应力吸收层用高黏高弹改性沥青性能研究及应用

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抗 黏 塑 弹 性 抗 性 变 疲 好 形 劳 能 性 力 能 强 良 好
性 能 特 点
二、高黏高弹改性沥青性能研究
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二、高黏高弹改性沥青性能研究 高黏高弹改性沥青制备
基质沥青 聚合物 外加剂 加工工艺
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原材 料 （基 质沥 青、 原材 改性 料之 剂、 间的 外加 配伍 改性 剂） 性 改性 工艺 选择 剂分 散形 态
温度变化——竖向运动
• 混凝土板厚度方向上的温度差使混凝土板翘曲， 接缝/裂缝处的沥青罩面层在竖向变形差的剪切 作用下，会在底部出现裂缝——竖向运动。
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一、研究背景
反射裂缝的产生和防治方法
反射裂缝产生的产生和发展
交通荷载作用——竖向运动
• 交通荷载作用在接缝/裂缝位置附近时， 除了应力集中外，缝两边的混凝土板对 加铺层产生剪切作用，其直接结果是引 发反射裂缝和加速裂缝的扩展。
沥青罩面 应力吸收层 水泥路面
接缝
接缝
设置应力吸收层罩面
传统罩面
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一、研究背景
为何选择应力吸收层？
防止水损害
罩面层裂缝偏移原水泥 板裂缝位置！
不渗透的应力吸收层
水 (水损害) 止于此
应力吸收层有助于填封裂缝
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一、研究背景
一、研究背景
应力吸收层沥青混合料组成：
由大量的细集料、矿料和特殊的高含量、高黏弹性的聚 合物改性沥青组成。其中，改性沥青用量一般在8.0%～ 10.0%，所占比重较大，起着黏结、润滑、密封作用。 改性沥青的好坏直接影响着应力吸收层改性沥青混合料 性能的优劣，也是能否实现混合料优良路用性能的保障。
第十五次全国石油沥青技术交流会，2016，合肥
应力吸收层用高黏高弹改性沥青 性能研究及应用
北京市政路桥建材集团有限公司 交通运输部行业研发中心 北京市市政路桥绿色建材工程技术研究中心
杨炎生
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2016年5月
汇报内容
一、研究背景 二、高黏高弹改性沥青性能研究 三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究 四、工程应用 五、结语
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
极端气候和交通的重载，对沥青路面带来了巨大的挑战， 为解决这些问题，纤维增强的沥青混合料越来越多的被应 用于路面工程中。 本次设计方案 普通型； 纤维增强型。
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
为增加该改性沥青混合料的施工和易性，使用了一定量的 天然砂。
高温性能 评价方法：震荡试验 评价指标：车辙因子
高黏高弹 原样 老化 SBS 原样
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64
70
76 2.209 2.731 70 1.821 3.094
82 1.725 2.304
88 1.602 1.380 76 1.693 2.381
94 1.263 1.002 82
100 0.911 0.709
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
最佳油石比确定——普通型（旋转压实50次）
沥青用量与VV、VMA关系 （G=25次）
沥青用量与VV、VMA关系 （G=50次）
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
最佳油石比确定——增强型（旋转压实100次）
沥青用量与VV、VMA关系
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增强型 2.391 2.368 1.0 20.7 95.7
普通型 2.402 2.378 1.0 20.2 95.1
技术要求 0.5-1.5 >17.0 >90
沥青饱和度（%）
三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
混合料设计结果
级配类型 各材料组成（ %） 玄武岩5-8mm 机制砂 天然砂 矿粉 增强型 6 62 30 2 0.3 9.0 2.368 普通型 6 62 30 2 — 8.8 2.378
只能采用“白+黑”的处治方案！
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一、研究背景
长安街西延工程特点
“白+黑”核心问题 防治反射裂缝 沥青层与水泥层黏结 路表水的下渗
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一、研究背景
一、研究背景 反射裂缝的产生和防治方法
反射裂缝产生的产生和发展
温度变化——水平运动
• 由于环境温度变化，混凝土板出现胀缩变形， 导致接缝/裂缝处的沥青罩面层产生应力集中。 • 如果道路所处地区气候条件比较严峻，则很快 会在沥青罩面层底部出现裂缝——水平运动。
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二、高黏高弹改性沥青性能研究
常规性能指标
高弹特性 评价指标：弹性恢复 3min变形恢复率(突出其快速恢复能力) 1h 变形恢复率
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二、高黏高弹改性沥青性能研究
常规性能指标
高弹特性 • 老化前后，两种沥青1h弹性恢 复率差别不大； • 老化前后，高黏高弹改性沥青 3min的弹性恢复均远大于常规 的SBS改性沥青，快速恢复能 力强，对于防止或延缓反射裂 缝的产生是非常有利的。
SBS改性沥青 S/MPa 228 315 m值 0.345 0.272 -
高黏高弹改性沥青PG82-34 普通SBS改性沥青PG76-22。
二、高黏高弹改性沥青性能研究
胶结料动态剪切流变特性
高温性能 评价方法：多重应力蠕变试验 评价指标：不可回复柔量Jnr
蠕变应力：0.1kPa
蠕变应力：3.2kPa
4.853 3.134 6.104 4.052 64 3.054 4.451
1.252 1.771
老化
二、高黏高弹改性沥青性能研究
胶结料动态剪切流变特性
高低温性能 评价方法：BBR试验
温度/℃ -12 -18 -24 -30
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高黏高弹改性沥青 S/MPa 91 208 418 m值 0.380 0.314 0.241
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二、高黏高弹改性沥青性能研究
常规性能指标
低温性能 评价指标： 5℃延度
高黏高弹改性沥青5℃延度明显大于常规SBS改性沥青； 高黏高弹改性沥青老化后的5℃延度基本没有损失。
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二、高黏高弹改性沥青性能研究
动态剪切流变特性
DSR
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PAV
BBR
二、高黏高弹改性沥青性能研究
动态剪切流变特性
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
低温性能
评价方法 小梁弯曲试验 ——常用的方法。 低温等速拉伸试验 ——测试抗拉伸的能力，着重评价沥青对混合料低温抗拉 特性的影响。
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B
三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
低温性能
评价方法:小梁弯曲试验
• 应力吸收层材料具有较大的弯拉 应变；普通型最大弯拉应变为 7343，而增强型可达8351，具有 明显高于普通沥青混合料的抗开 裂能力。 • 增强型的最大破坏荷载、最大 破坏挠度、抗弯拉强度和劲度 模量都有一定程度的增大，这 说明，聚酯纤维的加入能够改 善应力吸收材料的低温抗开裂 39 能力。
聚酯纤维用量（%） 最佳沥青用量（%） 毛体积相对密度
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
高温性能
评价方法 应力吸收层在裂缝位置受到较大剪应力 单轴贯入剪切试验 在试件上通过钢压头进行加压 压头小，与路面受力状态较为一致。 试验条件：温度60℃ 加载速率1mm/min
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聚酯纤维用量（%） 最佳沥青用量（%） 毛体积相对密度
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
混合料设计结果
级配类型 各材料组成（ %） 玄武岩5-8mm 机制砂 天然砂 矿粉 增强型 6 62 30 2 0.3 9.0 2.368 普通型 6 62 30 2 — 8.8 2.378
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一、研究背景
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一、研究背景
水泥路面现状
水泥路面强度高、造价低 上世纪90年代发展迅速 经过多年使用，接近寿命末期 舒适性差，噪音大，维修养护困难
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一、研究背景
水泥路面现状
水泥加铺改造既是热点又是难点 常用措施： 加铺水泥面层 直接加铺沥青面层（白+黑） 破碎水泥板后加铺沥青面层（白改黑）
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一、研究背景
反射裂缝的产生和防治方法
防治方法
加厚沥青层——标高受限、不经济 土工织物/格栅 ——无法抵御荷载的剪切作用，效果差、施工难度大 应力吸收层 ——消散应力、—防止路表水下渗
一、研究背景
为何选择应力吸收层？
防止反射裂缝
在较大面积上 产生应力 应力吸收层柔韧性改 变了应力传递方向 在裂缝/接缝处 集中的应力
B
三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
低温性能
评价方法:低温等速拉伸试验 拉伸速度：5mm/min 试验温度：-10℃
类型 普通型 增强型 最大拉伸应力/MPa 2.291 2.392 最大拉伸应力时的位移/mm 0.91 1.70
在最大拉伸应力时的位移值分别为0.91和1.70，增强型的 韧性明显增强，能够承受更大的位移变形。
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两个应力水平下，高黏高弹改性沥青的回复性能好于SBS改 性沥青，且高黏高弹沥青老化前后回复性能损伤较小。
二、高黏高弹改性沥青性能研究
胶结料动态剪切流变特性
高、低温性能 评价方法：多重应力蠕变试验 评价指标：蠕变回复率R
100 95
100 95
R@0.1kPa/%
R@3.2kPa/%
90 85 80 75 56
高黏高弹改性沥青
关 键 技 术
二、高黏高弹改性沥青性能研究
研究重点
常规性能指标 ——高黏特性、高弹特性、低温性能 动态剪切流变特性 ——高温性能、低温性能、疲劳性能
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二、高黏高弹改性沥青性能研究
常规性能指标
高黏特性
评价指标：动力黏度 • 高黏高弹改性沥青70℃动力 黏度，远大于常规的SBS改性 沥青，80℃的动力黏度出现 了同样的规律。 • 这说明其抗高温变形能力要 远大于常规的SBS改性沥青。
蠕变应力：3.2kPa
两个应力水平下，高黏高弹改性沥青的回复性能好于SBS改性
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沥青，且高黏高弹沥青老化前后回复性能损伤较小。
二、高黏高弹改性沥青性能研究
胶结料动态剪切流变特性
疲劳性能 评价指标：疲劳因子
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两个温度下，高黏高弹改性沥青的抗疲劳性能好于 SBS改性沥青。
三、高黏高弹改性沥青混合料 路用性能研究
三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
高温性能
试验结果
类别 普通型 增强型 抗剪强（MPa） 0.27 0.36 竖向应力值（MPa） 荷载极值（kN） 0.16 0.19 2.18 2.64
悬浮结构，胶结料的性能成为混合料抗剪切变形的关键。 增强型应力吸收层混合料的抗剪强度、竖向应力值以及荷 载极值均比普通型要大，后者约为前者的1.3倍；
高粘高弹改性沥青 老化前 高粘高弹改性沥青 老化后 SBS改性沥青 老化前 SBS改性沥青 老化后
90 85 80 75 56
高粘高弹改性沥青 老化前 高粘高弹改性沥青 老化后 SBS改性沥青 老化前 SBS改性沥青 老化后
60 64 68 72 76
60
64
68
72
76
温度/℃
温度/℃
蠕变应力：0.1kPa
（G=25次）
沥青用量与VV、VMA关系 （G=100次）
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
配合比设计
最佳油石比确定 以旋转压实100次（增强型）和50次（普通型）的空隙率 范围中值为目标空隙率确定最佳沥青用量，同时其他指标 及旋转25次的体积指标应满足相应的技术要求。
指标 最大理论相对密度 毛体积相对密度 空隙率（%） 矿料间隙率（%）
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三、高黏高弹改性沥青混合料路用性能研究
水稳定性
应力吸收层混合料的沥青含量高、空隙率较小，具有密实 、封水的作用，故水稳定性较好。
增强型 冻融试件 未冻融试件 普通型 冻融试件 未冻融试件
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试验荷载（kN） 6.75 0.46 试验荷载（kN） 6.67 0.44
劈裂强度（MPa） 7.21 0.49 劈裂强度（MPa） 7.2 0.48
冻融劈裂强度比 TSR（%） 93.6 冻融劈裂强度比 TSR（%） 91.7
应力吸收层混合料的水稳定性优异，普通型和增强型差别 不大。
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一、研究背景
长安街西延工程特点
长安街西延（南礼士路～五棵松桥）路面沥青面层反射裂 缝严重，面层下混凝土板缝破损严重，行车颠簸感明显， 舒适性较差。
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一、研究背景
长安街西延工程特点
长安街西延（南礼士路～五棵松桥）路面沥青面层反射裂 缝严重，面层下混凝土板缝破损严重，行车颠簸感明显， 舒适性较差。 长安街西延道路主路路面结构为地铁线路的水泥混凝土高 强防爆层，不能破碎和挖除。