橡膠瀝青碎石封層在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)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(yǎng)護(hù)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(jìn)行了試驗分析。結(jié)果表明：碾壓試驗中，構(gòu)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(shù)主要取決于構(gòu)造深度，經(jīng)過荷載長期作用后，摩擦系數(shù)主要受構(gòu)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(guān)鍵詞：橡膠瀝青;碎石封層;養(yǎng)護(hù);應(yīng)用

中國分類號：U418.6A220815

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國道路交通事業(yè)也進(jìn)入飛速發(fā)展的階段，截至2019年年末，我國高速公路總里程達(dá)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(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高等級道路中。但因為交通量迅速增大、車輛嚴(yán)重超載和渠化交通等因素的影響，瀝青路面出現(xiàn)裂縫、車轍、坑槽等早期病害[1]，嚴(yán)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(shè)水平的逐漸發(fā)展，道路工作者開始關(guān)注預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)[2]。

碎石封層作為一種抗滑性能優(yōu)異、防水性能良好、施工成本低且施工速度快的路面結(jié)構(gòu)，正逐步推廣應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)和新建路面中。但碎石封層在使用過程中因高溫穩(wěn)定性、粘結(jié)性不足而出現(xiàn)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(fā)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(jié)料，集橡膠瀝青和碎石封層優(yōu)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(yīng)用解決了廢舊輪胎“黑色污染”問題，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，符合交通運輸部提出的“建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型行業(yè)”理念[3]。

本文通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)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(yīng)用效果。

1 原材料及試件制作

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青

本文選用的基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)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?guī)r，各項性能指標(biāo)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(guī)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(huán)境下保溫5 h。待基質(zhì)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(jìn)行碾壓，初壓5次后取出放入烘箱中，在50 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)5 h，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行7次復(fù)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(shè)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(shè)橡膠墊后，初壓20次再在50 ℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)5 h，而后利用車轍試件成型儀進(jìn)行復(fù)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(yù)熱，設(shè)置溫度為110 ℃。待基質(zhì)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(yīng)≥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(jìn)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(gòu)造深度與摩擦系數(shù)。兩種碎石封層試件各制作三塊，每次碾壓40 min，結(jié)束后進(jìn)行檢測，結(jié)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(jié)果如表4所示。

（1）兩種封層試件構(gòu)造深度均隨碾壓次數(shù)增加呈下降趨勢，但碾壓次數(shù)達(dá)到6次以后趨于穩(wěn)定。由圖2可知，隨著碾壓次數(shù)增加，試件的構(gòu)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(shù)達(dá)到6次以后逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為碾壓對碎石封層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓密和重組，隨著碾壓次數(shù)增加，壓密和重組作用逐漸變小，最終構(gòu)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(shù)增加，兩種封層試件摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度的變化趨勢基本相同。由圖3可知，隨著碾壓次數(shù)逐漸增加，橡膠瀝青碎石封層摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度逐漸下降而后趨于穩(wěn)定，普通瀝青碎石封層摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度變化趨勢均較平緩。這是因為碾壓初期，摩擦系數(shù)主要取決于構(gòu)造深度，經(jīng)過荷載持續(xù)作用后，最終摩擦系數(shù)主要受構(gòu)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(gòu)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(shù)主要取決于構(gòu)造深度，經(jīng)過荷載長期作用后，摩擦系數(shù)主要受構(gòu)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(huán)境下將試件浸水1 h，進(jìn)行濕輪磨耗試驗，試驗結(jié)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(yōu)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(fā)生溶脹反應(yīng)，橡膠顆粒通過凝膠膜連接成黏度較大的半固態(tài)連續(xù)相，提高了橡膠瀝青碎石封層中碎石之間的粘結(jié)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(jìn)行低溫沖擊試驗。低溫沖擊板試件各制作五塊，試驗結(jié)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(yōu)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(dá)95.6%。隨著溫度繼續(xù)降低，橡膠瀝青碎石封層脫石率逐漸增加，但仍然在5%以內(nèi)，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(yīng)用于寒冷地區(qū)。

3 應(yīng)用效果分析

前文通過室內(nèi)試驗研究了橡膠瀝青碎石封層路用性能，對暴露于復(fù)雜多變的自然環(huán)境中的道路路面結(jié)構(gòu)分析具有一定的借鑒作用。為分析橡膠瀝青碎石封層應(yīng)用于實際工程中的應(yīng)用效果，本文繼續(xù)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(jìn)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(jié)構(gòu)承載能力。檢測結(jié)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(shè)計彎沉值26.8 mm，滿足要求。表明橡膠瀝青應(yīng)用于碎石封層中具有一定的剛度，不會產(chǎn)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(jìn)行檢測，以檢驗橡膠瀝青碎石封層的實際工程質(zhì)量。

由表8可知，橡膠瀝青碎石封層芯樣壓實度高于規(guī)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(guī)范要求，且比普通瀝青碎石封層性能更好。

4 結(jié)語

（1）瀝青種類對碎石封層抗滑性能基本無影響。構(gòu)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(shù)主要取決于構(gòu)造深度，經(jīng)過荷載長期作用后，摩擦系數(shù)主要受構(gòu)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(yōu)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(chǎn)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(guī)范要求，且比普通瀝青碎石封層性能更好。

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