橡膠瀝青在河西地區(qū)養(yǎng)護(hù)維修工程中的應(yīng)用

王斌

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730030)

橡膠瀝青在河西地區(qū)養(yǎng)護(hù)維修工程中的應(yīng)用

王斌

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730030)

甘肅河西地區(qū)高速公路的主要病害為裂縫,經(jīng)過鉆芯取樣發(fā)現(xiàn),橫縫多是自下而上發(fā)展的反射型裂縫,縱縫多為自上而下發(fā)展的疲勞型裂縫。本文通過分析裂縫產(chǎn)生的原因,提出采用橡膠瀝青混凝土結(jié)合橡膠瀝青碎石封層的結(jié)構(gòu)對(duì)原路面進(jìn)行處治,防止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展和破壞。

橡膠瀝青 橡膠瀝青碎石封層 改性機(jī)理 路用性能 模量

我國已經(jīng)于2008年頒布了橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)指南，國內(nèi)各省份也進(jìn)行大量的工程實(shí)踐，實(shí)體工程包括了高速公路、國省干線等，已經(jīng)基本掌握了橡膠瀝青的成套技術(shù)。四川省、江蘇省等單位相繼從事橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用與研究。到2013年，我國已在包括湖北滬蓉西高速、京承高速公路等多條條左右的公路上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，跨越了6個(gè)典型氣候分區(qū)，取得良好的效果。橡膠瀝青是先將廢舊輪胎原質(zhì)加工成為橡膠粉粒，再按一定的粗細(xì)級(jí)配比例進(jìn)行組合，同時(shí)添加多種高聚合物改性劑，并在充分拌合的高溫條件下(180℃以上)，與基質(zhì)瀝青充分熔脹反應(yīng)后形成的改性瀝青膠結(jié)材料。橡膠瀝青是符合國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向和服務(wù)于建設(shè)和諧社會(huì)目標(biāo)的新型道路建筑材料，推廣應(yīng)用的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文主要介紹橡膠瀝青在處治甘肅河西地區(qū)高速公路中裂縫病害的適用狀況及設(shè)計(jì)方法。

表1 路用橡膠粉的物理技術(shù)指標(biāo)

表2 路用橡膠粉的化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

表3 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 斷級(jí)配橡膠瀝青混合料ARHM13(W)級(jí)配范圍

表5 ARHM13(W)設(shè)計(jì)級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表6 瀝青混合料體積性質(zhì)表

表7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

1 概述

1.1 河西地區(qū)裂縫產(chǎn)生的理論原因

由于行車荷載的作用而發(fā)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，在車輪荷載作用下，半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層的底部就會(huì)很快開裂。在行車荷載的反復(fù)作用下，底部的裂縫會(huì)漸漸擴(kuò)展到上部，并引起瀝青面層也產(chǎn)生開裂。影響拉應(yīng)力的主要因素有面層材料、厚度；基層本身的厚度；基層的回彈模量和下承層的回彈模量。

表9 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度

表10 滲水系數(shù)

表11 礦料配合比

表12 合成級(jí)配通過率

表13 混合料設(shè)計(jì)體積指標(biāo)

表14 封層集料要求

1.2 河西地區(qū)裂縫的種類

(1)低溫裂縫。甘肅河西走廊地區(qū)冬季極端氣溫-31.6℃。由于瀝青混合料低溫勁度的影響，當(dāng)氣溫下降時(shí)，瀝青材料逐漸發(fā)硬并開始收縮，由于瀝青面層在路面中是受到約束的，面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變，瀝青面層就會(huì)開裂。

(2)溫度疲勞裂縫。該地區(qū)處于戈壁沙漠地區(qū)晝夜溫差大，由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青面層溫度應(yīng)力疲勞，使瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變能力變小。加上瀝青的老化使瀝青的勁度增高，應(yīng)力松弛性能降低，最終達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，使路面產(chǎn)生開裂。

(3)半剛性路面的反射裂縫。甘肅河西地區(qū)的高速公路在建設(shè)期間，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念及建設(shè)資金限制，基層底基層主要采用水泥穩(wěn)定砂礫結(jié)構(gòu)。在混合料的生產(chǎn)過程中，由于天然砂礫級(jí)配的變化，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的混合料級(jí)配不能滿足要求。在環(huán)境的影響下，形成溫縮、干縮裂縫。而瀝青路面較薄(多為12cm厚)，半剛性基層的裂縫會(huì)由于溫度應(yīng)力而使瀝青結(jié)構(gòu)層的底面開裂，并較快形成反射裂縫。一般路段橫向反射裂縫間距為20～50m，而河西地區(qū)高速橫向反射裂縫間距為3～5m。

2 橡膠瀝青混凝土ARHM13(W)配合比設(shè)計(jì)

2.1 橡膠粉

2.1.1 橡膠粉的選擇

(1)橡膠粉宜選用常溫研磨粉碎的斜交胎橡膠粉或含天然膠含量較高的膠粉，并應(yīng)滿足相應(yīng)的物理、化學(xué)指標(biāo)。

(2)在保證易于碾壓成型，同時(shí)滿足使用性能要求的前提下，可盡量選用較粗的橡膠粉，宜選擇30～80目之間的路用廢舊輪胎。

(3)最大粒徑小于2mm的級(jí)配廢胎膠粉也可以使用，同時(shí)應(yīng)滿足相應(yīng)的物理、化學(xué)指標(biāo)。

2.1.2 橡膠粉的物理指標(biāo)

路用橡膠粉的物理技術(shù)指標(biāo)見表1。

2.1.3 橡膠粉的化學(xué)指標(biāo)

橡膠粉的化學(xué)技術(shù)指標(biāo)見表2。在使用過程中，應(yīng)由具有相關(guān)資質(zhì)的專業(yè)單位進(jìn)行檢測，并出具相應(yīng)的檢測報(bào)告，作為橡膠粉化學(xué)指標(biāo)的評(píng)定依據(jù)。

2.2 橡膠瀝青

加工橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青選用90號(hào)道路石油瀝青，膠粉添加計(jì)量控制在瀝青重量的20%～30%(外摻)，其它性能需滿足表3要求。

2.3 斷級(jí)配橡膠瀝青混合料ARHM13(W)配合比設(shè)計(jì)

圖1 ARHM13(W)級(jí)配曲線圖

圖2 密度、空隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度及飽和度與油石比的關(guān)系圖

橡膠瀝青混合料礦料級(jí)配范圍如表4所示。ARHM13(W)級(jí)配曲線圖如圖1所示。

2.4 油石比優(yōu)化過程

2.4.1 馬歇爾試驗(yàn)

按設(shè)計(jì)礦料比例配料，采用6.0%、6.3%、6.6%、6.9%、7.2%，5種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.4.2 最佳油石比的確定

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制穩(wěn)定度、流值、空隙率、飽和度、礦料間隙率與油石比的關(guān)系曲線，見圖2。

從曲線上找出相應(yīng)與最大密度、最大穩(wěn)定度、目標(biāo)空隙率(或中值)及瀝青飽和度范圍中值對(duì)應(yīng)的四個(gè)油石比，求出四者的平均值作為最佳油石比初始值OAC1，但如果對(duì)選擇試驗(yàn)的油石比范圍，密度或穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值，可直接以目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)的油石比作為OAC1；作圖求出滿足瀝青混凝土各項(xiàng)指標(biāo)要求(不含VMA)的油石比范圍(OACmax，OACmin)，該范圍的中值為OAC2，如果最佳油石比的初始值OAC1在OACmax與OACmin之間，則認(rèn)為設(shè)計(jì)結(jié)果是可行的，可取OAC1與OAC2的中值作為目標(biāo)配合比的最佳油石比OAC，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和實(shí)際情況論證地取用，最終得出最佳油石比。

由圖2可知，試件毛體積相對(duì)密度峰值對(duì)應(yīng)油石比為6.6%，穩(wěn)定度峰值對(duì)應(yīng)油石比為6.6%，滿足瀝青飽和度范圍中值對(duì)應(yīng)油石比為6.6%，目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)的油石比為6.4%，即OAC1為6.6%。由各項(xiàng)指標(biāo)與油石比的關(guān)系圖可得符合各指標(biāo)要求的油石比范圍為6.0 %～7.2%，其中值為6.6%，即為OAC2，OAC1與OAC2的平均值為6.6%，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目所在地區(qū)氣候條件取油石比6.5%為設(shè)計(jì)油石比。

2.4.3 混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)油石比為6.5%，相對(duì)應(yīng)的瀝青混合料性質(zhì)如表6所示。

2.5 瀝青混合料性能檢驗(yàn)

2.5.1 水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

根據(jù)最佳油石比及級(jí)配進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果分別見表7和表8。

2.5.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

在60.0±1℃，0.7±0.05MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表9所示。

2.5.3 滲水系數(shù)試驗(yàn)

用輪碾機(jī)成型試件，脫模架起進(jìn)行滲水試驗(yàn)，滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表10所示。

2.6 配合比設(shè)計(jì)結(jié)論

混合料設(shè)計(jì)結(jié)果。本次橡膠瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)采用礦料比例見表11，合成級(jí)配見表12，混合料設(shè)計(jì)體積指標(biāo)見表13。

斷級(jí)配橡膠瀝青混合料采用SMA級(jí)配構(gòu)成原理設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾擊實(shí)成型，需要適量添加礦粉作為填料，級(jí)配采用較多粗集料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，通過橡膠瀝青、礦粉及部分細(xì)集料形成的瑪蹄脂填充粗集料空隙，從而形成更好的抗車轍能力，同時(shí)采用較高用量的橡膠瀝青，其抗疲勞性能、變形適應(yīng)能力等也有很大程度提高。

3 熱熔橡膠瀝青碎石封層主要材料及技術(shù)指標(biāo)要求

(1)加工橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青選用90號(hào)道路石油瀝青，膠粉添加計(jì)量控制在瀝青重量的20%～30%(外摻)，其它性能需滿足表3要求。

(2)封層石料施工時(shí)應(yīng)選用潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)、具有足夠強(qiáng)度和良好顆粒形狀的石料，采購石料應(yīng)特別注意小于0.075mm顆粒含量不大于0.6%，并在施工前采用瀝青混凝土拌合樓進(jìn)行加熱除塵，其它性能滿足表14要求。

熱熔橡膠瀝青碎石封層說明，熱熔橡膠瀝青碎石灑布改性瀝青應(yīng)保證均勻性，用量為2.0～2.2Kg/m2，灑布碎石采用9.5～13.2mm單粒徑碎石，其用量為滿鋪一層量的60～70%，其目的為保護(hù)瀝青薄膜不受運(yùn)料車和攤鋪機(jī)損壞；碎石與碎石間的空隙足夠大，在攤鋪瀝青混合料時(shí)，混合料能很好地壓入碎石空隙中，不會(huì)出現(xiàn)混合料中的大碎石架空現(xiàn)象，可形成良好的嵌擠效果；高溫混合料使橡膠瀝青層熔化，熔化的瀝青向上裹覆碎石，使熱熔橡膠瀝青碎石封層與瀝青混合料完全融為一體。

4 路用狀況

近兩年在河西地區(qū)嘉安高速公路鋪筑ARHM13(W)后在經(jīng)歷兩年后，路面有效的防止了半剛性基層、底基層的反射裂縫，沒有明顯的車轍，水損害現(xiàn)象較少。通過對(duì)鉆芯取樣的試件研究，層間粘結(jié)良好，加鋪層和封層有效的抵御了裂縫的反射，同時(shí)阻止了路表水的滲入。說明采用路面橡膠瀝青混合料施工取得了良好的實(shí)際效果。

5 結(jié)語

橡膠瀝青混凝土能全面提高路用性能，能很好迎合路面工程對(duì)高性能瀝青混凝土不斷增長的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低污染回收利用廢舊輪胎，應(yīng)用前景遠(yuǎn)大。試驗(yàn)表明，橡膠粉能同時(shí)顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗水損壞性能和低溫性能，使公路路面綜合性能得到較大范圍的提高。此外，橡膠瀝青混合料施工工作性很好，施工溫度的要求不超過其他改性瀝青，運(yùn)卸鋪離析減少，施工工藝只須在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上稍作調(diào)整，技術(shù)指標(biāo)和手段進(jìn)行少量的補(bǔ)充，就可以更好控制施工質(zhì)量?？梢灶A(yù)見，未來幾年橡膠瀝青混合料在我省河西地區(qū)瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[2]王科,于明明,李小建.橡膠瀝青碎石封層設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究[J].道路工程,2011(24)：39-41.

[3]宿秀麗.同步碎石封層在瀝青混凝土路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)公路學(xué)院,2008.

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[5]《橡膠瀝青與混合料設(shè)計(jì)施工指南》.