛蹄脂应力吸收带在玻纤布断裂后，玛蹄脂材料仍然维持着整体状态，能发挥一定的抗拉作用，并具有一定的防渗水功能。

3.5高弹性应力吸收带施工技术特性

3.5.1橡胶玛蹄脂材料的粘结性能

对2种配比的橡胶玛蹄脂在不同施工温度下进行拉拔试验，评价高弹性橡胶玛蹄脂对水泥混凝土的粘附性能。所有试验均在室温下进行，抗剪性能试验的竖向压力为0.7 MPa。不同类型、不同施工温度下橡胶玛蹄脂应力吸收带拉拔试验结果如图13～16所示。

从图13、14可以看出，随着施工温度的增加，橡胶玛蹄脂和玛蹄脂应力吸收带的拉拔性能均有不同程度的提高，配比b的拉拔性能好于配比a的抗拉拔性能。其原因在于：随着施工温度的增加，橡胶玛蹄脂中的轻质成分可以更好地渗透到水泥混凝土的细观纹理中，增加了粘结面积，致使抗拉拔性能提高。然而，过高的施工温度将促进沥青材料的老化，故合理地控制施工温度对材料的耐久性具有重要意义。同时，拉拔试验破坏主要发生在玛蹄脂材料的内部，配比b具有更好的材料强度，故其在拉拔过程中不易被破坏，拉拔性能较好。

从图15、16可以看出，增加玻纤布后玛蹄脂材料的拉拔性能提高不明显。这是因为：拉拔试验破坏主要发生在玛蹄脂材料的内部，而玻纤布主要分布在玛蹄脂材料的表面，在受力过程中平行于其表面的横向受力较大，而在垂直于表面的力基本不发挥作用，在拉拔破坏过程中，对材料的力学性能提升不大。

3.5.2高弹应力吸收带抗碾压性能

为检测应力吸收带的抗碾压性能，课题组利用轮碾试验仪进行了模拟试验，采用水泥混凝土+应力吸收带+沥青混凝土结构，通过在相同的轮碾次数下，观测其应力吸收带的变形和抗高温性。结果如表5所示。

根据上述试验结果可知，在较薄的加铺层底增设应力吸收带，当应力吸收带较厚时，容易发生泛油现象。考虑上述原因，应力吸收带的厚度不宜超过5 mm。

3.5.3高弹应力吸收带抗车辙性能

对大粒径沥青混合料和大粒径沥青混合料+应力吸收带的抗车辙性能进行比较分析。试验结果见表6。

从表6可以看出，沥青混凝土路面在设置了应力吸收带后，抗车辙性能没有明显降低，不会造成沥青混凝土路面抗车辙能力的减弱。

4结语

（1）在较高的SBS和胶粉掺量下，再提高SBS的掺量对沥青材料的老化性能没有明显的提高效果。

（2）随着SBS掺量的增加，沥青材料的抗低温性能、耐热性能逐渐提高；在SBS改性沥青中添加橡胶、填料、助剂对沥青的抗低温性能、耐热性能的影响规律一致，增加玻纤布对玛蹄脂材料的抗低温性具有明显的改善作用。

（3）高弹性橡胶玛蹄脂应力吸收带的伸长与强力关系与弹性强力材料在荷载作用下的应力增长变化曲线一致，具有明显的弹性变形阶段、强化阶段、屈服阶段和缩颈阶段。在橡胶玛蹄脂的中间设置玻纤布能够增强材料的抗裂性能，更有助于发挥橡胶玛蹄脂的高弹性作用。

（4）随着施工温度的升高，橡胶玛蹄脂的粘结性能均有不同程度的提高，增加玻纤布后玛蹄脂材料的拉拔性能提高不明显。沥青混凝土路面在设置应力吸收带后，抗车辙性能不受影响，且应力吸收带后铺筑厚度不宜超过5 mm。