“白加黑”路面橡膠瀝青應力吸收層的設計與應用

■任曉萍

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

福安市縱一線（郭厝塘）至白馬港區灣塢作業區公路為雙向六車道一級公路， 并兼具市政功能，主要服務周邊青拓、海利等大型鋼錠、鎳鉻合金生產企業，大型重載車輛多且超載現象較普遍，導致舊路面病害嚴重，路用性能下降。 為徹底解決該路段路況較差問題進而提高交通服務水平、提升灣塢鎮區形象、帶動當地經濟發展，亟需對該路段路面進行改造。 前期改造段落為站前路至半嶼隧道口段，路線總長約5.2 km，采用舊水泥砼路面“白加黑”提升改造方案。

“白加黑”改造充分利用了舊路面剩余強度，在降低工程造價的同時[1]，還能加快施工進度，較少封閉交通，將對周邊居民出行、企業生產和環境的影響降到最低，是舊水泥路面提升改造設計的首選方案， 改造后既能達到消除病害和運營使用要求，又能起到降噪和提升道路形象作用。

1 “白加黑”路面抗反射裂縫設計

由于舊水泥路面本身存在接縫以及運營過程車輛荷載導致不同程度的縱橫向裂縫、斷板、啃邊和錯臺等病害，使瀝青砼加鋪層處于復雜的受力狀態，當超過瀝青砼的強度時，便出現反射裂縫。 因此，“白加黑”路面的關鍵在于防治反射裂縫。 而減緩反射裂縫的重要措施之一，就是在舊水泥面板和瀝青加鋪層間設置抗反射裂縫夾層材料，以改善應力分布，提高抗變形能力，減緩反射裂縫。 在確定抗反射裂縫夾層材料之前應進行舊水泥路面交通量分析、路面病害狀況評定等基礎資料調查，以選擇性能良好且造價相對合理的材料。

2 基礎資料調查

2.1 交通量分析

根據交通量預測分析，本項目大型貨車、拖掛車比例較大，經計算，道路荷載等級屬特重交通。

2.2 舊路面結構調查

舊水泥砼路面結構為24 cm 水泥砼面板+1 cm瀝青封層+20 cm5%水泥穩定碎石+15 cm 填隙碎石。 對舊路面行車道進行鉆芯取樣，具體情況如下:（1）路面面層平均厚度為23.93 cm，基層水泥穩定碎石平均厚度為20.7 cm， 基本與原設計相符合。（2）水泥砼強度：抗壓強度平均值為41.95 MPa，略小于設計抗壓強度42 MPa； 彎拉強度平均值為5.31 MPa，大于設計強度5.0 MPa，基本與原設計相符合。

2.3 路表彎沉檢測

平均彎沉為15.3 (0.01 mm)，接縫傳荷系數約為68%，評價等級為中；板底脫空比率為27.2%，部分路段板底脫空較為嚴重，雨天多有唧漿，存在水損害。

2.4 路面破損狀況評定

水泥砼路面平均錯臺量上行7.7 mm， 下行8.5 mm，雙向8.1 mm，損壞狀況評定等級為次；斷板率上行12.95%，下行16.28%，雙向平均14.6%，損壞狀況評定等級為次。

根據上述調查結果，該路段已運營多年，路面結構破壞嚴重，雖多次進行零星修補、裂縫修復處治， 但長期在大型超載和重載貨車荷載作用下，舊水泥砼路面存在不少病害（圖1、圖2），須將病害處治到位后再加鋪瀝青罩面。

圖1 橫向裂縫嚴重

圖2 縱縫錯臺、啃邊嚴重

3 水泥路面“白加黑”抗反射裂縫方案

根據舊路面狀況評定結果，擬采用加鋪厚度不小于10 cm 的SBS 改性瀝青砼罩面， 采取合理、有效和經濟的減緩反射裂縫措施是本工程成功關鍵所在。

由于受道路兩側非機動車道、人行道和周邊企業、商鋪標高限制，機動車道路面加鋪厚度也被限制在12 cm 以內，無法采用增加瀝青層厚度或用大粒徑瀝青碎石的方式減緩反射裂縫，而混合料摻加改性劑后導致造價顯著增加，從技術和經濟角度考慮擬采用設置應力吸收層措施。

4 抗反射裂縫材料選擇

在加鋪層厚度受到限制的情況下，抗反射裂縫夾層材料主要考慮橡膠瀝青應力吸收層、格柵和無紡土工布三類，其材料特性和抗反射裂縫效果差異較大。

4.1 橡膠瀝青應力吸收層

橡膠瀝青使用廢棄輪胎，節能、環保，具有較強的高溫穩定性， 目前在道路工程建設中應用廣泛，如作為應力吸收層和瀝青混合料的組成部分。 橡膠瀝青應力吸收層是由橡膠瀝青層上撒布石料后，經嵌擠碾壓而形成的一種具有結構性支撐的碎石封層路面，厚度一般不超過2.5 cm。 其主要性能特點如下：（1）彈性和變形能力強，鋪設于水泥砼路面上能部分吸收水泥砼面板傳遞的彎拉應力、 剪切應力，提高路面抗反射裂縫的能力。 （2）粘結力較強，使瀝青鋪裝層與舊路面形成一個整體并共同受力，提高路面使用壽命[2]。 （3）橡膠瀝青所占比例較大，應力吸收層表面會形成瀝青膜，阻隔路表水下滲，起到封層作用，減少路面水損害。 同時，攤鋪瀝青罩面層時產生的熱量會讓應力吸收層表面二次融化，填充層間間隙，使得層間結合更加緊密，抗水損害性能更佳。

4.2 土工織物

土工織物是包括聚丙烯、聚酯和聚胺等。 土工織物具有分散接縫、裂縫處的荷載應力，但由于自身強度較低，抗剪切性能一般，適用于舊水泥路面整體評定指標優良的情況，而對于類似本工程這種綜合評定指數較差的項目，并不適用。

4.3 格柵

格柵種類眾多，主要材質有金屬類、聚酯類和玻纖類等。 以玻纖格柵為例，其具有耐腐蝕、抗疲勞、高強度、施工方便等特點，但降低加鋪層的荷載應力方面不如橡膠瀝青應力吸收層，雖然比土工織物強一些，但其不具備防水功能，當雨季路表滲水、地下水位較高或毛細水上升時，無法對瀝青加鋪層起到隔離和保護作用，而本項目處于南方沿海多雨環境，故格柵類材料不適用于本項目。

綜上所述，從長遠效果來看，設置橡膠瀝青應力吸收層是“白加黑”路面抗反射裂縫的理想方案。

5 原材料要求

5.1 膠粉

由于應力吸收層厚度較薄，故采用I 類膠粉，膠粉細度為25 目。 膠粉應粒度均勻，不含有害雜質。膠粉摻量應適度，摻量過多導致橡膠瀝青粘度過大造成攪拌困難，使膠粉無法與瀝青充分、有效反應[3]。膠粉在瀝青中的摻比（質量比）一般為19%～22%，超過22%時繼續增加摻量，其指標值改善效果已經不明顯。

5.2 集料

采用石質堅硬、無風化顆粒的堿性碎石，應按規格進行篩分，一般采用單一粒徑的粗集料，其粒徑為9.5～13.2 mm。

5.3 基質瀝青

用于撒布時， 一般采用80～100 （0.01 mm）和150～200（0.01 mm）兩種針入度界別的基質瀝青[4]，從項目所處氣候區域特性考慮，采用70 號瀝青。

5.4 橡膠瀝青

橡膠瀝青通過在基質瀝青中添加一定比例的橡膠粉，在高速剪切機中拌合而成。 制備前，應先對基質瀝青預熱， 膠結料反應時間控制在45 min 以上，且反應過程必須不斷攪拌。

6 應力吸收層厚度和配合比設計

應力吸收層的合理厚度0.5～2.5 cm， 因其模量較小，當厚度增大到一定程度后，反而會增加瀝青面層底面應力[5]，使得面層底部的彎拉應力過大而產生反射裂縫，應力吸收層的合理厚度取決于其所需發揮的作用大小以及采用的碎石粒徑，既可延緩反射裂縫又兼顧經濟性，綜合考慮后，本工程采用厚1.5 cm 的應力吸收層。

橡膠瀝青和集料作為橡膠瀝青應力吸收層的主要組成材料，只有合理組合才能最大限度地發揮其性能，因此對橡膠瀝青撒布量、碎石撒布量以及碎石與瀝青的粘附性通過試驗對比研究。

試驗采用車轍試模制作水泥砼試件，在溫度為（25±2）℃、濕度為95%條件下養護7 d，試塊表面烘干后灑布橡膠瀝青， 再撒布已采用0.4%油石比預裹的碎石，最后加鋪瀝青面層，碾壓成型，試件結構組合:4 cm 水泥砼+1 cm 橡膠瀝青應力吸收層+6 cm改性瀝青砼AC-13C，之后進行剪切試驗，剪切實驗設備采用MTS 綜合實驗機，如圖3 所示，并建立試驗模型（圖4）。

圖3 剪切實驗MTS 綜合試驗機

圖4 剪切實驗模型

6.1 橡膠瀝青撒布量

橡膠瀝青撒布量對舊水泥路面加鋪層抗反射裂縫起到重要的影響。 撒布量應控制得當，撒布過多會泛油，影響防裂效果；過少則瀝青無法充分包裹碎石，導致應力吸收層與瀝青加鋪層無法形成有效粘結，造成應力吸收層在復雜的車輛荷載和路面滲水雙重作用下，產生松散、推移等病害。 試驗參數選擇：橡膠瀝青撒布量范圍為1.5～3.0 kg/m2，碎石撒布量均為13.5 kg/m2（圖5）。試驗表明， 瀝青灑布量在2.3～2.5 kg/m2區間時，應力吸收層的抗剪切強度相對較高。

圖5 橡膠瀝青撒布量與剪切強度關系圖

6.2 碎石的撒布量

碎石的撒布量與瀝青撒布量相關，碎石撒布量合理與否對提高應力吸收層的防裂性能具有重要意義[6]。 碎石撒布量過少則無法與橡膠瀝青形成嵌鎖支撐結構，應力吸收層強度不足，降低防裂效果。試驗參數選擇：碎石撒布量范圍為8～18 kg/m2，橡膠瀝青撒布量均為2.4 kg/m2（圖6）。

圖6 碎石撒布量與剪切強度關系圖

試驗表明， 碎石撒布量在12～16 kg/m2時剪切強度相對較高。

6.3 碎石與瀝青的粘附性

不同等級粘附性的石料與瀝青的粘結性差別很大， 由于撒布型應力吸收層基本沒有細集料填充，瀝青與集料的粘結力對其性能的發揮起到重要作用，因此選擇具有優良粘附性石料也是提高應力吸收層抗剪切性能的重要措施。

為此，在室內對不同粘附性等級的碎石制成的應力吸收層試件分別進行抗剪切試驗，試驗時瀝青及碎石撒布量固定，選取5 種不同粘附性等級的碎石進行剪切試驗，結果見圖7。

圖7 碎石粘附性與剪切強度關系圖

試驗表明，當碎石與瀝青的粘附性達到3 級以上時， 橡膠瀝青應力吸收層抗剪切強度明顯提高，而4 級和5 級的抗剪強度增加不明顯，因此建議應力吸收層采用粘附性等級不小于3 級的碎石。

7 性能評價指標

目前評價橡膠瀝青應力吸收層的性能指標，主要有抗疲勞性能和抗剪切性能[7]。 由于水泥砼面板受溫度變化影響而在接縫位置伸縮或由于路床壓縮變形以及裂縫、接縫處錯臺，在車輛荷載反復作用下，接縫或裂縫位置的集中應力對應力吸收層產生疲勞和剪切破壞，抗疲勞性能一般采用小梁彎曲試驗結果進行評價，抗剪切效果一般采用剪切試驗結果進行評價。

8 施工工藝及注意事項

（1）施工前應對舊水泥砼路面病害進行處治：板底脫空須灌注水泥漿； 錯臺量超過5 mm 時采用磨平機磨平，超過10 mm 更換較低面板；縱、橫向裂縫灌縫處理；啃邊、掉角填補修復；網裂或沉陷的面板應更換。 病害處治到位后對面板表面進行拋丸，清除舊路面層薄弱層和污染物等， 避免二次污染，確保下承層干燥。 （2）預拌碎石：碎石必須加熱到一定溫度才能保證與瀝青良好粘結，根據經驗，一般控制在150～170℃， 并采用0.4%～0.6%的基質瀝青進行預裹。 （3）撒布橡膠瀝青：一般采用碎石同步封層車撒布橡膠瀝青，撒布均勻，撒布時溫度不得低于16℃、風速以不影響撒布效果為宜。 （4）撒布碎石：碎石應緊隨橡膠瀝青后撒布，避免瀝青溫度降低導致碎石嵌入橡膠瀝青層影響粘結質量。 碎石撒布應試撒確定，以均勻、不散失、不重疊為宜，局部漏灑時應立即人工補撒。 （5）碾壓：應使用膠輪壓路機（25 T 以上）進行碾壓，并在碎石撒布后立即進行碾壓作業，且盡可能緊隨碎石撒布機。 （6）清掃：碾壓后應檢查應力吸收層表面，若發現有松散碎石集結現象或雜物粘附，應清掃除掉，以提高應力吸收層與瀝青加鋪層的粘結強度。

9 改造后效果

本工程于2020 年10 月通過驗收并通車，改造后的道路行車舒服性和安全性得到大幅度提高。 項目改造通車運行將近1 年，經現場調查，僅涵洞臺背出現零星的輕微裂縫，沒有其他病害產生，路況良好。

10 結語

根據“白加黑”路面工程特點和抗反射裂縫材料的對比分析，結合工程實際應用，得出如下結論：（1）應力吸收層材料設計前，應了解項目所處區域氣候特點，對舊路面損壞狀況進行全面調查、評定，對交通量進行分析，以便選擇一種經濟合理的抗反射裂縫材料。 （2）橡膠瀝青各項指標受膠粉摻量影響，但摻量與性能并非成正比關系，具體摻量應根據實際使用要求控制在合理范圍，摻比（質量比）一般為19%～22%。 （3）橡膠瀝青應力吸收層厚度決定了碎石粒徑、橡膠瀝青撒布量和碎石撒布量，撒布量應結合室內試驗和工程應用相互驗證，一般橡膠瀝青撒布量控制在2.3～2.5 kg/m2， 碎石撒布量控制在12～16 kg/m2， 采用粘附性等級不小于3 級的碎石。 （4）原材料、配合比等不同設計參數影響應力吸收層在工程的應用效果，碎石天然粘附性、基質瀝青類型、施工時質量控制非常重要，必須注重各項設計指標和施工質量的雙重把控。 （5）工程實踐證明，橡膠瀝青應力吸收層已被工程運用證實具有高溫穩定性好、彈性變形及恢復能力強等特點，是延緩“白加黑”路面反射裂縫發展的理想材料。