橡胶沥青碎石封层路用性能评价

伊美君

(松溪县交通建设质量安全监督站，松溪 353500)

大量的研究和工程实践[1-3]已然证实沥青路面中面层与基层间的结合质量是影响沥青路面使用寿命的重要因素之一，若两者之间结合质量不好，通车后易发生层间剪切滑移，产生推挤裂纹，在荷载及雨水的作用下，路面早期破坏频发。同时由于水泥材料的特性，半刚性基层极易产生温缩和干缩裂缝， 在车辆荷载和环境温度的耦合作用下，裂缝将不断向沥青层扩展，反射到路面形成反射裂缝，大大缩减了路面的使用寿命[4-5]。 因此，为了使路面多层组合体系具有良好的结构承载能力和耐久性， 针对沥青路面面层与基层层间处置新材料新技术的研究近年来一直是沥青路面领域的热点问题。

橡胶沥青碎石封层作为一种性能优异沥青路面功能层，可起到防水粘结、应力消减、以及延缓路面裂缝反射的作用[6]，近年来，在国内多项高速公路工程中铺筑了橡胶沥青碎石封层的试验路段， 可以说其表现出了较大的应用前景。 然而，目前针对于这一新型功能层，关于材料设计、 功能评价等方面还没有具体标准和和统一的试验方法， 本文将从抗剪性能和抗反射裂缝性能对其主要功能进行试验评价， 以其为后续福建省橡胶沥青碎石封层推广应用奠定试验基础。

1 试验

1.1 试验材料与试件制备

为模拟含橡胶沥青碎石封层的路面结构形式， 采用“水泥混凝板(厚5cm)+橡胶沥青碎石封层+沥青层(厚5cm)”的组合形式制备试件。水泥板采用秦岭牌425 号普通硅酸盐水泥，其物理力学性质如表1 所示。所用粗骨料为石灰岩，砂子为机制砂，设计得到水泥混凝土配合比如表2 所示。

沥青混合料的所用沥青为壳牌70#基质沥青，矿料为石灰岩，矿料级配分别按规范[7]AC-16 型推荐中值设计，按马歇尔法确定最佳油石比分别为4.9%，空隙率为4.5%。 壳牌70#基质沥青、橡胶沥青技术性能分别如表3 所示。

表1 水泥技术性能

表2 水泥混凝土配合比设计

表3 壳牌70# 沥青、橡胶沥青技术性能

1.2 测试方法

为评价橡胶沥青碎石封层的抗剪性能， 在25℃恒温环境箱中使用MTS 液压伺服试验机按位移控制模式(50mm/min)对试件(长宽高均为10cm 的正方体)进行斜剪试验。 原理如图1 所示，测试装置主要由加载板、承载板及滚轴组成，在竖向载荷作用下，上下两块加载板在水平方向产生相对滑动，由滚轴提供滑动的边界条件，加载板的相对滑动会在粘结层处产生剪切应力为[8]：

式(1)中，F 为试验过程记录的峰值荷载(N)，A 为试件防水粘结层面积(mm2)； 为剪切角度45°。

图1 斜向剪切试验原理

为评价橡胶沥青碎石封层的抗反射裂缝性能， 依托于MTS 液压伺服试验进行三点弯曲试验和应力控制疲劳试验， 原理如图2 所示。 两种试验方法的温度均为25℃。 单调加载弯曲试验的加载频率为50mm/min，得到弯拉强度σm评价橡胶沥青碎石封层的抗裂性能，其计算方法按式(2)进行计算。疲劳试验采用0.1σm和0.3σm两种应力水平(分别代表低应力和高应力)，采用正弦波形荷载进行加载，波峰为设定应力水平，波谷为10N，加载频率设定为10Hz。所用试件几何尺寸：总长250mm，宽50mm，高100mm，小梁由上下两层复合而成，下层是水泥混凝土板(高50mm)，中间锯缝的宽度是2mm，以模拟旧水泥混凝土路面的反射裂缝，中间层是橡胶沥青碎石封层，上层采用AC-16 沥青混合料。

式(2)中，σm为弯拉强度，Kt为应力集中系数；F 为破坏时刻荷载，L 为复合梁跨径200mm，B 为复合梁宽度50mm，h 为复合梁沥青层高度50mm。

图2 三点弯曲试验原理

2 试验结果与分析

2.1 抗剪切性能评价

优选橡胶沥青用量范围为0.9～1.8 kg/m2， 碎石洒布量范围为9～12m3/1000m2，进行全面试验(共16 组)，试验结果如表4 所示。

表4 斜剪试验结果

由表4 可知，橡胶沥青用量及碎石用量处于不同水平组合时，试验结果有明显差异，说明了斜剪试验具有良好的区分作用，可用于评价橡胶沥青封层的抗剪性能，同时7# 试验组的抗剪强度最高， 说明最优的组合为1.2kg/m2橡胶沥青用量和11m3/1000m2的碎石洒布量。 抗剪强度结果对橡胶沥青用量及碎石用量有明显的依赖性在于其层间破坏的机理， 试件受层间剪切应力的作用而发生失稳性破坏，可采用摩尔一库仑理论进行分析。 根据摩尔-库仑理论，认为材料的剪切强度特性符合公式(3)，即路面结构层间的抗剪强度主要由两部分组成： 一部分是摩擦力σtanφ，主要来源于碎石颗粒之间的摩擦与嵌挤作用；另一部分是粘结力C，与法向应力σ 无关，主要来自于层间材料橡胶沥青本身的粘结力以及沥青与碎石之间的粘结力。

式(3)中：τ为路面结构层间抗剪强度，C 为材料的粘聚力，MPa；σ 为外荷载产生的正应力，φ 为粘层结构的内摩擦角。

2.2 抗反射裂缝性能评价

为评价橡胶沥青碎石封层的抗反射裂缝作用， 分别对含优化后橡胶沥青碎石封层的复合梁(1.2kg/m2橡胶沥青用量和11m3/1000m2的碎石洒布量)和普通复合梁(层间以基质沥青粘结) 进行单调加载的弯曲试验和疲劳加载的弯曲试验，结果如表5 和6 所示。

由表5 可知，相比于普通复合梁，含橡胶沥青碎石封层的复合梁的抗拉强度有所提高， 但提升幅度为4%，并不明显， 这说明极限破坏模式下橡胶沥青碎石封层的抗裂性能提升作用并不显著。 路面中实际破坏模式通常是荷载反复作用下结构与材料的疲劳破坏， 所以进一步对表6 中结果进行比较， 可以看出两种复合梁在低应力水平下其疲劳加载次数更高，对于普通复合梁，应力水平降低后，试件的承载次数提高了13.5 倍，同样对于含橡胶沥青碎石封层的复合梁， 试件的承载次数提高了18.7倍，这也解释了公路限载的重要性。另外在相同应力水平下， 含橡胶沥青碎石封层的复合梁的承受荷载次数明显高于普通复合梁， 在低应力水平下， 提升幅度达到84.8%，在高应力水平下提升幅度达到35.5%，说明设置橡胶沥青碎石封层将显著提升路面结构的抗反射裂缝性能。

表5 复合梁抗拉强度结果

表6 复合梁疲劳作用次数结果

3 结论

通过斜剪试验和三点弯曲试验评价了橡胶沥青碎石封层的抗剪性能和抗反射裂缝性能，得出以下结论：

(1)橡胶沥青用量和碎石洒布量均会影响橡胶沥青碎石封层的抗剪性能，为获得最优抗剪性能，推荐采用1.2kg/m2橡胶沥青用量和11m3/1000m2的碎石洒布量的组合。

(2)相比于普通复合梁，含橡胶沥青碎石封层复合梁抗拉强度提升不多，但疲劳承载次数大幅提高，表明橡胶沥青碎石封层对于提升路面抗反射裂缝性能大有裨益。