橡膠瀝青碎石封層在瀝青路面養護中的應用研究

張二毛　侯劍楠　鐘浩生

作者簡介：

張二毛（1982—），高級工程師，主要從事工程項目管理工作。

摘要：為研究橡膠瀝青碎石封層在瀝青路面養護中的性能效果，文章通過碾壓試驗、濕輪磨耗試驗、低溫沖擊試驗對其路用性能進行了試驗分析。結果表明：碾壓試驗中，構造深度主要受碎石粒徑和瀝青層厚度影響，碾壓初期摩擦系數主要取決于構造深度，經過荷載長期作用后，摩擦系數主要受構造深度和碎石棱角性影響;濕輪磨耗試驗中，橡膠瀝青碎石封層脫石率比普通瀝青碎石封層脫石率低1.8%;低溫沖擊試驗中，橡膠瀝青碎石封層脫石率比普通瀝青碎石封層脫石率低96.5%，說明橡膠瀝青碎石封層可有效改善瀝青路面抗水損壞性能和低溫性能。通過實際工程驗證，橡膠瀝青碎石封層的彎沉、壓實度、抗壓強度均滿足要求且顯著高于普通瀝青碎石封層。

關鍵詞：橡膠瀝青;碎石封層;養護;應用

中國分類號：U418.6A220815

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國道路交通事業也進入飛速發展的階段，截至2019年年末，我國高速公路總里程達到14.96萬km。瀝青路面因具有表明平整、無接縫、行車舒適、噪音低等優點而被廣泛應用于高等級道路中。但因為交通量迅速增大、車輛嚴重超載和渠化交通等因素的影響，瀝青路面出現裂縫、車轍、坑槽等早期病害[1]，嚴重影響道路路用性能，如何解決瀝青路面早期損害成為亟待解決的問題。隨著我國公路建設水平的逐漸發展，道路工作者開始關注預防性養護技術[2]。

碎石封層作為一種抗滑性能優異、防水性能良好、施工成本低且施工速度快的路面結構，正逐步推廣應用于道路養護和新建路面中。但碎石封層在使用過程中因高溫穩定性、粘結性不足而出現泛油、碎石脫落等問題[4]，為解決這些問題，研究人員從材料組成出發提出橡膠瀝青碎石封層。橡膠瀝青碎石封層以橡膠瀝青為膠結料，集橡膠瀝青和碎石封層優點于一體，大大提高了各項路用性能。同時，橡膠瀝青在公路工程中的應用解決了廢舊輪胎“黑色污染”問題，具有節能環保的優點，符合交通運輸部提出的“建設資源節約、環境友好型行業”理念[3]。

本文通過室內試驗和現場檢測，對比分析橡膠瀝青碎石封層和普通瀝青碎石封層各項性能之間的差異，研究橡膠瀝青碎石封層的實際應用效果。

1 原材料及試件制作

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青和橡膠改性瀝青

本文選用的基質瀝青和橡膠改性瀝青主要技術指標如表1～2所示。

1.1.2 集料

實際工程中碎石封層集料一般采用單粒徑碎石。本文選用粒徑為4.75～9.5 mm的石灰巖，各項性能指標如表3所示。

1.2 碎石封層試件制作

1.2.1 墊塊

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的瀝青混合料試件制作方法，制作尺寸為300 mm×300 mm×40 mm的瀝青混凝土試件作為試驗用墊塊，選取級配AC-16，級配曲線如圖1所示。

1.2.2 碾壓試驗試件

制備碾壓試驗試件流程如下：首先取162 g瀝青、1 200 g碎石，將5 mm厚鋼板置于車轍試模底部，再將上文所述墊塊放入試模，一起放入烘箱中，在60 ℃環境下保溫5 h。待基質瀝青加熱至163 ℃（橡膠瀝青加熱至190 ℃）后，將其倒在墊塊表面，并迅速抹勻。將稱取的碎石均勻撒布在墊塊上，初步整平碎石。將試件表面鋪一層厚橡膠墊并置于車轍試件成型儀中進行碾壓，初壓5次后取出放入烘箱中，在50 ℃環境下養護5 h，養護結束后進行7次復壓，脫模后常溫放置。

1.2.3 濕輪磨耗試驗試件

制備濕輪磨耗試驗試件流程如下：取126 g瀝青、930 g碎石，將上文所述墊塊置于車轍試模底部，在其上鋪一層油氈紙，將四個三角形楔塊分別緊貼試模四角放置，放入烘箱中保溫5 h，設置溫度為60 ℃。其后步驟與碾壓試驗碎石封層試件制作步驟類似，試件表面鋪設橡膠墊后，初壓20次再在50 ℃環境中養護5 h，而后利用車轍試件成型儀進行復壓，每次碾壓100次，共碾壓5次。

1.2.4 低溫沖擊板試驗試件

制備低溫沖擊板試驗試件流程如下：首先取72 g瀝青，100 g碎石，將沖擊鋼板和碎石置于烘箱中預熱，設置溫度為110 ℃。待基質瀝青加熱至163 ℃（橡膠瀝青加熱至190 ℃）后均勻倒至沖擊鋼板表面，利用鑷子迅速將碎石按10×10排列在鋼板表面，碎石與沖擊鋼板邊緣距離應≥1 cm。冷卻后在試件表面鋪一層厚橡膠墊，利用碾壓輪手動進行碾壓，橫向縱向各3次。

2 路用性能研究

2.1 抗滑性能試驗

為評價橡膠瀝青碎石封層抗滑性能，采用手工鋪砂法與擺式儀法分別測定普通瀝青碎石封層和橡膠改性瀝青碎石封層的構造深度與摩擦系數。兩種碎石封層試件各制作三塊，每次碾壓40 min，結束后進行檢測，結果取均值。其中，A表示橡膠瀝青碎石封層試件，B代表普通瀝青碎石封層試件。試驗結果如表4所示。

（1）兩種封層試件構造深度均隨碾壓次數增加呈下降趨勢，但碾壓次數達到6次以后趨于穩定。由圖2可知，隨著碾壓次數增加，試件的構造深度均減小，其中橡膠瀝青碎石封層試件降低了17.4%，普通瀝青碎石封層試件降低了18.5%，在碾壓次數達到6次以后逐漸趨于穩定。這是因為碾壓對碎石封層結構進行了壓密和重組，隨著碾壓次數增加，壓密和重組作用逐漸變小，最終構造深度主要受碎石粒徑和瀝青層厚度的影響，所以變化趨勢逐漸平緩[4]。

（2）隨碾壓次數增加，兩種封層試件摩擦系數和構造深度的變化趨勢基本相同。由圖3可知，隨著碾壓次數逐漸增加，橡膠瀝青碎石封層摩擦系數與構造深度逐漸下降而后趨于穩定，普通瀝青碎石封層摩擦系數與構造深度變化趨勢均較平緩。這是因為碾壓初期，摩擦系數主要取決于構造深度，經過荷載持續作用后，最終摩擦系數主要受構造深度和碎石棱角性等因素共同影響[4]。

（3）瀝青種類對碎石封層抗滑性能基本無影響。由前文可知，構造深度主要受碎石粒徑和瀝青層厚度影響。碾壓初期摩擦系數主要取決于構造深度，經過荷載長期作用后，摩擦系數主要受構造深度和碎石棱角性影響。

2.2 抗水損害試驗

為研究橡膠瀝青碎石封層抗水損害性能，在25 ℃環境下將試件浸水1 h，進行濕輪磨耗試驗，試驗結果如下頁表5所示。其中，A代表橡膠瀝青碎石封層試件，B代表普通瀝青碎石封層試件。

橡膠瀝青碎石封層抗水損害性能優于普通瀝青碎石封層。由圖4可知，橡膠瀝青碎石封層脫石率均低于普通瀝青碎石封層，這是由于膠粉加入瀝青后，膠粉顆粒在瀝青中發生溶脹反應，橡膠顆粒通過凝膠膜連接成黏度較大的半固態連續相，提高了橡膠瀝青碎石封層中碎石之間的粘結力[5]。

2.3 低溫性能試驗

為評價橡膠瀝青碎石封層低溫性能，進行低溫沖擊試驗。低溫沖擊板試件各制作五塊，試驗結果如表6所示。其中，A表示橡膠瀝青碎石封層試件，B表示普通瀝青碎石封層試件。

橡膠瀝青試樣的低溫性能明顯優于普通瀝青試樣。由圖5可知，溫度降至-5 ℃時，橡膠瀝青脫石率仍為0%，而普通瀝青脫石率高達95.6%。隨著溫度繼續降低，橡膠瀝青碎石封層脫石率逐漸增加，但仍然在5%以內，表明橡膠瀝青碎石封層具有十分卓越的低溫性能，可將橡膠瀝青碎石封層應用于寒冷地區。

3 應用效果分析

前文通過室內試驗研究了橡膠瀝青碎石封層路用性能，對暴露于復雜多變的自然環境中的道路路面結構分析具有一定的借鑒作用。為分析橡膠瀝青碎石封層應用于實際工程中的應用效果，本文繼續對普通瀝青碎石封層和橡膠瀝青碎石封層的兩段試驗路進行研究，長度均為2.3 km。

3.1 彎沉檢測

采用貝克曼梁法（T0951-2008）測定回彈彎沉，以分析橡膠瀝青碎石封層路面結構承載能力。檢測結果如表7所示。

由表7可知，橡膠瀝青碎石封層試驗路段實測彎沉值均低于設計彎沉值26.8 mm，滿足要求。表明橡膠瀝青應用于碎石封層中具有一定的剛度，不會產生較大變形，可增加路面抵抗行車荷載作用的能力。

3.2 鉆芯取樣

通過鉆芯取樣對芯樣壓實度、抗壓回彈模量、抗壓強度進行檢測，以檢驗橡膠瀝青碎石封層的實際工程質量。

由表8可知，橡膠瀝青碎石封層芯樣壓實度高于規定壓實度最小值98%，滿足要求，且高于普通瀝青芯樣壓實度;橡膠瀝青碎石封層芯樣回彈模量和抗壓強度均高于普通瀝青碎石封層。這表明橡膠瀝青碎石封層在車輛荷載作用下，抗壓強度較好，可抵抗一定的抗壓變形，路用性能滿足規范要求，且比普通瀝青碎石封層性能更好。

4 結語

（1）瀝青種類對碎石封層抗滑性能基本無影響。構造深度主要受碎石粒徑和瀝青層厚度的影響，碾壓初期摩擦系數主要取決于構造深度，經過荷載長期作用后，摩擦系數主要受構造深度和碎石棱角性的影響。

（2）橡膠瀝青碎石封層抗水損害性能和低溫性能優于普通瀝青碎石封層。

（4）橡膠瀝青碎石封層彎沉滿足要求，具有一定的剛度，不會產生較大變形，可增加路面抵抗行車荷載作用的能力。

（5）橡膠瀝青碎石封層壓實度、回彈模量、抗壓強度均滿足要求且高于普通瀝青碎石封層，表明橡膠瀝青碎石封層在車輛荷載作用下，抗壓強度較好，可抵抗一定的抗壓變形，路用性能滿足規范要求，且比普通瀝青碎石封層性能更好。

參考文獻：

[1]劉 豫.瀝青碎石封層在路面養護技術中的應用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[2]張會珍.高速公路瀝青路面預防性養護措施效果評價研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[3]楊志峰，李美江，王旭東.廢舊橡膠粉在道路工程中應用的歷史和現狀[J].公路交通科技，2005，22（7）：19-22.

[4]李智明.橡膠瀝青在瀝青路面碎石封層中的應用研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[5]陳候杰，曾家廣.橡膠瀝青性能與SBS瀝青性能的分析對比[J].中國市政工程，2009（1）：66-67，69.

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