高模量剂与橡胶粉复合改性沥青应力吸收层混合料技术性能研究

程 梅

(无锡城市职业技术学院， 江苏 无锡 214000)

高模量剂与橡胶粉复合改性沥青应力吸收层混合料技术性能研究

程 梅

(无锡城市职业技术学院， 江苏 无锡 214000)

针对反射裂缝在半刚性基层沥青路面和旧路加铺改造中普遍存在的问题，为提高应力吸收层材料的抗裂性、抗车辙剂抗疲劳耐久性，阻止反射裂缝的产生和发展，将橡胶粉与高模量剂进行复配，基于车辙、低温弯曲和四分点加载疲劳试验研究了PR.S和橡胶粉掺量对应力吸收层混合料高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳耐久性的影响并将与STRATA应力吸收层混合料进行了对比。研究结果表明，相同PR.S掺量情况下，增大橡胶粉掺量复合改性沥青旋转黏度呈二次函数关系增大，橡胶粉和PR.S掺量对复合改性沥青软化点有显著的影响，橡胶粉对PR.S改性沥青的低温性能有明显的改善作用；以软化点≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，177 ℃黏度≤4.5 Pa·s，25 ℃弹性恢复率≥65%作为判别标准优选了3种不同复配方案，经室内试验和试验路验证推荐最佳复配方案为8%PR.S+20%橡胶粉。经过试验路的应用，证明了橡胶粉和高模量剂复合改性沥青混合料作为应力吸收层式沥青路面防止反射裂缝的有效途径之一，具有更广的地区适用性。

道路工程； 橡胶粉与高模量复合改性沥青混合料； 应力吸收层； 路用性能； 抗疲劳性能

0 引言

近年来，为防止旧水泥路面沥青加铺层和半刚性基层反射裂缝，国内外进行了大量的试验路研究及理论分析，国内长安大学、同济大学、东南大学等高校及一些科研单位从20世纪80年代开始也相继开展了这方面的研究[1-6]，并结合实体工程铺筑了大量的应力吸收层试验路，跟踪监测试验结果表明，在水泥路面与加铺层之间以及半刚性顶部设置能吸收和消散裂缝尖端应力应变的中间层，如橡胶(纤维)沥青应力吸收薄层(SAMI)、砂粒式沥青混合料、纤维改性砂粒式沥青混合料、级配碎石中间层等是一种有效抗反射裂缝措施。美国科氏沥青材料公司研制开发了STRATA应力吸收层(厚2.5 cm)，利用其优良的抗裂性能防止反射裂缝，STRATA在美国试验应用数年，取得成功经验后于1994年开始推广使用，STRATA防裂技术己在美国德克萨斯州等多个项目中使用[4-10]。然而STRATA应力吸收层在国内的推广应用过程中因其施工难度大，工程造价高以及技术保密等问题，推广应用效果并不理想，国内对STRATA改性应力吸收层的研究并不多。从国内近几年的工程实践来看，应力吸收层材料使用越来越普遍，同时加铺厚度也由原来的1 cm，逐渐增大到2～2.5 cm，而国内对应力吸收层的高温抗永久变形能力并没有提出明确的要求，这也产生了一个问题，通常应力吸收层的沥青用量都比较大，随着厚度增大，很多应力吸收层并没有足够的抗高温剪切变形能力，应力吸收层反而成为了路面结构中的软弱夹层，因此研究高低温和疲劳性能兼顾的应力吸收层材料意义重大。橡胶粉属于废旧材料，可显著改善沥青沥青混合料的低温和抗疲劳性能，但其对沥青混合料高温性能改善程度有限，添加型高模量沥青混凝土对提高沥青路面的高温抗车辙能力有显著的贡献，但难以兼顾低温抗裂性。对于我国北方，低温开裂是十分严重和普遍的路面病害。本文将法国PR.S高模量剂与橡胶粉改性剂进行复配，利用高模量剂优良的抗高温性能和橡胶粉改性剂优良的低温和抗疲劳性能，以实现有效的防止反射裂缝的产生和发展。

1 PR.S与橡胶粉复合改性沥青性能

1.1 原材料及配比

试验采用SK70A级重交道路石油沥青，经检测沥青技术性能指标满足现行施工规范JTG F40-2004要求。选用的PRM高模量剂由法国路面材料实业有限公司(PRIDUSTRIE)研发并生产，高模量剂主要技术指标如表1所示，根据厂家推荐的0.6%～0.8%(占集料质量的百分比)高模量剂掺量，并借鉴国内相关研究成果，复合改性沥青中PR.S掺量为6%、8%、10%、12%(占沥青质量的百分比)。工程实践表明，使用橡胶粉改性沥青可以解决废旧橡胶轮胎污染环境问题，有效改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，同时提高沥青路面的柔性，延缓路面反射裂缝、增强路面冬季柔性除冰降噪等功能，本文采用的胶粉为西安国林橡胶粉加工厂生产的40目硫化胶粉，其由常温粉碎法生产工艺制备，橡胶粉的技术指标如表1所示。根据ASTM对橡胶粉改性沥青的定义，本文初选的橡胶粉掺量为16%、18%、22%、24%。

表1 PRS高模量主要技术指标Table1 MainperformanceindexofPRSadditive添加剂类型外观粒径/mm密度/(g·cm-3)软化点/℃厂家建议掺量范围，(占集料质量百分比)/%PRModule灰色颗粒状3～40929～094317806～08

1.2 高模量剂与橡胶粉复合改性沥青制备及性能

改性沥青的制备工艺流程一般需要混合溶胀、剪切磨细和发育三个阶段。先将基质沥青加热到170～175 ℃，然后加入预定质量的橡胶粉和PR.S，为避免一次性加入改性剂过多导致沥青温度下降过低，提高加热装置的试验温度，同时边加入橡胶粉边快速搅拌，使加入的橡胶粉能在短时间内与基质沥青混合均匀，并快速加热到所需的试验温度，待胶粉颗粒全部加入后以4 800 r/min剪切速率剪切45 min，然后在175 ℃条件下发育45 min，制成复合改性沥青后，对其进行旋转黏度(177 ℃)、软化点、延度(5 ℃)和弹性恢复率(25 ℃)试验，结果见图1。

图1 高模量剂与橡胶粉复合改性沥青性能试验结果Figure 1 High modulus agent and compound rubber powder modified asphalt performance test results

图1试验结果表明： ①相同PR.S掺量情况下，随着橡胶粉掺量增大复合改性沥青旋转黏度呈二次函数关系增大，橡胶粉掺量相同条件下，旋转黏度增大，尤其PR.S掺量超过5%后黏度增加幅度较大。黏度越大混合料施工难度越大，以应力吸收层改性沥青黏度不大于4.5 Pa·s作为评判标准，复合改性沥青方案中橡胶粉掺量不宜超过21%； ②相同橡胶粉掺量条件下，随着橡胶粉掺量增大复合改性沥青软化点增大，橡胶粉和PR.S掺量均对复合改性沥青软化点有显著的影响，软化点越高复合改性沥青混合料高温稳定性越好，据此推断采用复合改性方案可提高应力吸收层的高温稳定性。 ③相同PR.S掺量条件下，随着橡胶粉掺量增大复合改性沥青-5 ℃延度呈二次函数关系增大，而PR.S掺量越大相同橡胶粉掺量情况下的延度越小，表明橡胶粉对PR.S改性沥青的低温性能有明显的改善作用，而PR.S掺量越大复合改性沥青低温抗裂性越差； ④相同PR.S掺量条件下，随着橡胶粉掺量的增大复合改性沥青弹性恢复率增大，橡胶粉掺量超过21%后弹性恢复率增大趋于稳定，此外相同橡胶粉掺量情况下，随着PR.S掺量的增大弹性恢复率虽有增大趋势，但是变化幅度较小。以弹性恢复率指标不小于65%作为评判指标，橡胶粉掺量不宜小于16%。 ⑤参考国内已有研究成果，用于应力吸收层的改性沥青材料一般要求[3]：软化点≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，177 ℃黏度3.0～4.5 Pa·s，25 ℃弹性恢复率≥65%，将图1试验结果与应力吸收层材料技术要求对比，同时考虑工程的经济性可优选出3种复配方案：复配方案Ⅰ(6%PR.S+22%橡胶粉)、复配方案Ⅱ(8%PR.S+22%橡胶粉)、复配方案Ⅲ(10%PR.S+20%橡胶粉)。

2 橡胶粉与PR.S复合改性沥青应力吸收 层混合料配合比设计

研究表明，砂粒式沥青混合料应力吸收层沥青结合料含量(质量分数)适中，且兼顾抗疲劳、常温抗拉强度高、低温抗裂性能强等优良路用性能[12，13]，本文试验选用实体工程中采用的AC-5砂粒式沥青混合料(混合料合成级配见表2)，采用Superpave体积设计法进行混合料配合比设计，为了方便与STRATA应力吸收层材料的路用性能进行对比，从山西某高速公路水泥路面加铺沥青路面施工现场提取了一定质量的STRATA应力吸收层材料用于对比试验。试验结果见表3。

表2 AC-5混合料合成级配Table2 AC-5mixturesynthesisgrading筛孔尺寸/mm95475236合成级配/%100935743规范要求/%10080～10060～851180603015007555740123114310340～7025～5515～358～206～14

表3 橡胶粉与PRS复合改性AC-5沥青混合料配合比设计结果Table3 RubberpowderandPRScompositemodifiedasphaltmix⁃tureAC-5mixproportion%改性沥青种类OACVVVMAVFA6%PRS+22%橡胶粉757151968738%PRS+22%橡胶粉7621219789910%PRS+20%橡胶粉76014201883STRATA应力吸收层78912205891技术要求—08～25>180>90

表3配合比设计结果表明: 3种复配方案下砂粒式沥青混合料各项体积指标均满足技术要求，且橡胶粉与高模量剂复合改性应力吸收层材料的体积指标与STRATA应力吸收层差别不大。

3 不同改性剂掺配比例应力吸收层混合料 路用性能

为确保复合改性沥青应力吸收层材料在使用过程中具有良好的高温稳定性，对比不同改性剂复配方案应力吸收层材料的高温稳定性，进而优选出最佳的橡胶粉与PR.S复配方案，采用车辙试验研究橡胶粉/高模量剂复合改性沥青应力吸收层材料的高温稳定性。应力吸收层材料主要功能之一就是阻止或延缓反射裂缝的发生和发展，这对应力吸收层材料自身的抗裂性提出了更高要求。按照现行施工规范要求采用低温小梁弯曲试验评价复合改性沥青混合料的低温抗裂性，车辙试验参数为：试验温度60 ℃，试验轮行走速率(42±1)次/min，试件尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×100 mm(高)。低温弯曲试验参数为：试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm。试验结果见表4、表5。

表4 车辙试验结果Table4 Ruttingtestresults改性沥青种类动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm22%橡胶粉103226548%PRS301219236%PRS+22%橡胶粉347618758%PRS+22%橡胶粉4341179310%PRS+20%橡胶粉49031765STRATA应力吸收层32371966

表5 低温弯曲试验结果Table5 Lowtemperaturebendingtestresults改性沥青种类抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με劲度模量/MPa22%橡胶粉11153879342874228%PRS11542309434996946%PRS+22%橡胶粉13175468682395768%PRS+22%橡胶粉136458655323188410%PRS+20%橡胶粉1358557668242109STRATA应力吸收层1329537691245536技术要求12～14≥4000—

车辙试验结果表明，随着高模量剂和橡胶粉掺量增大，复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度增大，60 min车辙变形量减小，高模量剂对应力吸收层混合料的高温性能起着决定性作用。比较不同橡胶粉和高模量掺量的应力吸收层车辙试验动稳定度大小：10%PR.S+20%橡胶粉>8%PR.S+22%橡胶粉>6%PR.S+22%橡胶粉>STRATA>8%PR.S>22%橡胶粉，可见采用橡胶粉与高模量剂复配方案可显著改善应力吸收层沥青混合料的高温稳定性，8%PR.S+22%橡胶粉、10%PR.S +20%橡胶粉两种复配方案具有较好的抗高温变形能力，其车辙试验动稳定度优于STRATA应力吸收层混合料。此外相比橡胶粉、PR.S高模量剂单一改性应力吸收层混合料，将橡胶粉和PR.S复配后应力吸收层混合料高温性能显著提高。

低温弯曲试验结果表明，8%PR.S+22%橡胶粉吸收层混合料的低温抗裂性能最优，6种应力吸收层材料的最大弯拉应变由大到小依次是8%PR.S+22%橡胶粉>10%PR.S+20%橡胶粉>6%PR.S+22%橡胶粉>STRATA>22%橡胶粉>8%PR.S，3种高模量剂与橡胶粉复配方案下的应力吸收层材料低温弯曲应变均大于5 000 με，且低温抗裂性能优于STRATA，可见采用高模量剂与橡胶粉复配方案所生产的应力吸收层混合料具有优良的低温抗裂性能。复合改性方案显著降低了沥青混合料的劲度模量，提高了混合料的低温抗裂性，这主要与RRM增强了沥青混合料的抗破坏强度，而橡胶粉改性剂增强了沥青混合料的释放荷载的能力和提高了柔韧性有关。

4 高模量剂与橡胶粉复合改性应力吸收层 混合料疲劳性能

应力吸收层材料在使用过程中起到了防水、粘结、应力吸收层的作用，由于半刚性基层和旧水泥混凝土板普遍存在裂缝和接缝，易于产生反射裂缝，严重影响了应力吸收层材料的使用寿命，为防止反射裂缝的发生和发展，应力吸收层材料自身需要有足够好的抗疲劳开裂性能。目前评价沥青混合料疲劳性能的试验方法有简支梁法、四点弯曲法、加速加载试验法、悬臂梁法、扭剪法、贯入剪切法、拉压法和三轴压力法等，加载方式有控制应力和控制应变两种形式[12-15]，每种疲劳试验方法都有其优缺点，其中四点弯曲控制应变疲劳试验方法过程中沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一，且试验方法可操作性强，对沥青结合料敏感性强。本部分疲劳试验采用中四分点加载弯曲试验法，加载模式为应变控制方式，按照现行沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011中的要求成型大车辙板试件，室温放置48 h后切割尺寸为400 mm×300 mm×80 mm小梁试件，在UTM疲劳试验机上采用三点加载方式，试验选用200、300、400、500，共4个应变水平，试验温度为15 ℃，疲劳试验数据(仅列举疲劳试验数据)及拟合结果见表6。

表6 疲劳试验结果Table6 Fatiguetestresults沥青结合料类型应变水平/με200300400500拟合方程22%橡胶粉579534193046527476210511y=5643×1016×(1/x)4301(R2=0987)8%PRS529534189046524476297511y=5535×1016×(1/x)4346(R2=0994)6%PRS+22%橡胶粉66878401165018337168128874y=5742×1016×(1/x)4289(R2=0987)8%PRS+22%橡胶粉82227981449937423264162868y=5755×1016×(1/x)4281(R2=0969)10%PRS+20%橡胶粉77581311362466396587152263y=5713×1016×(1/x)4291(R2=0987)STRATA应力吸收层69510521215296352631135055y=5694×1016×(1/x)4321(R2=0997)

表6试验结果表明：各应变水平下，6%PR.S+22%橡胶粉、8%PR.S+22%橡胶粉、10%PR.S+20%橡胶粉3种复配方案的沥青混合料疲劳性能相当，疲劳性能最好。相比橡胶粉、PR.S单一改性橡胶沥青应力吸收层材料，22%橡胶粉改性沥青和8%PR.S改性沥青混合料疲劳性能最差，可见高模量剂与橡胶粉复合改性沥青混合料的疲劳性能要优于橡胶粉、高模量剂单一改性沥青，且优于STRATA应力吸收层沥青混合料。

5 试验路验证

试验段选在内蒙古自治区克什克滕县某省际通道，公路等级为双向四车道高速公路，路面宽22.5 m，路线所在气候分区内，近30 a极端最低气温-37 ℃，一年有120多天平均气温低于0 ℃，低温开裂是该区半刚性基层沥青路面的主要病害。结合室内研究成果，课题组于2013年在K88+300～K89+500段水泥稳定碎石基层上加铺2 cm橡胶粉-高模量剂复合改性沥青应力吸收层+10 cm厚ATB-25沥青稳定碎石+8 cm厚AC-20C中粒式沥青混合料+5 cm SBS改性AC-16C，试验段总面积27 000 m2。2013年8月份施工完成后一直对试验段进行跟踪观测，近三年的路况检测结果表明，铺筑2 cm 8%PR.S+22%橡胶粉复合改性AC-5砂粒式沥青混合料应力吸收层的路段状况良好，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，且没有泛油等现象。加铺单一橡胶粉改性沥青应力吸收层和STRATA应力吸收层材料的路段则出现且有一定宽度的裂缝，说明高模量剂与橡胶粉复合改性应力吸收层具有很好的防反射裂缝发生的功能，由此可见，采用橡胶粉与高模量复合改性沥青应力吸收层延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

6 结论

① 研究了PR.S高模量剂和橡胶粉掺量对复合改性沥青旋转黏度(177 ℃)、软化点、延度(5 ℃)和弹性恢复率(25 ℃)的影响，以满足软化点≥75 ℃，5 ℃延度≥20 cm，135 ℃黏度≤3.5 Pa·s，25 ℃弹性恢复率≥65%为技术指标要求，优选出3种不同复配方案：复配方案Ⅰ(6%PR.S+22%橡胶粉)、复配方案Ⅱ(8%PR.S+22%橡胶粉)、复配方案Ⅲ(10%PR.S+20%橡胶粉)。

② 橡胶粉和高模量剂掺量对应力吸收层材料的路用性能和抗疲劳性能有显著的影响，采用橡胶粉和PR.S复配方案可充分沥青两种改性剂各自的技术性能优势，橡胶粉和PR.S复合改沥青应力吸收层材料的各项技术性能指标均可与STRATA应力吸收层材料相媲美，推荐最佳复配方案为8%PR.S+22%橡胶粉。

③ 6%PR.S+22%橡胶粉、8%PR.S+22%橡胶粉、10%PR.S+20%橡胶粉3种复配方案的沥青混合料综合性能优于STRATA应力吸收层混合料，经过试验路的应用，证明了橡胶粉和高模量剂复合改性沥青混合料作为应力吸收层式沥青路面防止反射裂缝的有效途径之一。

[1] 肖国平，王辉.LASTIKA-13沥青混合料级配设计与性能研究[J].公路工程，2015，40(4)：79-84.

[2] 朱磊，刘宁，韦武举，等.影响新旧路面联接层材料抗剪强度的影响因素分析[J].公路工程，2015，40(1)：121-125.

[3] 洪海，程培峰.HDPE-橡胶粉复合改性沥青应力吸收层混合料疲劳性能[J].哈尔滨工业大学学报，2014，46(12)：125-128.

[4] 卢雄强，王昌衡.土工布与玻璃格栅在旧水泥混凝土路面沥青罩面改造中的对比研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2003，30(3)：142-145.

[5] 张洪伟，周浩.橡胶颗粒沥青混合料破冰试验[J].合成橡胶工业，2011，34(4)：310-313.

[6] 高金岐，罗晓辉.沥青粘结层抗剪强度试验分析[J].北京建筑工程学院学报，2003，19(1)：765-711.

[7] 顾兴宇，马翔.CRCP板与沥青混凝土面层间粘结层材料试验研究[J].公路交通科技，2005，22(6)：14-17.

[8] 张肖宁，邹桂莲，王绍怀.旧混凝土路面上沥青加铺层的抗反射裂缝能力[J].华南理工大学学报：自然科学版，2001，29(8)：82-85.

[9] 符冠华.沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面的应用研究[D].南京：东南大学，2001.

[10] 耿巍，蒋玲.废橡胶改性RTFOT老化机理的红外分析[J].公路工程，2014，39(5)：122-126.

[11] 任瑞波，耿立涛.稳定型橡塑改性沥青混合料路用性能研究[J].公路，2015(7)：11-15.

[12] 王宏.聚酯纤维对TPS改性沥青及其混合料抗裂性能研究[J].公路，215(10)：209-213.

[13] 谭忆秋，石昆磊，朱峰.级配对应力吸收层沥青混合料性能的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2009，29(2)：33-36.

[14] 郑俊杰，阳宴.STRATA应力吸收层在我国的首次应用[J].公路交通科技，2003，20(3)：19-22.

[15] 郭朝阳.废胎胶粉橡胶沥青应用技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[16] 杨光，申爱琴.季冻区橡胶粉与SBS复合改性沥青混合料性能研究[J].长安大学学报：自然科学版，2015，35(6)：6-15.

Study on Technical Performance of PR.S and Rubber Powder Compound Modified Stress Absorbing Layer Asphalt Mixture

CHENG Mei

(Wuxi Vocational and Technical School， Wuxi， Jiangsu 214000， China)

in view of reflection cracking in semi-rigid base asphalt pavement and common problems in the old road paving renovation，in order to improve the crack resistance of stress absorbing layer materials，anti-rutting agent fatigue durability，prevent the emergence and development of reflection crack，this article will rubber powder with high modulus agent distribution，based on rutting，low temperature bending and quartile loading fatigue test was studied.The PR.s and rubber powder content of stress absorbing layer mixture high temperature stability，low temperature crack resistance and fatigue resistance，durability and will work with the influence of with STRATA stress absorbing layer mixtures are compared.Research results show that the same PR.S quantity of cases，increasing the rotate composite dosage of rubber powder modified asphalt viscosity increases a quadratic function relation，rubber powder and PR.S content have significant effects on composite modified asphalt softening point，rubber powder on PR.S low temperature performance of modified asphalt has obvious improvement effect；With softening point 75 ℃ or higher，5 ℃ ductility 20 cm，or 4.5 Pa·s，viscosity of 177 ℃ or less 25 ℃ elastic recovery rate 65% or greater as judging standard of optimizing the three different distribution，verified by laboratory test and test road to recommend the best compound with solution of 8% PR.S+20% rubber powder.Proved by experiments in the way of application of rubber powder and high modulus composite modified asphalt mixture as stress absorbed layer type is one of the effective ways to prevent reflection cracking of asphalt pavement，applicability has a wider area.

road engineering； rubber powder and high modulus composite modified asphalt mixture； stress absorbing layer； road performance； anti-fatigue performance

2016 — 04 — 28

程 梅(1980 — )，女，江苏无锡人，工程硕士，讲师，研究方向：道路桥梁方向。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0271 — 05