“白加黑”工程应用橡胶沥青应力吸收层研究

黄海龙 郑彧

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

“白加黑”工程应用橡胶沥青应力吸收层研究

黄海龙 郑彧

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

通过在实际工程项目中使用橡胶沥青应力吸收层，研究橡胶沥青应力吸收层的设计流程、工作机理。研究以福州市上三路“白加黑”改造工程为依托，对橡胶沥青应力吸收层的配合比设计、评价指标、施工要点做了较系统的研究与总结，试探性地提出了关于橡胶应力吸收层检验的两种新方式，并对橡胶应力吸收层应用所存在的问题提出思考和建议。

橡胶沥青应力吸收层；评价指标;“白加黑”工程

0 引言

水泥混凝土是刚性材料，沥青混凝土是柔性材料，而在现有水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土，既能充分利用现有水泥路面剩余强度，节能环保，又能达到美观、降噪、提升行驶舒适性的效果，符合绿色环保型城市建设要求。但因水泥混凝土与沥青混凝土是两种不同模量级的材料，反射裂缝成为了水泥路面加铺沥青材料后的主要病害形式，如何有效增加沥青加铺层的疲劳寿命成为本文研究的重点。本文以橡胶沥青应力吸收层作为“白加黑”工程的应力吸收夹层，研究其工程应用的机理、评价指标及施工要点。

1 项目概况

福州市上三路位于福州市仓山区，道路起于三县洲南桥头环岛，沿线与首山路、南台路相交，终点至六一南路。本期改造全长1938.03m，现状车行道宽31m，道路车行道横断面呈双向6车道机，非共板布置，道路等级为城市主干路。现状机动车道为水泥混凝土路面，每块水泥砼板长5m，宽4.5m。目前，水泥砼路面行车噪音大，且出现纵横裂缝、网裂、错台、唧泥、断角等病害，行车舒适性及景观效果差，迫切需要对其进行改造。

2 对当前国内水泥砼路面改造方法简述、评价与选择

通过对道路周边路网路面结构形式的调查分析，为保证项目与周边道路路面类型的协调一致，且从经济、环保的角度综合考虑，本次拟定对原水泥砼路面进行“白加黑”罩面改造，而反射裂缝问题一直是“白加黑”改造项目中的通病与关键技术难题。

目前，国内对于水泥混凝土路面“白加黑”改造防反射裂缝的几种思路与方法[1]，如表1所示。

表1 现有“白加黑”防反射裂缝工艺技术比较分析表

综合比选以上几种“白加黑”改造防反射裂缝工艺，结合该工程的路面、交通、施工环境、综合投资等因素考虑，本次选用了施工周期短、开放交通早、性价比高、防反射裂缝强的橡胶沥青应力吸收层作为“白加黑”改造的防反射裂缝技术措施。

3 橡胶沥青应力吸收层施工前的准备工作

3.1 原水泥混凝土路面的病害调查及弯沉检测

为了解原机动车道水泥路面的承载能力及综合使用状况，对水泥砼路面分别进行了弯沉检测及路面破损调查。经沿线的现场病害调查资料分析，现状水泥砼板块总体状况良好，但部分水泥砼板块出现常规的病害，如纵、横、斜裂缝、网裂、唧泥、断角、错台等。

根据现场实测回弹弯沉结果得出，道路分幅弯沉检测结果如表2所示。

表2 上三路原水泥路面弯沉检测代表值

由此计算出旧路面的顶面当量回弹模量左幅为537MPa,右幅为677MPa。

3.2 原水泥混凝土路面病害的分类处置

原水泥路面病害分类处理应根据受荷板块的板角接缝弯沉值、接缝弯沉差及表观裂缝的形态来进行综合判定，主要分为以下4种处理方式：

(1)水泥板局部维修的处理；

(2)网裂处水泥板全板块换板的处理；

(3)板角开裂处水泥板局部维修的处理；

(3)错台处水泥板的换板处理；

(4)板块脱空注浆处治。

当混凝土板板角弯沉测试(BZZ-100)在20至45(0.01mm)时，该混凝土板视为脱空，对于已脱空水泥混凝土板，应进行注浆加固，如图1所示。

(a)钻孔 (b)注浆图1 旧水泥混凝土板脱空处的注浆处置

在旧水泥路面上加铺应力吸收层前，要对路面原有的构造缝及后期产生的裂缝进行灌缝处理。灌缝的沥青不可过多，否则在铺设应力吸收层后易发生泛油现象。对于局部破损或错台过于严重的水泥砼板块，因平整度不够，难以让橡胶沥青和集料撒铺均匀，无法起到消除应力集中作用。因此局部的破损必须要修复后方可铺设应力吸收层。

构造缝灌缝 粘层油的撒布图2 旧水泥混凝土构造缝灌粉及粘层油的撒布

同时，为确保原水泥路面的清洁与干燥，在应力吸收层施工以前要先对原面层进行清洗，再用鼓风机对路面吹，以保证橡胶沥青与原水泥砼面层之间的粘结性。

最后，在水泥砼路面上撒布0.7L/m2～1.1L/m2的PC-2乳化沥青粘层油。

4 橡胶应力吸收层材料、配比设计及施工工艺研究

4.1 原材料参数及技术要点

橡胶改性沥青是将废旧轮胎加工成为一定大小的橡胶粉颗粒，按一定比例掺入基质沥青中，并加入一些特定的改性剂，并在180°C以上的高温条件下充分拌合、溶胀，最终形成的改性沥青胶结材料。因其高弹、高黏、经济环保性能被广泛应用于道路结构的应力吸收层和沥青层。

4.1.1 基质沥青

该项目所使用的基质沥青采用A-70#沥青，具体的技术指标如表3所示。

表3 A-70号沥青技术指标

4.1.2 橡胶粉

橡胶粉是指废旧橡胶制品经粉碎加工处理得到的粉末状橡胶颗粒，其主要成分为天然胶(NR)和丁苯胶(SBR)等，橡胶含量约占 55%左右。上三路采用的橡胶粉细度为20目，掺比为18%～20%。

4.1.3 橡胶沥青

在制备橡胶沥青时，是通过将基质沥青和一定比例的橡胶粉在高速剪切机中拌合而成。合格的橡胶沥青除满足常规的三大指标外，其粘度指标是极其关键的控制指标。

该项目采用的橡胶沥青技术指标满足福建省工程建设地方标准DBJ/T13-160-2012《稳定型橡胶改性沥青应力吸收层施工技术规程》要求。

4.1.4 集料

应力吸收层宜采用的碎石应具有良好的颗粒度和优质的硬度。本次采用的碎石均以单一粒径为主，其各项技术指标符合DBJ/T13-160-2012《稳定型橡胶改性沥青应力吸收层施工技术规程》要求。

橡胶应力吸收层采用的集料应与橡胶沥青有良好的黏附性。必要时，在铺设前可用普通沥青与集料进行预裹附，以增强集料与橡胶沥青的黏附性。其次，在粒径方面，集料应按规格要求进行筛分，应采用单一粒径粗集料。一般来说，集料的最大粒径与应力吸收层的厚度基本相等。并要求预先在拌和机内加热、除尘，加热温度为150℃～170℃。

4.2 橡胶应力吸收层配合比设计

在明确了沥青和集料后，橡胶应力吸收层的配合比设计核心在于先确定控制应力吸收层的厚度。然后明确以何种评价指标为基础，对橡胶应力吸收层的橡胶沥青的撒布量及碎石撒布量做科学选择。

4.2.1 应力吸收层厚度选择

目前DBJ/T13-160-2012《稳定型橡胶改性沥青应力吸收层施工技术规程》里对应力吸收层的厚度允许范围为1cm～2cm。已有研究表明，随着应力吸收层厚度的增加，沥青层底面的应力逐渐增大，这是由于橡胶沥青应力吸收层的模量较小，厚度较大时就会形成一个软弱的下卧层，致使面层底部的应力过大而形成反射裂缝。因此，为达到较好防治面层反射裂缝的效果，应力吸收层的厚度不应过大，通常为0.5cm～1.5cm[2]。综合以上分析及充分考虑本项目经济性，本项目应力吸收层厚度选为1cm。

4.2.2 设计指标选用讨论

应力吸收层设计方法主要有理论法和经验法两种，经验法是目前沥青应力吸收层最常用的方法。它是由有经验的道路工程技术人员，根据多年施工经验，在结合料的剂量、碎石粒径及撒铺量的确定上采用类似工程的经验数据。并结合具体项目的路面状况，初步确定沥青用量和碎石撒布量，观测施工效果，将相应数据做适时的调整。该方法要求项目应在准备试铺的试验段。

现在也有学者提出一种半经验半理论的设计方法，即先根据经验选取不同的沥青用量和碎石撒布量，制备一个典型结构层试件“水泥板+应力吸收层+沥青罩面层”，制备完毕后进行取芯试验，以某个试验指标为结构层性能好坏的评判依据。

目前用来评价应力吸收层的主要指标有层间剪切强度、拉拔强度、抗疲劳性能、低温抗裂性。

图3 橡胶应力吸收层设计流程

(1)低温抗裂性

原水泥面板的温缩开裂，是产生罩面层开裂的主要因素之一，为抵抗水泥面板收缩产生的温度应力，必须要有较强的低温抗裂能力。因此，可采用低温弯曲试验来评价应力吸收层的低温抗裂能力。考虑到福州的冬季温度不低，且温差不大，因此低温抗裂性可不作为指标。

(2)层间拉拔性能

拉拔强度是用来评价应力吸收层与下层的粘结强度。在上三路改造项目中，应力吸收层与上下面层之间都有一层乳化沥青粘层油。这将很大程度加强了上下层与应力吸收层的粘结强度。因此在有铺设粘层油的情况下，该指标可不作为强制性评价指标。

(3)抗疲劳性能

沥青面层在车辆与温度耦合的作用下，首先在裂缝尖端处产生应力集中，反复多次作用后产生疲劳开裂，同时，裂缝进一步向上面层发展，最终形成贯穿整个路面结构层的反射裂缝。因此应力吸收层必须具备一定的抗疲劳性能，否则应力吸收层将失去其吸收应力的作用。因此可采用小梁四点弯曲试验作为其评价指标。考虑到抗疲劳性能试验设备及试验成本，该性能指标可视项目规模情况而定。

(4)层间剪切强度

由于应力吸收层是一种粘弹性材料，以其特有的韧性来协调层间的位移，吸收层间的应力来缓解裂缝的产生。如果它的高温性能不足，应力吸收层易产生老化，沥青原有的粘弹性就会被破坏。抗剪性能作为混合料高温性能的一个重要方面，因此采用直接剪切试验来评价应力吸收层的高温性能。

由于福州地区常年气温较高，因此高温剪切强度需纳入评价指标之一。

4.2.3 基于层间抗剪强度的应力吸收层材料组成设计

本项目参照已有的研究表明，在同一沥青撒布量下，随着碎石撒布量的增加，层间抗剪强度呈现出先增大后减小的趋势，在撒布量为14kg/m2左右时层间抗剪强度达到最大值。在碎石撒布量一定的情况下，随着沥青用量的增大，抗剪强度先增大后减小。在沥青洒布量2.2kg/m2时，剪切强度取得最大值，沥青洒布量从1.8kg/m2～2.2kg/m2抗剪强度不断增加，当大于2.2kg/m2沥青用量时，抗剪强度逐渐降低。

根据以上研究成果，本项目确定了基于抗剪切强度的橡胶沥青应力吸收层最佳碎石撒布量为14kg/m2，橡胶沥青最佳洒布量为2.2kg/m2，可达到覆盖率85%以上，且碎石无重叠[3]。

4.2.4 设计流程综述

综上论述研究，最终形成以下橡胶应力吸收层的设计流程,如图3所示。

4.3 施工要点

4.3.1 应力吸收层的洒布施工

为减小应力吸收层施工对交通的影响，本次应力吸收层的施工选在凌晨一点，采用半幅封闭半幅通车的交通组织方案。

沥青与粗集料的洒布量根据交通量、撒布层位、集料规格等因素综合确定，以石料嵌入沥青大约60%～70%为宜，粗集料撒布量以满铺80%碎石重量为宜。如果沥青撒铺量过大，容易产生面层泛油，自由沥青过多会提高层底的弯拉应变，如果沥青撒铺量过少，集料将无法被裹附充分，从而可以自由活动，形成不稳定的夹层，碎石容易产生应力集中，反而会加速面层的破坏。

本次确定橡胶沥青应力吸收层的碎石撒布量为14kg/m2，橡胶沥青最佳洒布量为2.2kg/m2，可保证覆盖率85%以上，且碎石无重叠。

为保证施工时集料与沥青能按预定的指标实施，施工前，项目组拟定了沥青与集料的“试撒布”方案。具体如下：制作一块1m×1m的方形板，并置于碎石封层车行驶路径中央，调节集料料斗撒布开关，让碎石封层车匀速驶过。随后将方形板中的碎石集中，并现场称重，反复几次该操作后，将料斗的碎石撒布量基本控制在14kg/m2节点。

沥青的试撒布操作与集料撒布类似，如图4所示。

图4 集料的试撒布

4.3.2 橡胶沥青拌合及运输

在生产橡胶沥青时，先将基质沥青快速加温至160℃～170℃，输送至搅拌设备中。先预设至少3个不同的橡胶粉掺量进行试验，将橡胶粉和基质沥青的拌合温度控制在170℃～200℃之间，拌合时间为1h。拌合完成后再输送至橡胶沥青智能撒布车内，运至施工现场，在运输过程中注意保温。

4.3.3 摊铺和碾压

(1)橡胶改性沥青洒布温度一般控制在180℃～190℃范围内。

(2)注意横、纵接头处的施工处理，横向接头位置，与前次施工的范围线搭接2m。

(3)雨水井口采用木板进行覆盖，路缘石采用彩条布覆盖保护。

(4)每台粗集料撒布车配备1～2名施工人员，跟随在撒布车后，对没有撒碎石部位进行人工补撒，对于只撒碎石没撒沥青的部位，人工将碎石清扫干净，重新撒布。

(5)沥青、粗集料撒布完成后，胶轮压路机紧跟撒布车进行碾压[4]。

(6)压路机慢速碾压，以避免集料产生推移，碾压遍数为1～2遍。碾压在较短的时间内完成，可防止温度下降难以压实，如图5所示。

(7)碾压完毕，待集料粘附在沥青层中并冷却后，用人工或机械清除多余的未粘结集料。

上三路橡胶沥青应力吸收层于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 质量检测

质量检测包括施工阶段的质量控制和竣工后的交工验收，分别如表4～表5所示。

表4 施工阶段质量控制

目前，国家尚未出台关于橡胶改性沥青应力吸收层的规范、规程。福建省于2013年1月1日开始施行福建省工程建设地方标准DBJ/T13-160-2012《稳定型橡胶改性沥青应力吸收层施工技术规程》，规程里面关于橡胶改性沥青应力吸收层交工检查与验收质量标准如表5所示。

表5 交工检查与验收质量标准

由表5可知，橡胶改性沥青应力吸收层交工检查与验收的质量标准主要以针刺、尺量和目测为主。

本次上三路改造中试探性地提出两种附加检验方式：

(1)将橡胶沥青应力吸收层开放交通进行直观检验。

橡胶沥青应力吸收层在福州市水泥混凝土路面“白加黑”改造中为首次尝试性运用，为更加直观地检验其粘结性及防反射裂缝性能，结合本次半幅施工交通组织形式，对施工成型后的橡胶沥青应力吸收层进行试验性的开放交通检验。经两天的通车检验，橡胶沥青应力吸收层未出现“起皮”“脱落”“开裂”等病害，其良好的粘结性及防反射裂缝性能初见成效，如图6所示。

图6 橡胶沥青应力吸收层施工后的开放交通检验

(2)通过钻芯取样的方式检验橡胶沥青应力吸收层的层间粘结性。

橡胶沥青应力吸收层及沥青罩面加铺完成后，对现场进行钻芯取样试验。从钻芯结果发现，试验中较难取出完整的芯样，芯样大多于沥青罩面层处发生断裂，部分芯样将水泥板表面粘掉了一些小块。因此，橡胶沥青应力吸收层与水泥路面板、沥青层保持紧密粘结，如图7所示。

该项目“白加黑”改造于2014年9月30日年完成施工，经过两个冬天的考验，目前机动车道上沥青均完好，未出现反射裂缝现象。但要全面地评价应力吸收层对延缓防治反射裂缝的效果，还需经过长期的追踪观测。

图7 现场钻芯断裂点检验

5 结语

橡胶沥青应力吸收层防反射裂缝技术是当前国内城市道路改造领域的一项新技术，可有效延缓水泥砼路面加铺沥青混凝土罩面中出现的反射裂缝、层间粘结问题和水损害等问题。随着该技术日趋完善及规范化，如何因地制宜地在福建地区城市道路改造中推广应用，对于福建地区水泥混凝土“白加黑”改造的技术完善、功能提升具有重大意义。

本文介绍了橡胶沥青吸收层的作用机理，论述了橡胶应力吸收层在原材料、设备控制、施工工艺等环节的技术控制要点，并结合福州市上三路改造工程，总结了橡胶应力吸收层的材料要求、施工要求、检测指标等具体工艺，提出了多角度、全方位的检验方式方法及关于橡胶应力吸收层检验的两种新方式。工程案例中的一套橡胶应力吸收层的设计、施工流程，为今后的工程实践提供借鉴。

目前，国家尚未出台关于橡胶改性沥青应力吸收层的规范、规程，对于橡胶沥青应力吸收层的检验标准更是空白。而福建省橡胶改性沥青应力吸收层交工检查与验收的地方质量标准主要以针刺、尺量和目测为主，在相关的室内、现场力学性能检测指标方面还有待完善。

[1] 高翠兰.应力吸收层沥青混合料路用性能及力学性能研究[D].济南：山东建筑大学,2011.

[2] 牛智华.高性能橡胶沥青应力吸收层应用技术研究[D].西安：长安大学,2011.

[3] 尚同羊,张苛.橡胶沥青应力吸收层设计方法探讨[J].郑州大学学报(工学版),2013,34(2):40-44.

[4] 李秋平，陈霞.橡胶沥青应力吸收层的作用机理及施工技术研究[J].公路交通科技(应用技术版),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

黄海龙(1985- ),男，工程师。

E-mail:550928015@qq.com

2017-05-17

TU997

A

1004-6135(2017)09-0079-06