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    橡胶沥青应力吸收层性能试验研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-02  作者:小九  浏览次数:18
    核心提示:反射裂缝的防治一直是我国半刚性或刚性基层高等级公路建设和维修中比较关注的问题之一。当前,我国高等级公路常用的防治反射裂缝

    反射裂缝的防治一直是我国半刚性或刚性基层高等级公路建设和维修中比较关注的问题之一。当前,我国高等级公路常用的防治反射裂缝措施有热沥青同步碎石封层、加铺土工布、稀浆封层等。从应用效果看,上述技术在一定程度上对反射裂缝的扩展起到了抑制作用。但是,调查表明,上述技术的防治反射裂缝性能距预期效果仍存在一定差距,防治反射裂缝耐久性不理想,重载交通高速公路通车3~4年内反射裂缝就会反射到路表。

    橡胶沥青应力吸收层由橡胶沥青胶结料和一定级配的石料拌和而成,其具有较好的柔韧性和耐疲劳性能。其可通过橡胶沥青独特的性能优势吸收和消散路面内部竖直方向传递的应力,有效中断或延缓半刚性基层裂缝处的集中应力向沥青面层反射的趋势,大大降低裂缝向上扩展的速率,延长沥青面层开裂的年限。但是,不可忽略的是橡胶沥青应力吸收层的性能受橡胶沥青胶粉掺量影响,而不同基质沥青的最佳胶粉掺量有差别,因此,寻求最佳胶粉掺量才能保证橡胶沥青胶结料发挥其最佳性能优势。本文基于埃索70#基质沥青最佳胶粉掺量设计,对橡胶沥青应力吸收层的疲劳性能与抗剪性能进行试验、对比和评价,为工程使用提供参考。

    原材料试验

    试验采用20目规格橡胶粉、进口埃索70#道路石油沥青。

    最佳胶粉掺量设计

    设计方法及评价指标

    设计胶粉掺量时,主要考虑胶结料的路用性能和施工和易性。为保证橡胶沥青胶结料有良好的路用性能以及拌和与碾压的和易性,《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》中要求180℃粘度处在2.5~5.0Pa·s,因此,本次试验主要采用180℃布氏旋转粘度作为主要设计指标。此外,为了便于实验室快速有效地进行检测,还选用25℃针入度和软化点作为次要设计指标。

    橡胶沥青胶结料的性能与搅拌方式、搅拌时间、反应温度以及胶粉掺量参数有关。目前,一些研究者和工程技术人员普遍认为搅拌方式采用高速剪切(2500r/min)且反应温度为180℃时胶结料性能最佳。因此,本次试验预先选定搅拌方式和反应温度参数,变化搅拌时间与胶粉掺量进行设计。试验步骤如下:1)根据工程经验,采用17%、18%、20%及21%的胶粉掺量(外掺)制备橡胶沥青;2)在搅拌时间分别为15、30、45以及60min时取样;3)测定不同胶粉掺量和搅拌时间橡胶沥青180℃布氏粘度;4)取搅拌时间为60min时粘度满足设计要求,且60min前后粘度变化比较平缓的胶粉掺量作为最佳掺量;5)进行胶结料针入度与软化点试验。

    试验结果分析

    布氏旋转粘度试验结果

    采用17%、18%、20%及21%的胶粉掺量,在搅拌时间分别为15、30、45以及60min条件下,对不同胶粉掺量橡胶沥青胶结料180℃布氏旋转粘度进行试验。

    可以看出:

    1)随着搅拌时间从15min延长到60min,不同胶粉掺量胶结料的粘度均有增大趋势;搅拌时间相同时,随着胶粉掺量从17%增大到21%,胶结料粘度也均有增大的趋势,且在胶粉掺量为18%时,3组粘度试验结果基本相当。

    2)排除搅拌时间较短因素(30min以内),只有18%胶粉掺量时搅拌45与60min时橡胶沥青胶结料的粘度比较合理,且处在2.5~5.0Pa·s范围内。

    综上所述,橡胶沥青须在一定的胶粉掺量与搅拌时间条件下,胶粉与基质沥青充分发生物理化学反应才能形成均质的且粘度满足使用要求的改性胶结料,因此,可初步选择胶粉掺量与埃索70#沥青重量比为18%作为设计胶粉掺量。

    除胶粉掺量外,搅拌时间是影响橡胶粉改性效果的另一个重要因素。为了进一步研究搅拌时间对对橡胶粉改性效果的影响,在18%胶粉掺量下,以15min为时间间隔,对不同搅拌时间下的胶结料粘度进行试验。

    可知,搅拌时间从15min延长到240min,胶结料粘度有较大波动,其中分别在75~105min与165~180min时间段粘度出现峰值。分析认为,搅拌时间为75~105min时,粘度出现峰值主要是由于胶粉在基质沥青中充分溶胀及均匀分散所致;而在165~180min搅拌时间段内,由于搅拌时间延长,胶粉脱硫严重及沥青老化加剧,导致沥青变稠,粘度再次出现峰值。因此,从加工工艺合理性、沥青老化程度等因素考虑,搅拌时间在75~105min内比较合理。

    不同胶粉掺量的测试比较

    在不同胶粉掺量下,搅拌90min时进行了胶结料25℃针入度及软化点试验。

    可以看出,橡胶沥青胶结料的针入度和软化点随胶粉掺量的变化波动。就针入度而言,与胶粉掺量为21%和17%相比,胶粉掺量为18%和20%时,橡胶沥青胶结料针入度更大,但差异不明显;软化点随着胶粉掺量减小而降低。从使用效果考虑,在针入度差异不大的情况下,胶结料的软化点越高越好,但21%与20%胶粉掺量下橡胶沥青的粘度特别大,不利于施工和易性。因此,笔者认为18%胶粉掺量合理,且针入度与软化点指标也满足技术要求。

    SAMI应力吸收层试验分析

    橡胶应力吸收层设置目的主要在于延缓反射裂缝的扩展,并增加沥青面层与基层的有效粘结。在实验室进行本次复合梁疲劳试验和应力吸收层抗剪切试验,并将橡胶应力吸收层与其它具有防治反射裂缝作用的下封层进行对比。橡胶沥青应力吸收层材料设计参数为:胶粉掺量18%(外掺),180℃高速剪切搅拌90min,橡胶沥青用量(2.6±0.2)kg/m2,集料规格为5~10mm,集料用量为12kg/m2。

    疲劳试验及结果分析

    疲劳试验的目的是评价橡胶沥青应力吸收层延缓反射裂缝的性能。在实验室成型复合梁,试件尺寸如下:实验室成型复合梁,下部沥青混凝土厚7.0cm,采用AC-20级配,中间切开1mm宽度缝隙;上部沥青混凝土厚5.0cm,采用AC-16级配,试件宽63mm;中间应力吸收层厚1cm。试验条件及方法如下:采用NU-14试验机,采用应变控制模式,试验控制应变为250με,试验温度为15℃。预计橡胶沥青应力吸收层抗疲劳能力较强,若以达到疲劳寿命(劲度为初始劲度50%时的作用次数)为限,试验可能耗时太多。因此,采用荷载作用10万次后劲度模量占初始模量的百分比为评价指标,试验后试件残留劲度模量占初始模量百分比越大,抗疲劳性能越好。

    试验时,选用改性乳化沥青下封层、热改性沥青同步碎石封层以及Strata应力吸收层与橡胶沥青应力吸收层进行对比。

    可以看出,不同下封层或应力吸收层表现出的抗疲劳性能有差异。以试件加载10万次的残留劲度百分比衡量,抗疲劳性能大小排序为橡胶沥青应力吸收层>Strata应力吸收层>热改性沥青封层>改性乳化沥青封层,其中橡胶沥青应力吸收层与Strata应力吸收层的残留劲度均在60%以上,后2种封层残留劲度均低于50%。这表明橡胶沥青与Strata应力吸收层在防反射裂缝耐久性方面相对较好,其中橡胶沥青应力吸收层效果最好,这种现象与橡胶沥青胶结料独特的性能优势有关。分析认为,橡胶粉掺入基质沥青后,胶粉在热沥青中得到充分剪切,致使胶粉充分溶胀并发生物理化学分散作用,导致沥青的微观结构发生部分改变,从而可改善沥青的柔韧性和耐疲劳性,可使橡胶沥青应力吸收层表现出良好的性能。

    剪切试验及结果分析

    应力吸收层除要求具有防治反射裂缝作用外,由于其处于沥青层与非沥青层之间的夹层,因此对其抵抗层间剪切性能也有较高的要求。本文采用剪切试验来评价橡胶沥青应力吸收层抗剪性能。

    复合试件成型过程及试验方法如下:1)水泥稳定碎石基层试件通过现场钻芯获得,切割成Φ150×50mm试件;2)在水稳基层顶面(不涂透层)制备封层或应力吸收层;3)将试件放入旋转压实仪模具中,在其上碾压成型50mm厚的AC-25沥青混凝土,复合试件尺寸控制在Φ150mm×105mm左右;4)养生一段时间后,进行抗剪强度试验;5)采用ELE多极变速加载设备进行加载,加载速率控制为50mm/min,考虑到层间正常温度和极端温度2种情况,试验温度分别选择30℃与50℃。

    可以看出:

    1)2种试验温度下,不同封层的抗剪强度和变异系数不同,抗剪强度按大小排序均为橡胶沥青应力吸收层>Strata应力吸收层>热沥青封层>改性乳化沥青封层;变异系数按大小排序为改性乳化沥青封层>热沥青封层>Strata应力吸收层>橡胶沥青应力吸收层。由此可知,下封层抗剪强度与变异系数大小呈相反关系,这可能与抗剪强度数值大小有关,数值越大,其试验结果的变异性相对较小;数值越小,变异性相对较大。

    2)4种下封层50℃时的抗剪强度均小于30℃时的抗剪强度,可见层间抗剪强度随着试验温度的升高而减小,这与下封层材料种类无关。橡胶沥青应力吸收层在30℃时其抗剪强度为0.78MPa,50℃时其抗剪强度为0.50MPa,下降了35.9%;Strata应力吸收层在30℃时其抗剪强度为0.70MPa,50℃时其抗剪强度为0.45MPa,下降了21.4%;热沥青下封层3在0℃时其抗剪强度为0.66MPa,50℃时其抗剪强度为0.42MPa,下降了36.4%;改性乳化沥青下封层在30℃时其抗剪强度为0.48MPa,50℃时其抗剪强度为0.33MPa,下降了31.3%。从下降百分比看,4种下封层材料中,虽然橡胶沥青应力吸收层抗剪强度最高,但其对温度的敏感性并不是最小的,Strata应力吸收层温度敏感性才最小。

    结论

    采用室内试验进行了埃索70#沥青最佳胶粉掺量设计,在此基础上,通过疲劳试验和抗剪试验对橡胶应力吸收层性能进行了研究,并得到以下结论。

    1)以180℃布氏旋转粘度、25℃针入度及软化点为指标,埃索70#沥青制备橡胶沥青胶结料的最佳胶粉掺量为18%(外掺)。从加工工艺合理性、老化程度等因素考虑,橡胶沥青生产搅拌时间75~105min比较合理。

    2)相比Strata应力吸收层、热改性沥青与改性乳化沥青封层,橡胶沥青应力吸收层具有较好的抗疲劳性能。加载10万次后,橡胶应力吸收层残留劲度模量百分比高达69.4%。

    3)橡胶沥青应力吸收层的层间抗剪性能较好,但其对温度的敏感性大于Strata应力吸收层和改性乳化沥青封层。

     
     
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