“白加黑”工程應用橡膠瀝青應力吸收層研究

黃海龍 鄭彧

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

“白加黑”工程應用橡膠瀝青應力吸收層研究

黃海龍 鄭彧

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

通過在實際工程項目中使用橡膠瀝青應力吸收層，研究橡膠瀝青應力吸收層的設計流程、工作機理。研究以福州市上三路“白加黑”改造工程為依托，對橡膠瀝青應力吸收層的配合比設計、評價指標、施工要點做了較系統的研究與總結，試探性地提出了關于橡膠應力吸收層檢驗的兩種新方式，并對橡膠應力吸收層應用所存在的問題提出思考和建議。

橡膠瀝青應力吸收層；評價指標;“白加黑”工程

0 引言

水泥混凝土是剛性材料，瀝青混凝土是柔性材料，而在現有水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土，既能充分利用現有水泥路面剩余強度，節能環保，又能達到美觀、降噪、提升行駛舒適性的效果，符合綠色環保型城市建設要求。但因水泥混凝土與瀝青混凝土是兩種不同模量級的材料，反射裂縫成為了水泥路面加鋪瀝青材料后的主要病害形式，如何有效增加瀝青加鋪層的疲勞壽命成為本文研究的重點。本文以橡膠瀝青應力吸收層作為“白加黑”工程的應力吸收夾層，研究其工程應用的機理、評價指標及施工要點。

1 項目概況

福州市上三路位于福州市倉山區，道路起于三縣洲南橋頭環島，沿線與首山路、南臺路相交，終點至六一南路。本期改造全長1938.03m，現狀車行道寬31m，道路車行道橫斷面呈雙向6車道機，非共板布置，道路等級為城市主干路。現狀機動車道為水泥混凝土路面，每塊水泥砼板長5m，寬4.5m。目前，水泥砼路面行車噪音大，且出現縱橫裂縫、網裂、錯臺、唧泥、斷角等病害，行車舒適性及景觀效果差，迫切需要對其進行改造。

2 對當前國內水泥砼路面改造方法簡述、評價與選擇

通過對道路周邊路網路面結構形式的調查分析，為保證項目與周邊道路路面類型的協調一致，且從經濟、環保的角度綜合考慮，本次擬定對原水泥砼路面進行“白加黑”罩面改造，而反射裂縫問題一直是“白加黑”改造項目中的通病與關鍵技術難題。

目前，國內對于水泥混凝土路面“白加黑”改造防反射裂縫的幾種思路與方法[1]，如表1所示。

表1 現有“白加黑”防反射裂縫工藝技術比較分析表

綜合比選以上幾種“白加黑”改造防反射裂縫工藝，結合該工程的路面、交通、施工環境、綜合投資等因素考慮，本次選用了施工周期短、開放交通早、性價比高、防反射裂縫強的橡膠瀝青應力吸收層作為“白加黑”改造的防反射裂縫技術措施。

3 橡膠瀝青應力吸收層施工前的準備工作

3.1 原水泥混凝土路面的病害調查及彎沉檢測

為了解原機動車道水泥路面的承載能力及綜合使用狀況，對水泥砼路面分別進行了彎沉檢測及路面破損調查。經沿線的現場病害調查資料分析，現狀水泥砼板塊總體狀況良好，但部分水泥砼板塊出現常規的病害，如縱、橫、斜裂縫、網裂、唧泥、斷角、錯臺等。

根據現場實測回彈彎沉結果得出，道路分幅彎沉檢測結果如表2所示。

表2 上三路原水泥路面彎沉檢測代表值

由此計算出舊路面的頂面當量回彈模量左幅為537MPa,右幅為677MPa。

3.2 原水泥混凝土路面病害的分類處置

原水泥路面病害分類處理應根據受荷板塊的板角接縫彎沉值、接縫彎沉差及表觀裂縫的形態來進行綜合判定，主要分為以下4種處理方式：

(1)水泥板局部維修的處理；

(2)網裂處水泥板全板塊換板的處理；

(3)板角開裂處水泥板局部維修的處理；

(3)錯臺處水泥板的換板處理；

(4)板塊脫空注漿處治。

當混凝土板板角彎沉測試(BZZ-100)在20至45(0.01mm)時，該混凝土板視為脫空，對于已脫空水泥混凝土板，應進行注漿加固，如圖1所示。

(a)鉆孔 (b)注漿圖1 舊水泥混凝土板脫空處的注漿處置

在舊水泥路面上加鋪應力吸收層前，要對路面原有的構造縫及后期產生的裂縫進行灌縫處理。灌縫的瀝青不可過多，否則在鋪設應力吸收層后易發生泛油現象。對于局部破損或錯臺過于嚴重的水泥砼板塊，因平整度不夠，難以讓橡膠瀝青和集料撒鋪均勻，無法起到消除應力集中作用。因此局部的破損必須要修復后方可鋪設應力吸收層。

構造縫灌縫 粘層油的撒布圖2 舊水泥混凝土構造縫灌粉及粘層油的撒布

同時，為確保原水泥路面的清潔與干燥，在應力吸收層施工以前要先對原面層進行清洗，再用鼓風機對路面吹，以保證橡膠瀝青與原水泥砼面層之間的粘結性。

最后，在水泥砼路面上撒布0.7L/m2～1.1L/m2的PC-2乳化瀝青粘層油。

4 橡膠應力吸收層材料、配比設計及施工工藝研究

4.1 原材料參數及技術要點

橡膠改性瀝青是將廢舊輪胎加工成為一定大小的橡膠粉顆粒，按一定比例摻入基質瀝青中，并加入一些特定的改性劑，并在180°C以上的高溫條件下充分拌合、溶脹，最終形成的改性瀝青膠結材料。因其高彈、高黏、經濟環保性能被廣泛應用于道路結構的應力吸收層和瀝青層。

4.1.1 基質瀝青

該項目所使用的基質瀝青采用A-70#瀝青，具體的技術指標如表3所示。

表3 A-70號瀝青技術指標

4.1.2 橡膠粉

橡膠粉是指廢舊橡膠制品經粉碎加工處理得到的粉末狀橡膠顆粒，其主要成分為天然膠(NR)和丁苯膠(SBR)等，橡膠含量約占 55%左右。上三路采用的橡膠粉細度為20目，摻比為18%～20%。

4.1.3 橡膠瀝青

在制備橡膠瀝青時，是通過將基質瀝青和一定比例的橡膠粉在高速剪切機中拌合而成。合格的橡膠瀝青除滿足常規的三大指標外，其粘度指標是極其關鍵的控制指標。

該項目采用的橡膠瀝青技術指標滿足福建省工程建設地方標準DBJ/T13-160-2012《穩定型橡膠改性瀝青應力吸收層施工技術規程》要求。

4.1.4 集料

應力吸收層宜采用的碎石應具有良好的顆粒度和優質的硬度。本次采用的碎石均以單一粒徑為主，其各項技術指標符合DBJ/T13-160-2012《穩定型橡膠改性瀝青應力吸收層施工技術規程》要求。

橡膠應力吸收層采用的集料應與橡膠瀝青有良好的黏附性。必要時，在鋪設前可用普通瀝青與集料進行預裹附，以增強集料與橡膠瀝青的黏附性。其次，在粒徑方面，集料應按規格要求進行篩分，應采用單一粒徑粗集料。一般來說，集料的最大粒徑與應力吸收層的厚度基本相等。并要求預先在拌和機內加熱、除塵，加熱溫度為150℃～170℃。

4.2 橡膠應力吸收層配合比設計

在明確了瀝青和集料后，橡膠應力吸收層的配合比設計核心在于先確定控制應力吸收層的厚度。然后明確以何種評價指標為基礎，對橡膠應力吸收層的橡膠瀝青的撒布量及碎石撒布量做科學選擇。

4.2.1 應力吸收層厚度選擇

目前DBJ/T13-160-2012《穩定型橡膠改性瀝青應力吸收層施工技術規程》里對應力吸收層的厚度允許范圍為1cm～2cm。已有研究表明，隨著應力吸收層厚度的增加，瀝青層底面的應力逐漸增大，這是由于橡膠瀝青應力吸收層的模量較小，厚度較大時就會形成一個軟弱的下臥層，致使面層底部的應力過大而形成反射裂縫。因此，為達到較好防治面層反射裂縫的效果，應力吸收層的厚度不應過大，通常為0.5cm～1.5cm[2]。綜合以上分析及充分考慮本項目經濟性，本項目應力吸收層厚度選為1cm。

4.2.2 設計指標選用討論

應力吸收層設計方法主要有理論法和經驗法兩種，經驗法是目前瀝青應力吸收層最常用的方法。它是由有經驗的道路工程技術人員，根據多年施工經驗，在結合料的劑量、碎石粒徑及撒鋪量的確定上采用類似工程的經驗數據。并結合具體項目的路面狀況，初步確定瀝青用量和碎石撒布量，觀測施工效果，將相應數據做適時的調整。該方法要求項目應在準備試鋪的試驗段。

現在也有學者提出一種半經驗半理論的設計方法，即先根據經驗選取不同的瀝青用量和碎石撒布量，制備一個典型結構層試件“水泥板+應力吸收層+瀝青罩面層”，制備完畢后進行取芯試驗，以某個試驗指標為結構層性能好壞的評判依據。

目前用來評價應力吸收層的主要指標有層間剪切強度、拉拔強度、抗疲勞性能、低溫抗裂性。

圖3 橡膠應力吸收層設計流程

(1)低溫抗裂性

原水泥面板的溫縮開裂，是產生罩面層開裂的主要因素之一，為抵抗水泥面板收縮產生的溫度應力，必須要有較強的低溫抗裂能力。因此，可采用低溫彎曲試驗來評價應力吸收層的低溫抗裂能力。考慮到福州的冬季溫度不低，且溫差不大，因此低溫抗裂性可不作為指標。

(2)層間拉拔性能

拉拔強度是用來評價應力吸收層與下層的粘結強度。在上三路改造項目中，應力吸收層與上下面層之間都有一層乳化瀝青粘層油。這將很大程度加強了上下層與應力吸收層的粘結強度。因此在有鋪設粘層油的情況下，該指標可不作為強制性評價指標。

(3)抗疲勞性能

瀝青面層在車輛與溫度耦合的作用下，首先在裂縫尖端處產生應力集中，反復多次作用后產生疲勞開裂，同時，裂縫進一步向上面層發展，最終形成貫穿整個路面結構層的反射裂縫。因此應力吸收層必須具備一定的抗疲勞性能，否則應力吸收層將失去其吸收應力的作用。因此可采用小梁四點彎曲試驗作為其評價指標。考慮到抗疲勞性能試驗設備及試驗成本，該性能指標可視項目規模情況而定。

(4)層間剪切強度

由于應力吸收層是一種粘彈性材料，以其特有的韌性來協調層間的位移，吸收層間的應力來緩解裂縫的產生。如果它的高溫性能不足，應力吸收層易產生老化，瀝青原有的粘彈性就會被破壞。抗剪性能作為混合料高溫性能的一個重要方面，因此采用直接剪切試驗來評價應力吸收層的高溫性能。

由于福州地區常年氣溫較高，因此高溫剪切強度需納入評價指標之一。

4.2.3 基于層間抗剪強度的應力吸收層材料組成設計

本項目參照已有的研究表明，在同一瀝青撒布量下，隨著碎石撒布量的增加，層間抗剪強度呈現出先增大后減小的趨勢，在撒布量為14kg/m2左右時層間抗剪強度達到最大值。在碎石撒布量一定的情況下，隨著瀝青用量的增大，抗剪強度先增大后減小。在瀝青灑布量2.2kg/m2時，剪切強度取得最大值，瀝青灑布量從1.8kg/m2～2.2kg/m2抗剪強度不斷增加，當大于2.2kg/m2瀝青用量時，抗剪強度逐漸降低。

根據以上研究成果，本項目確定了基于抗剪切強度的橡膠瀝青應力吸收層最佳碎石撒布量為14kg/m2，橡膠瀝青最佳灑布量為2.2kg/m2，可達到覆蓋率85%以上，且碎石無重疊[3]。

4.2.4 設計流程綜述

綜上論述研究，最終形成以下橡膠應力吸收層的設計流程,如圖3所示。

4.3 施工要點

4.3.1 應力吸收層的灑布施工

為減小應力吸收層施工對交通的影響，本次應力吸收層的施工選在凌晨一點，采用半幅封閉半幅通車的交通組織方案。

瀝青與粗集料的灑布量根據交通量、撒布層位、集料規格等因素綜合確定，以石料嵌入瀝青大約60%～70%為宜，粗集料撒布量以滿鋪80%碎石重量為宜。如果瀝青撒鋪量過大，容易產生面層泛油，自由瀝青過多會提高層底的彎拉應變，如果瀝青撒鋪量過少，集料將無法被裹附充分，從而可以自由活動，形成不穩定的夾層，碎石容易產生應力集中，反而會加速面層的破壞。

本次確定橡膠瀝青應力吸收層的碎石撒布量為14kg/m2，橡膠瀝青最佳灑布量為2.2kg/m2，可保證覆蓋率85%以上，且碎石無重疊。

為保證施工時集料與瀝青能按預定的指標實施，施工前，項目組擬定了瀝青與集料的“試撒布”方案。具體如下：制作一塊1m×1m的方形板，并置于碎石封層車行駛路徑中央，調節集料料斗撒布開關，讓碎石封層車勻速駛過。隨后將方形板中的碎石集中，并現場稱重，反復幾次該操作后，將料斗的碎石撒布量基本控制在14kg/m2節點。

瀝青的試撒布操作與集料撒布類似，如圖4所示。

圖4 集料的試撒布

4.3.2 橡膠瀝青拌合及運輸

在生產橡膠瀝青時，先將基質瀝青快速加溫至160℃～170℃，輸送至攪拌設備中。先預設至少3個不同的橡膠粉摻量進行試驗，將橡膠粉和基質瀝青的拌合溫度控制在170℃～200℃之間，拌合時間為1h。拌合完成后再輸送至橡膠瀝青智能撒布車內，運至施工現場，在運輸過程中注意保溫。

4.3.3 攤鋪和碾壓

(1)橡膠改性瀝青灑布溫度一般控制在180℃～190℃范圍內。

(2)注意橫、縱接頭處的施工處理，橫向接頭位置，與前次施工的范圍線搭接2m。

(3)雨水井口采用木板進行覆蓋，路緣石采用彩條布覆蓋保護。

(4)每臺粗集料撒布車配備1～2名施工人員，跟隨在撒布車后，對沒有撒碎石部位進行人工補撒，對于只撒碎石沒撒瀝青的部位，人工將碎石清掃干凈，重新撒布。

(5)瀝青、粗集料撒布完成后，膠輪壓路機緊跟撒布車進行碾壓[4]。

(6)壓路機慢速碾壓，以避免集料產生推移，碾壓遍數為1～2遍。碾壓在較短的時間內完成，可防止溫度下降難以壓實，如圖5所示。

(7)碾壓完畢，待集料粘附在瀝青層中并冷卻后，用人工或機械清除多余的未粘結集料。

上三路橡膠瀝青應力吸收層于2014年9月20日～2014年9月24日以半幅分步形式先后完成施工。

4.3.4 質量檢測

質量檢測包括施工階段的質量控制和竣工后的交工驗收，分別如表4～表5所示。

表4 施工階段質量控制

目前，國家尚未出臺關于橡膠改性瀝青應力吸收層的規范、規程。福建省于2013年1月1日開始施行福建省工程建設地方標準DBJ/T13-160-2012《穩定型橡膠改性瀝青應力吸收層施工技術規程》，規程里面關于橡膠改性瀝青應力吸收層交工檢查與驗收質量標準如表5所示。

表5 交工檢查與驗收質量標準

由表5可知，橡膠改性瀝青應力吸收層交工檢查與驗收的質量標準主要以針刺、尺量和目測為主。

本次上三路改造中試探性地提出兩種附加檢驗方式：

(1)將橡膠瀝青應力吸收層開放交通進行直觀檢驗。

橡膠瀝青應力吸收層在福州市水泥混凝土路面“白加黑”改造中為首次嘗試性運用，為更加直觀地檢驗其粘結性及防反射裂縫性能，結合本次半幅施工交通組織形式，對施工成型后的橡膠瀝青應力吸收層進行試驗性的開放交通檢驗。經兩天的通車檢驗，橡膠瀝青應力吸收層未出現“起皮”“脫落”“開裂”等病害，其良好的粘結性及防反射裂縫性能初見成效，如圖6所示。

圖6 橡膠瀝青應力吸收層施工后的開放交通檢驗

(2)通過鉆芯取樣的方式檢驗橡膠瀝青應力吸收層的層間粘結性。

橡膠瀝青應力吸收層及瀝青罩面加鋪完成后，對現場進行鉆芯取樣試驗。從鉆芯結果發現，試驗中較難取出完整的芯樣，芯樣大多于瀝青罩面層處發生斷裂，部分芯樣將水泥板表面粘掉了一些小塊。因此，橡膠瀝青應力吸收層與水泥路面板、瀝青層保持緊密粘結，如圖7所示。

該項目“白加黑”改造于2014年9月30日年完成施工，經過兩個冬天的考驗，目前機動車道上瀝青均完好，未出現反射裂縫現象。但要全面地評價應力吸收層對延緩防治反射裂縫的效果，還需經過長期的追蹤觀測。

圖7 現場鉆芯斷裂點檢驗

5 結語

橡膠瀝青應力吸收層防反射裂縫技術是當前國內城市道路改造領域的一項新技術，可有效延緩水泥砼路面加鋪瀝青混凝土罩面中出現的反射裂縫、層間粘結問題和水損害等問題。隨著該技術日趨完善及規范化，如何因地制宜地在福建地區城市道路改造中推廣應用，對于福建地區水泥混凝土“白加黑”改造的技術完善、功能提升具有重大意義。

本文介紹了橡膠瀝青吸收層的作用機理，論述了橡膠應力吸收層在原材料、設備控制、施工工藝等環節的技術控制要點，并結合福州市上三路改造工程，總結了橡膠應力吸收層的材料要求、施工要求、檢測指標等具體工藝，提出了多角度、全方位的檢驗方式方法及關于橡膠應力吸收層檢驗的兩種新方式。工程案例中的一套橡膠應力吸收層的設計、施工流程，為今后的工程實踐提供借鑒。

目前，國家尚未出臺關于橡膠改性瀝青應力吸收層的規范、規程，對于橡膠瀝青應力吸收層的檢驗標準更是空白。而福建省橡膠改性瀝青應力吸收層交工檢查與驗收的地方質量標準主要以針刺、尺量和目測為主，在相關的室內、現場力學性能檢測指標方面還有待完善。

[1] 高翠蘭.應力吸收層瀝青混合料路用性能及力學性能研究[D].濟南：山東建筑大學,2011.

[2] 牛智華.高性能橡膠瀝青應力吸收層應用技術研究[D].西安：長安大學,2011.

[3] 尚同羊,張苛.橡膠瀝青應力吸收層設計方法探討[J].鄭州大學學報(工學版),2013,34(2):40-44.

[4] 李秋平，陳霞.橡膠瀝青應力吸收層的作用機理及施工技術研究[J].公路交通科技(應用技術版),2011(4):115-118.

Study on the application of rubber asphalt stress absorbing layer when paving asphalt concrete on the existing cement concrete road

HUANGHailongZHENGYu

(Fuzhou Planning Design and Research Institute,Fuzhou 350108)

The design procedure and working mechanism of the Rubber asphalt stress absorbing layer are studied by using the rubber asphalt stress absorbing layer in the actual project. The research is based on the reconstruction project when paving asphalt concrete on the existing cement concrete road in Shangshan road of Fuzhou city. The mixture ratio design, evaluating indicator and construction points of the rubber asphalt stress absorbing layer were systematically studied, then two new methods for testing the rubber asphalt stress absorbing layer will be tentatively put forward， finally the existing application problems of the rubber stress absorbing layer will be thought of and some suggestions will be put forward.

Rubber asphalt stress absorbing layer; Evaluating indicator; Paving asphalt concrete on the existing cement concrete road

黃海龍(1985- ),男，工程師。

E-mail:550928015@qq.com

2017-05-17

TU997

A

1004-6135(2017)09-0079-06