橡膠瀝青碎石封層在路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

作者簡介：

覃繼才（1987—），工程師，主要從事高等級公路養(yǎng)護(hù)管理研究工作。

為研究橡膠瀝青碎石封層性能影響因素，探討其在養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用效果，文章結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了直剪試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)，分析了橡膠瀝青灑布量、碎石撒布量及碎石加熱溫度對橡膠瀝青碎石封層性能的影響，并對其應(yīng)用效果展開分析。結(jié)果表明：隨瀝青灑布量及碎石撒布量的增加，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度與極限破壞荷載出現(xiàn)先增大后減小趨勢，且隨碎石加熱溫度提高封層性能提升明顯，因此在制備橡膠瀝青碎石封層時應(yīng)結(jié)合舊路面現(xiàn)狀與瀝青、碎石用量進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場檢查結(jié)果顯示，該封層可有效提高瀝青路面的抗滑性能與密水性能。

橡膠瀝青;碎石封層;瀝青路面;路面養(yǎng)護(hù)

U418.6A180623

0 引言

自1988年我國第一條高速公路—滬嘉高速公路通車，經(jīng)數(shù)十年的迅猛發(fā)展，我國高速公路總里程已超過14.9萬km。其中瀝青路面結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)良的行車舒適性與施工便捷性等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為我國高速公路路面主要結(jié)構(gòu)形式，在高速公路中的占比已超過80%[1]。但是瀝青路面在惡劣的自然環(huán)境及重載交通作用下，易發(fā)生低溫開裂、高溫車轍及集料松散剝落等病害，會導(dǎo)致在未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限之前就失去服務(wù)性能。而在瀝青路面病害尚未發(fā)生或發(fā)生的早期對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，通過養(yǎng)護(hù)措施對早期微病害的矯正，有利于延長瀝青路面的使用壽命。

隨著同步瀝青碎石車引入國內(nèi)，瀝青碎石封層技術(shù)開始得到應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中仍然存在諸多問題。如在溫度、雨水和行車荷載作用下，瀝青膜逐漸脫落，集料從路面剝離，導(dǎo)致封層喪失其功能作用，該現(xiàn)象在輪跡帶附近尤為明顯;松散脫落的集料在高速旋轉(zhuǎn)的車輪作用下，易被揚(yáng)起并擊打后車車身及擋風(fēng)玻璃造成安全事故[2]。而橡膠瀝青具有較好的粘結(jié)性、防水性及抗老化性能，在與碎石封層結(jié)合應(yīng)用時，可改善封層的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。本文將從橡膠瀝青碎石封層原材料、配比及應(yīng)用效果展開研究，以期為橡膠瀝青碎石封層的推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 原材料

（1）瀝青

本文采用的橡膠瀝青基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

（2）集料

橡膠瀝青碎石封層要求集料除滿足現(xiàn)行規(guī)范基本性能要求外，應(yīng)具備抗壓強(qiáng)度高、粒徑均勻、針片狀含量少、棱角分明等優(yōu)點(diǎn)。本文試驗(yàn)采用集料為質(zhì)地堅(jiān)硬的優(yōu)質(zhì)玄武巖，其基本性能檢測結(jié)果見表2。

2 橡膠瀝青碎石封層性能研究

橡膠瀝青碎石封層主要由橡膠瀝青膠結(jié)料和單一粒徑碎石組成，其是在原舊路面分別灑布瀝青和集料，再通過壓路機(jī)碾壓成型，鋪筑后可有效處治舊路面微裂縫、輕微車轍、泛油松散等早期病害。瀝青碎石封層在車輪荷載與溫度荷載共同作用下，將承受較大的層間剪應(yīng)力與壓應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過封層可承受的極限值，封層將出現(xiàn)脫落、車轍等病害。因此橡膠瀝青碎石封層設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮其抗剪強(qiáng)度與高溫穩(wěn)定性。本文將通過直剪試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)，對不同配合比橡膠瀝青碎石封層性能展開研究。

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 橡膠瀝青碎石封層制備

（1）瀝青混合料底板成型

本文橡膠瀝青碎石封層采用輪碾法成型，采用車轍板模具尺寸為（300×300×50）mm，封層厚度為20 mm，因此需要先成型30 m厚的瀝青混合料底板。為保證瀝青混合料底板高度與壓實(shí)度，成型底板時需在模具中放置2 cm厚的剛性墊層，然后再倒入混合料進(jìn)行輪碾成型。

（2）封層制備

瀝青混合料底板養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再將底板置于模具底板上。在底板上灑布適量橡膠瀝青，同時將適量加熱后的碎石均勻撒布在結(jié)合料上，然后使用輪碾儀壓實(shí)，碾壓過程中在封層表面套上橡膠墊避免集料破損。

2.1.2 試驗(yàn)試件制備

采用鉆芯機(jī)在上述制取的車轍板試樣上鉆取尺寸為（100×50）mm的芯樣用于后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 直剪試驗(yàn)

采用直剪試驗(yàn)測試橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度。采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)作為加載機(jī)，將試件放置于剪切模具中間，使剪切面與模具對齊，加載速率為50 mm/min。

2.1.4 單軸貫入試驗(yàn)

采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)作為單軸貫入試驗(yàn)加載機(jī)具，試驗(yàn)溫度為25 ℃，壓頭直徑為26 mm，加載速率為2 mm/min。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要對瀝青灑布量、碎石撒布量及碎石加熱溫度三大主要因素對橡膠瀝青碎石封層性能的影響展開研究。由于試驗(yàn)量較大，本文依據(jù)L9（33）正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)因素及水平見表3。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

直剪試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果如下頁表4所示，采用和值分析法研究各因素水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響，如下頁圖1、圖2所示，并分析其顯著性。

由圖1、圖2可知：

（1）橡膠瀝青碎石封層抗剪強(qiáng)度和值與極限破壞荷載和值隨著碎石撒布量增大，出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，當(dāng)碎石撒布量為12 kg/m2時，兩者取得最大值。這是因?yàn)樗槭诜鈱又衅鸬教岣呖辜魪?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的作用。隨碎石用量增加，撒布的碎石就越不易攤鋪均勻，降低瀝青與碎石的粘結(jié)效果，從而形成碎石夾層，導(dǎo)致路用性能降低;而當(dāng)碎石用量較少時，瀝青相對較多，無法形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，造成封層強(qiáng)度下降[3]。

（2）隨瀝青灑布量增加，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度和值與極限破壞荷載和值均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中抗剪強(qiáng)度和值表現(xiàn)尤為明顯。當(dāng)瀝青灑布量為1.8 kg/m2時，橡膠瀝青碎石封層抗剪強(qiáng)度和極限破壞荷載均獲得最大值。這是因?yàn)楫?dāng)瀝青用量過多時，在碎石封層與瀝青面層之間會形成軟弱夾層;而當(dāng)瀝青用量較少時，瀝青不足以將所有碎石裹附牢固，這兩種情況均會導(dǎo)致封層強(qiáng)度下降[3]。而橡膠瀝青的灑布量與面層構(gòu)造深度、面層集料與瀝青粘附性息息相關(guān)。因此合理確定橡膠瀝青碎石封層瀝青用量還需綜合考慮面層表面特征。

（3）當(dāng)碎石加熱溫度升高時，抗剪強(qiáng)度和值與極限破壞荷載和值均呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)碎石加熱溫度達(dá)到150 ℃時，橡膠瀝青碎石封層表現(xiàn)出最佳性能。這是因?yàn)樗槭瘻囟仍礁撸鈱诱w溫度越高，瀝青流動性越好，越利于碎石與瀝青的重復(fù)粘結(jié)裹覆[4]。

使用SPSS軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。

由表5結(jié)果可知，三因素對抗剪強(qiáng)度與極限破壞荷載影響程度一致，由大到小排序?yàn)樗槭訜釡囟?碎石撒布量>瀝青灑布量。因此在鋪筑橡膠瀝青碎石封層時，應(yīng)保證碎石具備足夠的加熱溫度。

3 橡膠瀝青碎石封層應(yīng)用效果分析

橡膠瀝青碎石封層因在路面鋪筑了一層新的碎石，可迅速改善舊路面的表面性狀，提高抗滑性能，同時致密的封層結(jié)構(gòu)也能消除舊路面的孔隙裂縫。廣西某高速公路服役數(shù)年后出現(xiàn)集料脫落、輕微裂縫病害，經(jīng)研究決定采用橡膠瀝青碎石封層技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)修復(fù)，參考《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）采用手工鋪沙法、擺式儀法及滲水儀測試法對鋪筑封層前后路面的抗滑性能及密水性能進(jìn)行檢測。

3.1 抗滑性能

采用手工鋪沙法對封層鋪筑前后路面構(gòu)造深度進(jìn)行檢測，結(jié)果如后頁表6所示。

由表6可知，橡膠瀝青碎石封層可有效恢復(fù)舊路面的抗滑性能。封層前，舊瀝青路面的構(gòu)造深度及BPN分別為0.67 mm、44;鋪筑橡膠瀝青碎石封層后，構(gòu)造深度及BPN分別為0.91 mm、60，分別提高了35.8%、36.4%。這是由于橡膠瀝青碎石封層重新在瀝青路面構(gòu)造了良好的表面性狀，且新集料的物理力學(xué)性能都較好。

3.2 密水性能

采用滲水儀對橡膠瀝青碎石封層前后的路面滲水系數(shù)進(jìn)行檢測，每個測試橫斷面進(jìn)行5次檢測，結(jié)果如表7所示。

由表7檢測結(jié)果可知，橡膠瀝青碎石封層可提高瀝青路面密水性能，增強(qiáng)路面抗水損害性能。在舊瀝青路面上鋪筑橡膠瀝青碎石封層后，滲水系數(shù)明顯降低，同時分布差異也減小。這是由于碎石封層中橡膠瀝青起到很好的封水作用，這將有助于提高瀝青路面的使用壽命。

4 結(jié)語

本文針對橡膠瀝青碎石封層性能影響因素，通過正交試驗(yàn)開展了室內(nèi)試驗(yàn)，并通過現(xiàn)場測試，探討了其應(yīng)用效果。由此得出以下結(jié)論：

（1）隨瀝青灑布量及碎石撒布量的增加，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度與極限破壞荷載出現(xiàn)先增大后減小的趨勢;橡膠瀝青用量為1.8 kg/m2、碎石用量為12 kg/m2，該封層表現(xiàn)出最佳抗剪強(qiáng)度與極限破壞荷載。

（2）碎石加熱溫度升高，橡膠瀝青的抗剪強(qiáng)度與極限破壞荷載增大，因此現(xiàn)場施工時，應(yīng)盡量保證碎石加熱溫度。

（3）橡膠瀝青碎石封層可有效提高舊路面的抗滑性能與密水性能，延長瀝青路面使用壽命。

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[2]崔 .橡膠瀝青碎石封層試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2015.

[3]梁 丹.橡膠瀝青碎石封層抑制反射裂縫效果研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2017.

[4]張 琛，黨 偉.SBS改性瀝青開普封層低溫抗裂性能影響因素研究[J].公路，2019，64（1）：252-257.