橡膠瀝青復(fù)合封層在水泥路面改造工程中的應(yīng)用研究

鄧海斌，馬 翔，鄧德毅，譚 樂

(1.湖州市公路管理局 湖州市 313000；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 南京市 210037)

0 引言

隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，道路使用者也對行車舒適性要求越來越高，早期修建的水泥混凝土路面因其噪音大、行車舒適性差的缺點正面臨著“白改黑”，所謂“白改黑”就是將原來的白色水泥路面改為黑色的瀝青路面[1]。當(dāng)前，常用的水泥路面“白改黑”技術(shù)主要有移除舊水泥混凝土板后重鋪瀝青混凝土、舊水泥混凝土板破碎后罩面瀝青混凝土、直接罩面瀝青混凝土三種技術(shù)[2-3]，其中前兩種技術(shù)并不能利用舊水泥混凝土板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，第三種技術(shù)可以利用舊水泥混凝土板提高路面的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但卻需要解決如何克服反射裂縫的問題。

水泥混凝土路面“白改黑”工程中的抗反射裂縫技術(shù)方案有加厚瀝青面層厚度、鋪設(shè)應(yīng)力吸收層、鋪設(shè)土工織物等，已有的室內(nèi)研究及實體工程實踐表明：在水泥混凝土面板上鋪設(shè)一層橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可以提高復(fù)合結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能和罩面層的抗反射裂縫能力[4-7]。在此結(jié)論的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種由多層橡膠瀝青碎石封層組成的橡膠瀝青復(fù)合封層解決水泥路面“白改黑”工程薄層罩面的反射裂縫和層間粘結(jié)問題。

1 橡膠瀝青復(fù)合封層的定義

橡膠瀝青復(fù)合封層結(jié)構(gòu)由多層橡膠瀝青同步碎石封層組成，具體結(jié)構(gòu)由下至上為：1～2層中粒式橡膠瀝青同步碎石封層+1～2層細(xì)粒式橡膠瀝青同步碎石封層。在該結(jié)構(gòu)中，多層不同粒徑的橡膠瀝青同步碎石封層，一方面通過嵌擠保持封層的穩(wěn)定，另一方面通過橡膠瀝青優(yōu)異的彈性消散路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，抵抗反射裂縫。

本研究所采用的橡膠瀝青復(fù)合封層為雙層結(jié)構(gòu)，下層橡膠瀝青碎石封層所采用的碎石粒徑范圍為10～15mm，碎石用量為15kg/m2±3kg/m2，瀝青用量為2.0kg/m2±0.3kg/m2；上層橡膠瀝青碎石封層所采用的碎石粒徑范圍為5～10mm，碎石用量為10kg/m2±2kg/m2，上層瀝青用量為1.5kg/m2±0.3kg/m2。此外，由于碎石封層一般不能直接應(yīng)用于等級公路的表面層，因此，在鋪設(shè)橡膠瀝青復(fù)合封層后一般需要在其上罩面瀝青混凝土，本研究依托工程的表面層采用3cmSMA-10，室內(nèi)研究時也采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗評價。

2 室內(nèi)試驗研究

鑒于橡膠瀝青復(fù)合封層在“白改黑”工程中的作用，本研究重點對復(fù)合橡膠瀝青封層的粘結(jié)性能和抗裂性能室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行了評價。

2.1 粘結(jié)性能評價

舊水泥混凝土板與新鋪結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)性能是橡膠瀝青復(fù)合封層研究時應(yīng)該重點關(guān)注的技術(shù)問題，為此，本研究分別對乳化瀝青碎石封層、單層橡膠瀝青碎石封層、雙層橡膠瀝青碎石封層作為粘結(jié)層的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切試驗和拉拔試驗[8-10]，試驗溫度均為25℃，剪切試驗加載速率為8mm/min，拉拔試驗加載速率為6mm/min，其試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同粘結(jié)層材料復(fù)合結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)強(qiáng)度

從表1中的試驗結(jié)果可知，橡膠瀝青碎石封層的拉拔強(qiáng)度明顯優(yōu)于乳化瀝青碎石封層，單層橡膠瀝青碎石封層的剪切強(qiáng)度略高于乳化瀝青碎石封層，而雙層橡膠瀝青碎石封層的剪切強(qiáng)度明顯高于單層橡膠瀝青碎石封層，由此可見，橡膠瀝青相對乳化瀝青而言，具有優(yōu)良的粘結(jié)性能，而雙層橡膠瀝青碎石封層相對單層碎石封層而言具有更優(yōu)的嵌擠結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更好的抗剪能力。

2.2 抗裂性能評價

反射裂縫是水泥路面“白改黑”工程中的典型病害，因此除了粘結(jié)性能以外，用于水泥路面“白改黑”工程中的粘結(jié)層還應(yīng)具有優(yōu)異的抗裂性能，本研究還對橡膠瀝青復(fù)合封層的抗裂性能進(jìn)行了研究。目前，諸多用于評價防止反射裂縫的試驗方法由于試驗周期長，對試驗設(shè)備及試驗人員的要求較高，不宜作為常規(guī)的試驗方法。因此，本研究采用了一種簡單易行的方法來評價橡膠瀝青復(fù)合封層抵抗反射裂縫的能力——沖擊韌性試驗[11]。沖擊韌性代表材料在沖擊荷載作用下發(fā)生斷裂前積蓄的能量，主要用于材料斷裂產(chǎn)生新表面所需要的能量，沖擊韌性值越大，材料抵抗反射裂縫的能力越強(qiáng)[12]。試驗過程中將封層與SMA-10瀝青混凝土組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)切割成250mm×35mm×35mm的小梁試件，切割過程中完全保留封層結(jié)構(gòu)，將小梁試件放置于-10℃的環(huán)境箱中保溫4h后，在萬能材料試驗機(jī)上以500mm/min的速率進(jìn)行小梁彎曲試驗，通過彎曲試驗的位移-力曲線計算得到各試件的沖擊韌性。

研究過程中為了考慮外界環(huán)境因素對其抗裂性能的影響，考慮凍融循環(huán)條件，分別對凍融前后的試件進(jìn)行試驗，凍融循環(huán)條件為：凍，-18℃空氣浴中放置16h；融，60℃水浴中放置24h；循環(huán)三次。凍融循環(huán)后試件的沖擊韌性如表2所示。

表2 不同封層類型沖擊韌性試驗結(jié)果

從表2中的試驗結(jié)果可以看出，橡膠瀝青封層較乳化瀝青封層具有更為優(yōu)異的抗裂性能，且抗凍融能力更強(qiáng)，具有更好的抗裂耐久性。

3 試驗段施工工序及關(guān)鍵控制

基于室內(nèi)的研究成果，項目組于2016年10月在湖州市S306鹿唐線原吳興收費(fèi)站處實施了橡膠瀝青復(fù)合封層“白改黑”的試驗段，該路段是湖州通往安徽的主干道，交通量為特重交通，試驗段實施結(jié)構(gòu)方案如圖1所示：

圖1 試驗段結(jié)構(gòu)示意圖

其現(xiàn)場施工工序及關(guān)鍵控制如下：

(1)舊水泥混凝土板病害處治

實施橡膠瀝青復(fù)合封層之前，首先應(yīng)對舊水泥混凝土的病害進(jìn)行徹底處治，尤其是脫空、錯臺病害，并在此基礎(chǔ)上對表面進(jìn)行徹底清掃，確保表面潔凈、干燥。

(2)橡膠瀝青碎石封層撒布

本次試驗段橡膠瀝青復(fù)合封層結(jié)構(gòu)分三層撒布。第一層：橡膠瀝青用量2kg/m2，碎石粒徑15～20mm；第二層：橡膠瀝青用量1.5kg/m2，碎石粒徑10～15mm；第三層：橡膠瀝青用量1.0kg/m2，碎石粒徑5～10mm。各層橡膠瀝青碎石封層的施工采用同步碎石封層車施工。

(3)膠輪碾壓

每層橡膠瀝青碎石封層撒布結(jié)束后應(yīng)緊跟25t以上的膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓遍數(shù)為3～5遍，從灑布橡膠瀝青到碾壓完成應(yīng)在10min內(nèi)完成，碾壓完成后再進(jìn)行下層橡膠瀝青碎石封層的施工。

(4)開放交通碾壓

橡膠瀝青復(fù)合封層施工碾壓完成后即可開放交通，通過交通的碾壓形成復(fù)合封層間良好的嵌擠結(jié)構(gòu)，從而形成優(yōu)良的穩(wěn)定性和抗裂性能。

(5)表面層施工

開放交通碾壓后的橡膠瀝青復(fù)合封層會有少量粘結(jié)不牢的碎石在車輪荷載作用下聚集在道路兩側(cè)，在施工表面層SMA-10之前，應(yīng)該清理掉表面散落的碎石，表面層SMA-10的施工工藝與常規(guī)SMA瀝青混凝土相同。

4 跟蹤觀測與評價

在項目實施1年后，項目組對橡膠瀝青復(fù)合封層試驗段的具體使用情況進(jìn)行了跟蹤觀測與評價，從現(xiàn)場跟蹤觀測情況來看，試驗段未出現(xiàn)推移病害，但出現(xiàn)了少量裂縫，具體裂縫統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 試驗段裂縫統(tǒng)計結(jié)果(條)

總體而言，截止調(diào)查的時間S306試驗段雙向出現(xiàn)了16條裂縫(4車道×150m)，其中貫穿裂縫3條，1條出現(xiàn)在起點。3條貫穿的裂縫均是出現(xiàn)在新澆注水泥混凝土板和舊水泥混凝土板的接縫處，由于工期緊，澆注后的第7d即進(jìn)行了橡膠瀝青復(fù)合封層的施工，新澆注水泥混凝土缺少足夠的養(yǎng)生時間，導(dǎo)致新澆注水泥混凝土在后期會出現(xiàn)顯著的收縮變形，接縫處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)反射裂縫。項目組選擇裂縫處進(jìn)行了取芯評價，如圖2所示。

圖2 裂縫處取芯

從圖2中可以看出，裂縫處存在明顯的錯臺病害，由此可見，原路面錯臺病害未徹底處治導(dǎo)致試驗段裂縫較早產(chǎn)生?？傮w而言，水泥混凝土路面改造工程中采用橡膠瀝青復(fù)合式封層+ 3cm薄層瀝青混凝土罩面的方案，在重載交通作用下，依舊表現(xiàn)出較好的抗裂、粘結(jié)性能，但在后期類似工程的推廣應(yīng)用過程中應(yīng)特別重視舊路面病害的處治，以防出現(xiàn)反射裂縫病害。

5 結(jié)論

(1)雙層橡膠瀝青碎石封層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度是常用的乳化瀝青碎石封層和單層橡膠瀝青碎石封層的兩倍，可有效防治水泥混凝土路面罩面后出現(xiàn)推移病害；

(2)雙層橡膠瀝青碎石封層可提高復(fù)合結(jié)構(gòu)沖擊韌性值近20%，且凍融循環(huán)后其抗裂性能衰減幅度最小，表現(xiàn)出良好的抗裂性能及耐候性；

(3)橡膠瀝青復(fù)合封層試驗段在特重交通下的使用性能，驗證了雙層橡膠瀝青碎石封層優(yōu)異的粘結(jié)性和抗裂性能。

綜上所述，橡膠瀝青復(fù)合封層結(jié)構(gòu)為水泥路面“白改黑”工程提供了一種抗反射裂縫技術(shù)方案，尤其在薄層罩面方案中其技術(shù)優(yōu)勢明顯。但實體工程應(yīng)用時間較短，其后期使用性能有待進(jìn)一步跟蹤觀測。