橡胶沥青应力吸收层研究进展

2019-02-14刘广

山西交通科技 2019年4期

刘广

（山西省公路局晋城分局，山西晋城 048000）

0 引言

随着经济的发展，我国路网也得到了快速发展，过去三十年间我国大力发展基础建设，作为目前运输重要方式之一的高速公路，发展最为完善。经过长期实践，沥青路面由于舒适性好、表面平整无接缝、噪声低、养护方便等优点得到了大力发展。但是随着沥青路面运营年限的增加,经常发生裂缝、坑槽、车辙等病害。目前在旧路面的升级改造和新路面的建设中，橡胶沥青应力吸收层得到了广泛的应用[1]。该技术兼顾了经济性和使用性能的同时，还具备施工便捷、适应性强等特点[2]。

然而目前公路建设人员对橡胶沥青应力吸收层的认识和了解有限，对于橡胶沥青应力吸收层在抗反射裂缝方面的作用机理和力学性能缺乏足够的认识。本文从橡胶沥青的材料、研究方法、应用效果验证及目前的研究进展方面展开论述，全面分析了橡胶沥青应力吸收层的优势，可为后续公路建设提供借鉴。

1 橡胶沥青应力吸收层发展历程与研究现状

橡胶沥青作为应力吸收层最早出现在20世纪60年代，美国公路工程师Charles H.Mac Donald将废胶粉与沥青在高温下混合后制备出了最初的橡胶沥青，并将所制备的橡胶沥青用于道路养护中[3]。南非和北美等国家对橡胶沥青应用非常广泛，也是最早尝试将橡胶沥青作为防水黏结材料用于路面建设的[4]。经过南非等国家的研究及实践应用表明，橡胶沥青应力吸收层替代水稳层与沥青面层中间的稀浆封层后，可有效延长路面的使用寿命，延长路面的养护周期，由于橡胶沥青应力吸收层介于水泥稳定层与沥青面层中间，可以一定程度上降低沥青面层的厚度[3，5]。将该技术应用到了旧路面的改造工程中，也可以有效延缓反射裂缝的出现，延长了改造路面的周期，降低了建造成本。现有研究表明，经过加铺橡胶沥青应力吸收层，对于原路面使用寿命延长有较显著的效果。

2000年后，橡胶沥青受到科研工作者的关注。郑健龙等[6]研究了特定时间内温度变化对温缩型反射裂缝的影响规律，并在此基础上得出了温度变化的速度和幅度对裂缝的发展有着重要的影响。杨洋等[7]研究了橡胶沥青应力吸收层在抑制路基反射裂缝应用效果，在室内模拟了水泥混凝土与沥青混合料叠加的典型“白加黑”结构，在两层之间设置了橡胶沥青应力吸收层，模拟工程应用中水泥混凝土加铺沥青面层，分析了橡胶沥青应力吸收层在抗反射裂缝方面的工艺条件和方法，研究了橡胶沥青应力吸收层对加铺结构抗裂性能的影响。

近年来，随着橡胶沥青应力吸收层在裂缝防止方面的优异表现，逐渐地被用于各种路面的裂缝防治工作中。2009年，宁夏的中孟高速中卫段在基层上铺筑了橡胶沥青应力吸收层试验段[8]；泗许高速为安徽省第一条大规模应用橡胶沥青应力吸收层的高速公路[9]；2010年，荣乌高速公路烟台绕城，铺筑了2 cm厚橡胶沥青应力吸收层试验路。以上工程均取得了良好的效果。2011年该高速亳州段在基层顶部采用橡胶沥青应力吸收层以代替常见的稀浆封层材料；深汕高速也在K279—K280段进行了橡胶沥青应力吸收层试验段的铺筑[10]。

目前作为橡胶沥青应力吸收层的材料主要是以废旧胶粉改性基础石油沥青为基础，然后进行的进一步改性和性能提升，改性剂有链接剂（TOR）、废旧胶粉活化处理等。

20世纪70年代以后，欧美发达国家开展了橡胶沥青的广泛应用研究，尤其以南非、美国研究的最为深入。经过多个国家的试验段验证和服役后期的使用性能研究发现，橡胶沥青黏结强度高、耐久性好、路面的使用舒适性优于普通沥青路面，且具有良好的路面防水性能，废旧胶粉改性沥青路面使用寿命是纯沥青路面使用寿命的两倍以上，主要是提高了沥青路面的高温性能和低温抗裂性，还可以显著地提升橡胶沥青的高低温抗变形能力，这是普通沥青或普通改性沥青所不具备的。正是由于橡胶沥青的优异性能，逐步地得到了许多国家的认可，并开展了大规模的应用。

而橡胶沥青由于黏度高使得拌和和改性的温度也相应地提高，研究者为了解决橡胶沥青拌和温度高等问题，逐步开展了降低橡胶沥青黏度的技术开发，包括增加发育时间、添加改性剂、活化废旧胶粉等。

美国于1998年开始使用橡胶链接剂TOR作为改性剂，进一步提升了橡胶沥青的抗剥落性能；国内张子宏等[11]研究者开展了活化剂对橡胶沥青性能的研究，利用不同结构的含硫塑解剂对胶粉活化再生，通过再生胶制备出了硫化胶，研究了橡胶沥青的性能变化，研究结果显示活化剂中苯环上官能团含量的增加有利于再生胶和硫化胶的生成。

很多研究者将上述的活化脱硫技术和交联反应技术引入了橡胶沥青的制备当中，制备出了性能优异的橡胶沥青，并将其应用到了应力吸收层中，取得了不错的应用效果[12]。

2 橡胶沥青应力吸收层应用领域

目前橡胶沥青应力吸收层主要用于3个方面：a）旧水泥混凝土路面改造，即“白+黑”路面改造工程；b）新建高速公路，用于替代现在用于水泥稳定层与沥青面层中间铺设的稀浆封层；c）用于替代桥面防水黏结层，铺设于桥面水泥混凝土与桥面沥青混合料之间。

根据橡胶沥青应力吸收层的应用领域不同，所起的作用也有所不同。第一，水泥路面改造加铺沥青路面工程，橡胶沥青应力吸收层的作用主要是起到承上启下的作用，即将无机的水泥混凝土与有机的沥青混合料黏结，保证加铺层与旧路面有更好的整体性，防止加铺的沥青路面发生推移拥包等病害。第二，橡胶沥青应力吸收层在新建高速公路中替代稀浆封层，作用类似于第一种情况，起到了将沥青路面与水泥稳定层黏结在一起，同时防止水分渗透到水泥稳定层及路基，同时延缓了水泥稳定层和路基裂缝反射到沥青面层的时间。第三，橡胶沥青应力吸收层应用于桥面防水，主要是防止水分渗透到桥面上，对桥梁内部钢骨架造成腐蚀，防止桥梁早期损害，也起到了承上启下的黏结作用，将路面的应力均匀地分散到桥面[13]。

3 橡胶沥青应力吸收层设计方法

目前在橡胶沥青的设计方法中主要为：空隙填充理论、有限元分析、经验法。

空隙填充理论法，其理论基础就是Hanson的空隙填充理论法，该设计方法采用骨料堆密度、集料空隙率和集料吸水率，并依据骨料尺寸和扁平指数计算出应力吸收层所需的碎石最小尺寸，设计过程还会考虑已运营的路面参数、交通通行量、路面破损状况、骨料嵌固结构等多个因素，最后采用相关公式确定最佳的骨料撒布量和沥青结合料用量[14]。

软件分析法，目前的软件分析方法中有静力平衡法、断裂力学法和有限元分析法。其中有限元分析法在工程应用最为广泛，有限元分析法是利用有限元计算软件，借鉴现实中的工程实践经验，利用数学近似的方法对应力吸收层的应力特性进行模拟，通过模拟加铺结构的应力特点，分析研究沥青加铺层结构参数、应力吸收层参数、应力吸收层模量对加铺底层荷载应力、应力吸收层底部荷载应力的影响。通过有限元分析可以模拟不同的沥青混合料加铺层、基本情况、车辆行驶速度等参数得到应力吸收层的结构受力行为，分析应力响应情况进行分析，得出应力吸收层与旧路面之间力学相应的关联关系，明确在动态荷载作用下应力吸收层的结构受力行为，以及应力吸收层对路面结构受力影响的关系[15]。

经验法是最常用的橡胶沥青应力吸收层设计施工的方法之一。该方法结合实际工程经验与施工要求，确定出了橡胶沥青的用量、石料用量、石料规格及橡胶沥青的性能指标，由经验丰富的道路工程技术人员根据实际施工需求和经验，初步确定施工参数，然后通过小范围施工观察施工效果是否满足设计要求，逐步调整，确定最终的施工参数[16]。

4 橡胶沥青应力吸收层试验方法

为了更好地分析橡胶沥青应力吸收层的作用机理，很多科研工作和在室内模拟不同应用场景下的橡胶沥青应力吸收层应用效果。主要是利用疲劳试验机，按照实际使用情况制备试件，然后分析不同情况下加铺橡胶沥青应力吸收层的结构与未加铺橡胶沥青应力吸收层的结构之间的抗疲劳性能，进而宏观地得到橡胶沥青应力吸收层反射裂缝方面的作用效果。

5 橡胶沥青应力吸收层研究热点

目前关于橡胶沥青应力吸收层的研究主要有以下几方面：a）降低橡胶沥青应力吸收层的施工温度；b）提升橡胶沥青储存稳定性，减少离析温差；c）进一步提升橡胶沥青应力吸收层的抗反射裂缝性能。

其中，降低橡胶沥青应力吸收层的施工温度和提升橡胶沥青存储稳定性是目前橡胶沥青应力吸收层的热点研究方向。降低橡胶沥青的施工温度到普通改性沥青的温度范围，可以极大地降低橡胶沥青的施工难度，有助于橡胶沥青在道路建设的全面应用，有着战略性的意义。而提升橡胶沥青的存储稳定性，降低离析温差可以降低施工成本，改善施工和易性，避免了长期存储导致橡胶沥青严重离析进而导致工程质量不稳定。