橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在城市新建道路中的應(yīng)用研究

江智勇，潘思祎

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都 610000）

0 引 言

瀝青路面半剛性基層，由于具有較高的強(qiáng)度和承載能力，被廣泛用于道路結(jié)構(gòu)，但其存在一些早期病害，如反射裂縫等[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)新建道路投入使用1~2 a 內(nèi)均出現(xiàn)大量裂隙，根據(jù)鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果，大部分的道路裂縫都為半剛性基層引起的反射裂縫，且與氣候相關(guān)性不大。反射裂縫存在，一定程度上降低路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而加速路面彎曲破壞[3-4]，并且可能引起路面的其他類型病害[5]。我國地域跨度較大，自然環(huán)境變化復(fù)雜多變[6-7]，但路面結(jié)構(gòu)形式與材料配比設(shè)計(jì)基本不變[8]，其路面質(zhì)量主要與材料、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、管理等因素有關(guān)，由于半剛性基層材料為水硬性材料，其物理化學(xué)反應(yīng)持續(xù)較長時(shí)間，基層強(qiáng)度和剛度隨齡期增長而不斷增強(qiáng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)溫度和濕度敏感性[9-10]，若施工條件較差，可能引起干縮和溫縮，半剛性基層與上下層之間的磨阻作用減緩其收縮變形，從而形成拉應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致斷裂，產(chǎn)生缺陷。在水—力—溫度耦合作用下，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋逐漸萌生擴(kuò)展，發(fā)展成為貫通裂縫，導(dǎo)致路面裂縫的產(chǎn)生，常被稱為反射裂縫[11-13]。路面反射裂縫的產(chǎn)生也與其結(jié)構(gòu)形式單元有關(guān)[14]。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用新技術(shù)、新方法、新工藝，提高瀝青混合料路用性能，對降低道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)成本、延長使用壽命具有重要意義[15-16]。

本文通過研究橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的路用性能，并將其應(yīng)用于城市新建道路工程，對其施工工藝、質(zhì)量控制進(jìn)行重點(diǎn)分析，討論其在城市新建道路中的應(yīng)用。

1 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層路用性能

1.1 疲勞性能

圖1 為試樣示意圖與小梁試件，應(yīng)力吸收層厚為1 cm，應(yīng)力吸收層下為1 cm 瀝青混合料，其上為3 cm瀝青混合料，裂縫寬度為0.5 cm。試驗(yàn)溫度15℃，加載為應(yīng)變控制，控制應(yīng)變?yōu)?50 με，取10 萬次荷載作用下的勁度模量占初始模量百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（若抗疲勞性能較強(qiáng)，則勁度模量取初始勁度的50%時(shí)的次數(shù)）。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意圖與試樣

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，小梁試件的殘留勁度百分比為69.4%。

1.2 剪切性能

剪切試驗(yàn)試樣尺寸為φ 150 mm×105 mm 的圓柱體，采取現(xiàn)場鉆芯，并將其切割成標(biāo)準(zhǔn)試件，在其頂面（不涂透層）設(shè)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，然后在上面碾壓瀝青混合料，厚度為50 mm，試件成型按厚度控制在10.5 cm，經(jīng)過一定時(shí)間養(yǎng)生，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度分別為30℃。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試樣的抗剪強(qiáng)度為0.78 MPa，破壞時(shí)位移達(dá)到1.19 mm，其抗變形能力較強(qiáng)。

1.3 拉拔性能

拉拔試驗(yàn)試樣為φ 52 mm×90 mm 圓柱體，其中水泥穩(wěn)定碎石基層厚度40 mm，瀝青面層厚度40 mm，試件成型后用環(huán)氧樹脂將接頭粘牢，24 h 后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為30℃，加載速率為10 mm/min。

由表1 可知，膠結(jié)料用量為1.8 kg/m2時(shí)，試樣平均拉拔強(qiáng)度為0.34 MPa，膠結(jié)料用量為2.4 kg/m2時(shí)平均拉拔強(qiáng)度為0.35 MPa，膠結(jié)料用量為3.0 kg/m2的平均拉拔強(qiáng)度為0.37 MPa。隨著橡膠瀝青灑布量的增加，其拉拔強(qiáng)度呈增大的趨勢，其抗變形能力逐漸增強(qiáng)，一定程度上延緩反射裂縫的擴(kuò)展。

表1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

1.4 低溫抗裂性能

通過將輪碾法成型的板塊切割成250 mm×30 mm×35 mm 的棱柱體，并將其置于恒溫水槽（-10℃）中45 min 以上，調(diào)整支座支點(diǎn)間距為200 mm±0.5 mm，加載速率以50 mm/min。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試件的最大彎拉破壞應(yīng)變?yōu)? 242.71 με，彎曲勁度模量為 2 379.12 MPa，斷裂能為1.17J；具有較好的低溫抗裂性能。

2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層工程應(yīng)用

將橡膠瀝青應(yīng)力吸收層某城市新建道路工程，以抑制或減緩路面反射裂縫的產(chǎn)生，并對其施工工藝進(jìn)行分析，控制其施工過程質(zhì)量，并觀察其長期的使用效果。

2.1 原材料

本次道路新建工程橡膠瀝青應(yīng)力吸收層所用基質(zhì)瀝青為70#道路石油瀝青，其性能見表2。粗集料采用質(zhì)地堅(jiān)硬、干凈清潔，其技術(shù)性能見表3。橡膠粉無雜質(zhì)，纖維含量應(yīng)低于0.5%，含有4%的碳酸鈣，防止其產(chǎn)生粘結(jié)。集料石質(zhì)堅(jiān)硬、清潔，圖2 為基質(zhì)瀝青、粗集料和橡膠粉。

圖2 基質(zhì)瀝青、粗集料和橡膠粉

2.2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層施工

2.2.1 橡膠瀝青制備

先將70# 道路石油瀝青加熱到150℃~160℃，泵送至溶脹灌，同時(shí)加熱到190℃~200℃，待溫度穩(wěn)定后，再加入30 目橡膠粉，使其與基質(zhì)瀝青高速攪拌均勻，膠粉在高速攪拌過程中溶脹，攪拌時(shí)間為15～20 min，溫度保持在180℃～185℃之間。剪切分散后的橡膠瀝青輸送至反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)一步反應(yīng)，反應(yīng)溫度185℃～190℃，反應(yīng)時(shí)間30～35 min，完成橡膠瀝青制備。

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)參數(shù)

表3 集料技術(shù)參數(shù)

2.2.2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層施工

（1）施工準(zhǔn)備

施工前，應(yīng)將道路基層的表面清掃干凈，路基表面不得留有浮漿、雜物等。應(yīng)盡量使基層表面骨料顆粒部分裸露，以便與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層更好的粘結(jié)。

橡膠瀝青制備完成，其儲(chǔ)存量能滿足施工要求，粗集料準(zhǔn)備充足，施工機(jī)械設(shè)備（同步碎石封層車、25 t 膠輪壓路機(jī)等）準(zhǔn)備就緒。

（2）施工

采用同步碎石封層車進(jìn)行橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的施工（見圖3）。應(yīng)先將高溫（185℃～190℃）的橡膠瀝青均勻的灑布在清理后的基層上，隨時(shí)檢查橡膠瀝青的灑布量，以便及時(shí)調(diào)整灑布量。瀝青灑布不足或漏灑，可采取人工進(jìn)行補(bǔ)灑。

圖3 同步封層車施工

碎石撒布應(yīng)緊跟橡膠瀝青灑布，以防止橡膠瀝青灑布后，溫度降低過快導(dǎo)致橡膠瀝青與碎石之間的粘結(jié)力不足。施工過程中，應(yīng)隨時(shí)檢測碎石撒布量。碎石撒布不足或漏撒，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)灑。

碾壓應(yīng)在碎石撒布完成后及時(shí)進(jìn)行，采用25 t膠輪壓路機(jī)進(jìn)修碾壓，并與同步碎石封層車保持5 m以內(nèi)（見圖4）。為防止因溫度降低較快導(dǎo)致橡膠瀝青與碎石的粘結(jié)力減弱，碾壓應(yīng)及時(shí)進(jìn)行，否則會(huì)降低應(yīng)力吸收層的施工質(zhì)量，進(jìn)一步影響路面的抗裂效果。因此初壓時(shí)，橡膠瀝青溫度不低于100℃。

圖4 碾壓

碾壓完畢后，人工清掃應(yīng)力吸收層表面松散的碎石，避免瀝青面層與其之間的粘結(jié)降低，影響路面整體性能。

2.3 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層施工檢測

現(xiàn)場施工檢測主要包含橡膠瀝青及灑布量、粗集料撒布量、外觀檢查以及剎車試驗(yàn)等。

（1）橡膠瀝青

施工前，制備的橡膠瀝青應(yīng)滿足技術(shù)要求，施工現(xiàn)場以橡膠瀝青針入度、軟化點(diǎn)、回彈模量作為質(zhì)量控制指標(biāo)，對原材料進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果見表4，滿足規(guī)范要求。

表4 橡膠瀝青檢測結(jié)果

（2）橡膠瀝青灑布量

先測量工程紙的質(zhì)量和尺寸，再將其放在路基頂面，待同步封層車經(jīng)過后，稱量工程紙的質(zhì)量，并進(jìn)行記錄，見圖5。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橡膠瀝青的平均灑布量為2.8 kg/m2，滿足要求。

圖5 現(xiàn)場瀝青量檢測

（3）集料撒布量

在碎石撒布車行經(jīng)的路面上預(yù)先放好托盤，記錄托盤質(zhì)量與尺寸，當(dāng)碎石撒布車經(jīng)過后，測量托盤質(zhì)量，并記錄，見圖6。集料平均撒布量為12.1 kg/m2，滿足規(guī)范要求。

圖6 碎石撒布量檢測

（4）剎車試驗(yàn)

應(yīng)力吸收層施工完成24 h 后，用BZZ-60 標(biāo)準(zhǔn)汽車，以50 km/h 車速行駛過程中進(jìn)行緊急制動(dòng)，觀察吸收層的粘結(jié)性能，見圖7。由結(jié)果可知，試驗(yàn)后，應(yīng)力吸收層表面基本完好，未發(fā)生碎石脫落現(xiàn)象，瀝青層也未出現(xiàn)破裂，表明其抗剪切能力較強(qiáng)。

圖7 現(xiàn)場剎車試驗(yàn)

（5）外觀檢查

施工過程中，隨時(shí)進(jìn)行外觀檢查，見圖8。應(yīng)使粗集料撒布均勻，無露撒，橡膠瀝青無起皮、油包以及基層外露等，并且與基層的粘結(jié)應(yīng)牢固。

圖8 外觀檢查

2.4 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)用效果

路面施工完成后，對其施工路段的路面狀況進(jìn)行觀測，見圖9。發(fā)現(xiàn)通車使用3 a 后，瀝青路面狀況完好，無裂縫出現(xiàn)，表現(xiàn)出較好的防裂效果。

3 結(jié) 論

本文基于對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的路用性能試驗(yàn)，詳細(xì)分析了應(yīng)力吸收層的疲勞、剪切、拉拔和低溫抗裂性能，在此基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于某城市新建道路工程，并通過對施工路段進(jìn)行跟蹤觀測，分析其防止或延緩半剛性基層反射裂縫的可行性。通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合工程現(xiàn)場應(yīng)用，總結(jié)了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的施工工藝和質(zhì)量控制重點(diǎn)，為其廣泛應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

圖9 路面裂縫觀測