河西戈壁地區瀝青路面裂縫處治技術應用研究

張富奎 劉大海

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

反射裂縫是半剛性基層瀝青路面最常見的病害之一，尤其是在河西戈壁地區氣候干旱少雨、夏季溫度高、冬季嚴寒、日照強烈、晝夜溫差大，同時河西戈壁地區天然砂礫資源十分豐富，早期建設的高速公路基層與底基層大都采用水泥穩定砂礫混合料。水泥穩定砂礫半剛性基層的瀝青路面結構層，在這種氣候環境和溫度變化反復作用下，極易產生干縮或溫縮裂縫[1]。反射裂縫的產生不僅破壞路面的連續性、整體性及美觀，而且會從裂縫不斷進入水分破壞基層，導致路面承載力下降從而加速路面破壞。

常見的反射裂縫處治是采用瀝青灌封膠類材料沿裂縫表面進行灌縫或封縫，防止雨水沿裂縫滲入路面結構層，但灌縫或封縫僅能夠短時間內起到預防性作用，通常一年內需至少兩次灌縫，消耗大量的人力物力。同時長時間灌縫或封縫致使瀝青路面外觀質量差及行車舒適性降低。本文結合近年來G30連霍高速公路嘉安段養護工程項目，提出了設置橡膠瀝青應力吸收層后，采用橡膠粉與SBS復合改性瀝青混凝土罩面技術，有效延緩了裂縫反射，提高了瀝青路面綜合使用性能，延長了路面使用壽命。

1 橡膠粉與SBS復合改性瀝青性能

國內外關于橡膠瀝青的研究與應用結果表明[2]：橡膠瀝青及混合料在低溫抗裂、延緩反射裂縫、延長路面使用壽命、減輕行車噪聲等方面具有優良性能。但是，由于橡膠瀝青的特殊屬性以及國內外使用環境、路面材料、路面結構組成的差異，橡膠瀝青混合料的高溫穩定性有待進一步改善和提高。因此，本文正是將橡膠瀝青優良的低溫抗裂性能與SBS改性瀝青優良的高溫性能相結合，形成橡膠粉與SBS復合改性瀝青，從而同時具備優良的低溫抗裂性和高溫穩定性。

1.1 復合改性作用機理

橡膠粉與SBS復合改性瀝青主要由橡膠粉、SBS改性劑、基質瀝青和穩定劑組成。由于橡膠粉和SBS改性劑均與基質瀝青相容性較差，且橡膠粉與SBS改性劑之間無物理化學作用，故復合改性作用機理是由橡膠粉改性機理和SBS改性機理共同作用疊加而成。相容作用和溶脹作用是橡膠粉和SBS改性劑在基質瀝青中主要發生的反應[3]。

橡膠粉和SBS改性劑以顆粒狀態懸浮于基質瀝青中，通過吸附基質瀝青中的部分油分，表面擴張膨脹形成穩定的結構；橡膠粉顆粒表面形成一層光滑的凝膠膜，增加其與基質瀝青的耦合面積，加大了瀝青黏度，改善了瀝青對環境溫度的敏感性[3]，從而達到優良的高低溫性能。

1.2 復合改性瀝青性能試驗

1）原材料

基質瀝青采用SK生產的90#基質瀝青，性能指標見表1；橡膠粉采用40目的斜交胎橡膠粉，性能指標見表2[4]；SBS改性劑采用岳陽石化生產的線型YH-791，性能指標見表3。

表1 90#基質瀝青的性能指標

2）復合改性瀝青制備

生產復合改性瀝青時，橡膠粉和SBS改性劑的添加順序對復合改性瀝青性能影響較大，研究結果表明[5]：先摻加SBS后加橡膠粉方式的效果較好。本研究制備復合改性瀝青過程中，采用先摻加SBS改性劑進行高速剪切和膨脹發育，SBS在瀝青中吸收輕組分膨脹而相互之間形成網絡交聯的結構；再在發育好的SBS改性瀝青中摻入橡膠粉進行低速攪拌，橡膠粉對瀝青中多余的輕組分進行吸附膨脹，增加瀝青的稠度。

表2 路用廢舊輪胎橡膠粉的性能指標

表3 SBS改性劑的性能指標

3）橡膠粉與SBS不同摻量對瀝青性能的影響

剪切溫度為180℃，剪切速率8000r/min。橡膠粉以外摻15%、20%、25%為主，SBS摻量分別為1%、2%、3%、4%、5%。具體復合改性瀝青性能見圖1。

從圖1（a）可見，隨著SBS摻量的增加，復合改性瀝青的針入度減小明顯；在SBS摻量一定時，隨著橡膠粉摻量增加針入度也減小，但幅度不大。

從圖1（b）可見，當SBS摻量為1%～4%時，隨著SBS摻量增加，復合改性瀝青的軟化點顯著提高，當SBS摻量大于4%時，隨著SBS摻量增加，軟化點雖有提高，但提高幅度相對較??；在SBS摻量一定時，隨著橡膠粉摻量增加針入度增大。

從圖1（c）可見，隨著SBS摻量的增加，復合改性瀝青的180℃旋轉粘度增大；在SBS摻量一定時，隨著橡膠粉摻量增加180℃旋轉粘度顯著提高。

從圖1（d）可見，隨著SBS摻量的增加，復合改性瀝青的5℃延度顯著提高；在SBS摻量一定時，隨著橡膠粉摻量增加5℃延度也增大。

2 項目概況與設計方案

1）項目概況

G30連霍高速公路嘉安段位于河西戈壁地區，2007年建成通車。原基層與底基層均采用水泥穩定砂礫，瀝青面層為12cm厚瀝青混凝土。通車運營后，受當地氣候環境的影響，瀝青路面逐漸出現較多縱橫向反射裂縫，且逐年增加。

圖1 復合改性瀝青性能隨摻量變化曲線

圖2 縱橫向反射裂縫

2）設計方案

根據原路面病害情況，結合當地夏季炎熱、冬季嚴寒及晝夜溫差大等氣候特點，本研究中擬定了設置橡膠瀝青應力吸收層后，采用4cm厚橡膠粉/SBS復合改性瀝青混凝土ARHM-13W整體罩面的設計方案。結合橡膠粉與SBS復合改性瀝青性能研究結果及經濟性比較，最終確定復合改性生產采用90#基質瀝青，橡膠粉外摻20%，SBS改性劑內摻2%。復合改性瀝青的性能指標見表4。粗集料采用玄武巖，技術指標見表5。細集料采用石灰巖機制砂，技術指標見表6。

表4 復合改性的性能指標

表5 粗集料的技術指標

表6 細集料的技術指標

表7 ARHM-13W的合成級配通過率

礦料級配采用ARHM-13W的斷級配結構，其設計原理與SMA級配結構相同。配合比設計采用馬歇爾擊實成型，需要適量添加礦粉作為填料，級配采用較多粗集料形成骨架嵌擠結構，通過復合改性瀝青、礦粉及部分細集料形成的膠結料填充粗集料空隙，從而形成更好的抗車轍能力，同時采用較高用量的復合改性瀝青，其低溫抗裂性能、抗疲勞性能、抗變形適應能力等很大程度提高。

設計最佳油石比為6.5%，瀝青混合料體積指標見表8，瀝青混合料性能驗證結果見表9。

表8 瀝青混合料體積指標

表9 瀝青混合料性能驗證結果

3 路用性能評價

通過對實施復合改性瀝青混凝土罩面前、罩面后、運營兩年后的路面路用性能檢測，具體檢測指標見表10。檢測結果表明：罩面后與罩面前相比，路面綜合性能指數PQI提高 11.4，破損率 PCI提高 27.5，平整度 RQI和車轍RDI也有提高，提高幅度相對較??；運營兩年后與罩面后相比，路面綜合性能指數PQI下降2.1，破損率PCI下降2.9，下降幅度很小，說明其抑制裂縫的反射能力效果良好，平整度RQI和車轍RDI下降幅度也較小。

4 結語

1）在橡膠粉與SBS復合改性瀝青中，當SBS摻量一定時，橡膠粉摻量對復合改性瀝青180℃旋轉粘度、5℃延度指標顯著提高，對針入度、軟化點指標提高幅度相對較小；當橡膠粉摻量一定時，SBS對復合改性瀝青性能顯著提高，尤其是當SBS摻量為1%～4%時，隨著SBS摻量增加，復合改性瀝青的軟化點顯著提高，當SBS摻量大于4%時，隨著SBS摻量增加，軟化點雖有提高，但提高幅度相對較小。

2）橡膠粉與SBS復合改性瀝青混合料具有優良的低溫抗裂性和高溫穩定性。

3）針對河西戈壁地區半剛性基層反射裂縫的瀝青路面，設置橡膠瀝青應力吸收層后，采用橡膠粉與SBS復合改性瀝青混凝土ARHM-13W罩面后，路用性能顯著提高，尤其是抑制裂縫的反射能力顯著。為今后河西戈壁地區半剛性基層反射裂縫處治提供了技術依據。