刚性基层抗裂材料开发与温度敏感性研究

焦 艳 红

(屯留县交通运输局，山西 屯留 046100)



刚性基层抗裂材料开发与温度敏感性研究

焦 艳 红

(屯留县交通运输局，山西 屯留 046100)

为增加刚柔复合式路面耐久性，以高温软化点和低温延度为指标，开发刚性基层抗裂材料，测试了抗裂材料的基本性能，分析了材料组成、比例对抗裂材料的低温柔韧性和高温稳定性的影响，为抗裂材料的应用奠定基础。

道路工程，抗裂材料，温度敏感性，刚性基层

以贫混凝土、水泥混凝土或连续配筋水泥混凝土等刚性材料为基层上覆盖沥青混凝土的复合式路面，能充分利用刚性基层材料抗冲刷性好、强度高、承载力大和整体性好等优点，沥青混凝土作为罩面提供了一个摩阻系数较高、平整度好的表面层，成为“刚柔相济”复合式路面，大大改善了路面的行车舒适性和使用性能[1]。但在干缩应力、温度应力和荷载应力的共同作用下，刚性基层的裂缝很容易向上扩展，不采取措施将出现比半刚性基层沥青路面更为严重的反射裂缝[2-5]。前期研究表明，影响复合式沥青路面耐久性依然是反射裂缝问题，复合式路面的核心技术之一是设置合理的抗裂层，反射裂缝问题同样也制约了复合式沥青路面结构的推广应用[6]。从运营的情况看，满铺应力吸收层的方法虽然在延缓、预防反射裂缝方面效果显著，但工程造价较高；铺设聚酯玻纤布、抗裂贴等措施，延缓反射裂缝效果不够理想[7,8]。因此，研发一种较好的层间抗裂材料并深入探究其应力吸收机理，对延长刚柔复合式路面的使用寿命具有重要的意义。

本文为提高刚柔复合式路面耐久性，以高温软化点和低温延度为指标开发刚性基层抗裂材料，将全面测试抗裂材料的基本性能，系统分析材料组成、比例对抗裂材料的低温柔韧性和高温稳定性的影响，为刚柔复合式路面更加耐久的应用奠定基础。

1 实验

1.1 原材料

1)基础沥青。本文所用的沥青为SK70号基质沥青，按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程的试验方法测试基质沥青的各项指标如表1所示，其各项指标均符合JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范的要求。

表1 基质沥青的基本指标

2)改性剂。

a.高分子延展型改性剂。本文选用的高分子延展型改性剂为SBS-1301线型，作为建筑沥青和道路沥青的改性剂可明显改进沥青的耐候性和耐负载性能。SBS技术指标见表2。

表2 SBS技术指标

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

3)助剂。本文采用的助剂是一种低分子量非晶态的共聚物，由丙烯、乙烯为原料聚合而成。其具有较好的耐水性能，能够提高沥青材料的高温、低温性能，增强沥青材料的粘结性能，广泛用于防水卷材中。

4)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。

1.2 试验方法

1)基本性能试验。基本性能试验参照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程的规定对改性沥青材料进行针入度、软化点、延度、离析、老化等试验。

2)低温柔韧性试验。参照GB T328.14—2007建筑防水卷材试验方法中沥青防水卷材—低温柔性方法进行试验，参照GB 23441—2009自粘聚合物改性沥青防水卷材采用冷弯温度评价其低温性能。

3)高温稳定性试验。参照GB T328.11—2007建筑防水卷材试验方法中沥青防水卷材—耐热性方法进行试验，并结合上层沥青混合料施工终压温度以及沥青层工作环境进行高温性能评价。

2 结果与讨论

2.1 抗裂材料开发

选择SBS和胶粉单一材料加入到沥青中，并添加适量助剂和填料，进行以软化点、延度为指标的温变性能试验。结合高、低温性能初选胶粉或SBS作基础添加剂，并添加另外一种材料，确定抗裂材料配比。试验结果如图1～图6所示。

从图1，图2可以看出，随着掺量的增加，改性沥青的软化点、延度都有不同程度的增加，其变化规律基本一致。其中SBS改性沥青的高温性能、低温性能提升能力最强，相比而言胶粉对高温耐温变性能提升性能不明显。因此，选择SBS为抗裂材料的基础添加剂，后续将以SBS掺量8%，12%和16%为基础添加胶粉，进行以软化点、延度为指标的温变性能试验。

从图3，图4可以看出，胶粉对SBS改性沥青高温软化点有一定的提高功效，随着SBS含量的增加，胶粉对SBS改性沥青的高温性能影响逐渐减小，而延度呈现先增大后减小的趋势。考虑材料的抗高温耐温变性能确定SBS∶胶粉∶沥青(8∶30∶100～12∶30∶100)为优选配比。后续将添加4%的助剂，研究填料对抗裂材料的性能影响规律，确定抗裂材料配比。

从图5，图6可直观看出，填料对复合沥青材料的高温性能有明显的改善作用，填料用量增加，则复合改性沥青的软化点逐渐提升，在用量大于30%后有减缓的趋势；而复合沥青材料的低温延展性能逐渐降低。原因在于填料的加入致使部分沥青粘结料裹覆于其表面，沥青材料之间的连接基团减少，故其延展性能逐渐降低。结合施工需求，确定抗裂材料优选配比为A(8∶30∶30∶100)和配比为B(12∶30∶40∶100)。

2.2 抗裂材料基本性能研究

刚性基层抗裂材料是由沥青、SBS改性剂、胶粉、填料等按一定比例配置而成的聚合物改性沥青材料，按照JTG E20—2011公路工程沥青与沥青混合料试验规程对优选配比A和B进行基本性试验，试验结果如表3所示。

表3 抗裂材料基本性能

从表3可以看出，两种优化配比的抗裂材料的基本性能都维持在较高的水平，满足中华人民共和国交通运输行业标准JT/T 798—2011公路工程—废胎胶粉橡胶沥青的技术性能要求。相比较而言，配比A的相关性能优于配比B，短期老化后，两种配比的抗裂材料性能相差不大。

2.3 抗裂材料低温柔韧性能研究

抗裂材料在低温环境下延展性明显下降，并具有一定的脆性。然而，刚性基层并没有因为气温下降而轴载减小。对优选配比A和B进行低温柔韧性能研究。试验结果如表4所示。根据同济大学谈至明教授的研究结论为在加铺层10 cm以下的抗裂材料所处深度的极限温度为-10 ℃。

表4 不同沥青材料的低温柔韧性能

通过表4可以看出，掺量大于4%的SBS改性沥青均满足低温性能的要求，抗裂材料也均满足低温性能的要求。为直观的分析各因素对抗裂材料低温性能的影响，将其分类绘制直观图进行系统说明，如图7，图8所示。

从图7可以看出，随着SBS掺量的增加沥青材料的抗低温性能逐渐提高，并且低温性能的渐变率逐渐下降。很明显，SBS加入沥青增强了材料的延展性能，在低温环境下改性沥青的脆性表现逐渐不明显。结合图8延度试验结果分析：SBS的加入使得沥青内聚力增加，表面分子间的粘聚力增加，在低温环境下任意方向的变形，拉应力均能够较好的缓和，宏观表现为低温抗弯性能增强。各材料成分中，橡胶起到增加弹性的作用，而填料起到填充空隙、增加骨架及抗压的作用，所以橡胶及填料对沥青的低温性能的改善均建立在SBS改性沥青的基础上。

2.4 抗裂材料高温稳定性能研究

为研究抗裂材料在上层沥青混凝土施工过程中的高温稳定性能，对优选A和B进行高温稳定性能试验，试验结果如表5所示。考虑沥青混合料在铺筑过程中，由摊铺到碾压完成这个过程中沥青混合料温度的变化，根据长沙理工大学郑健龙教授及孙洁《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，认为有效压实时间30 min内，6 cm沥青混合料的温度可降低到110 ℃。

表5 不同沥青材料的高温稳定性能

为直观的分析各因素对抗裂材料高温性能的影响，将其分类绘制直观图进行系统说明，如图9，图10所示。

从图9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，并且耐热性能的渐变率逐渐下降。加热60 min，SBS掺量的增加对耐热性能的提高逐渐不明显。表明在长时间的加热状态下，高温性能较强的沥青材料也会发生软化，耐热性能逐渐下降。SBS加入沥青中在结构上加固了沥青的稳定性，在长时间的高温状态下，能量逐渐累积，沥青中局部稳定性下降，轻组分逐渐流淌，SBS对沥青的结构稳定作用逐渐降低，故耐热性能下降。在上层沥青混合料摊铺、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为时限分析抗裂材料的耐热性能。

从图10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抗裂的耐热性能具有直接作用。

3 结论

1)开发了用于刚性基层裂缝控制的沥青材料，能够在较高的温度下保证不软化，在低温环境下不发生脆性破坏。且满足我国相关行业标准的技术要求。

2)SBS掺量的增加使沥青材料的低温柔韧性、高温稳定性逐渐提高，并且低温性能的渐变率逐渐下降。在SBS改性沥青中添加橡胶、填料对沥青材料的低温性能的影响规律一致。

[1] 袁玉卿，高丹盈，王选仓，等.SBS改性沥青应力吸收层防裂机理及其效果分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(5)：969-973.

[2] 高俊启,季天剑.橡胶沥青应力吸收层力学与疲劳性能研究[J].实验力学,2009,24(4):341-346.

[3] 刘志胜，刘志岗，张 翛，等.刚柔复合式路面裂缝反射预防技术研究进展[J].材料导报，2016，30(2)：86-90.

[4] 谭忆秋.高粘性沥青应力吸收层防治反射裂缝研究[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(2):241-245.

[5] 贺孟霜.道路石油沥青结构行为与性能表征[D].西安：长安大学,2013.

[6] 王朝辉，董 彪，高志伟，等.无机阻燃改性沥青结构表征及阻燃机理研究[J].功能材料，2014，45(13)：13045-13050.

[7] 谈至明,马正军,邹晓翎.基于路表实测温度的路面温度场估计模型[J].同济大学学报,2013,41(5)：701-705.

[8] 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[D].长沙：长沙理工大学，2009.

The rigid base anti-crack material development and temperature sensitivity research

Jiao Yanhong

(TunliuTrafficTransportBureau,Tunliu046100,China)

In order to increase the durability of rigid soft composite pavement, taking the high softening point and low temperature ductility as the index, developed the rigid base anti-crack material, tested the basic performances of anti-crack materials, analyzed the influence of material composition, ratio to the low temperature flexibility and high temperature stability of anti-crack material, laid foundation for the application of anti-crack materials.

road engineering, anti-crack material, temperature sensitivity, rigid base

1009-6825(2016)11-0117-04

2016-01-23

焦艳红(1975- )，女，工程师

TU502

A