河西戈壁地区沥青路面裂缝处治技术应用研究

张富奎 刘大海

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

反射裂缝是半刚性基层沥青路面最常见的病害之一，尤其是在河西戈壁地区气候干旱少雨、夏季温度高、冬季严寒、日照强烈、昼夜温差大，同时河西戈壁地区天然砂砾资源十分丰富，早期建设的高速公路基层与底基层大都采用水泥稳定砂砾混合料。水泥稳定砂砾半刚性基层的沥青路面结构层，在这种气候环境和温度变化反复作用下，极易产生干缩或温缩裂缝[1]。反射裂缝的产生不仅破坏路面的连续性、整体性及美观，而且会从裂缝不断进入水分破坏基层，导致路面承载力下降从而加速路面破坏。

常见的反射裂缝处治是采用沥青灌封胶类材料沿裂缝表面进行灌缝或封缝，防止雨水沿裂缝渗入路面结构层，但灌缝或封缝仅能够短时间内起到预防性作用，通常一年内需至少两次灌缝，消耗大量的人力物力。同时长时间灌缝或封缝致使沥青路面外观质量差及行车舒适性降低。本文结合近年来G30连霍高速公路嘉安段养护工程项目，提出了设置橡胶沥青应力吸收层后，采用橡胶粉与SBS复合改性沥青混凝土罩面技术，有效延缓了裂缝反射，提高了沥青路面综合使用性能，延长了路面使用寿命。

1 橡胶粉与SBS复合改性沥青性能

国内外关于橡胶沥青的研究与应用结果表明[2]：橡胶沥青及混合料在低温抗裂、延缓反射裂缝、延长路面使用寿命、减轻行车噪声等方面具有优良性能。但是，由于橡胶沥青的特殊属性以及国内外使用环境、路面材料、路面结构组成的差异，橡胶沥青混合料的高温稳定性有待进一步改善和提高。因此，本文正是将橡胶沥青优良的低温抗裂性能与SBS改性沥青优良的高温性能相结合，形成橡胶粉与SBS复合改性沥青，从而同时具备优良的低温抗裂性和高温稳定性。

1.1 复合改性作用机理

橡胶粉与SBS复合改性沥青主要由橡胶粉、SBS改性剂、基质沥青和稳定剂组成。由于橡胶粉和SBS改性剂均与基质沥青相容性较差，且橡胶粉与SBS改性剂之间无物理化学作用，故复合改性作用机理是由橡胶粉改性机理和SBS改性机理共同作用叠加而成。相容作用和溶胀作用是橡胶粉和SBS改性剂在基质沥青中主要发生的反应[3]。

橡胶粉和SBS改性剂以颗粒状态悬浮于基质沥青中，通过吸附基质沥青中的部分油分，表面扩张膨胀形成稳定的结构；橡胶粉颗粒表面形成一层光滑的凝胶膜，增加其与基质沥青的耦合面积，加大了沥青黏度，改善了沥青对环境温度的敏感性[3]，从而达到优良的高低温性能。

1.2 复合改性沥青性能试验

1）原材料

基质沥青采用SK生产的90#基质沥青，性能指标见表1；橡胶粉采用40目的斜交胎橡胶粉，性能指标见表2[4]；SBS改性剂采用岳阳石化生产的线型YH-791，性能指标见表3。

表1 90#基质沥青的性能指标

2）复合改性沥青制备

生产复合改性沥青时，橡胶粉和SBS改性剂的添加顺序对复合改性沥青性能影响较大，研究结果表明[5]：先掺加SBS后加橡胶粉方式的效果较好。本研究制备复合改性沥青过程中，采用先掺加SBS改性剂进行高速剪切和膨胀发育，SBS在沥青中吸收轻组分膨胀而相互之间形成网络交联的结构；再在发育好的SBS改性沥青中掺入橡胶粉进行低速搅拌，橡胶粉对沥青中多余的轻组分进行吸附膨胀，增加沥青的稠度。

表2 路用废旧轮胎橡胶粉的性能指标

表3 SBS改性剂的性能指标

3）橡胶粉与SBS不同掺量对沥青性能的影响

剪切温度为180℃，剪切速率8000r/min。橡胶粉以外掺15%、20%、25%为主，SBS掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%。具体复合改性沥青性能见图1。

从图1（a）可见，随着SBS掺量的增加，复合改性沥青的针入度减小明显；在SBS掺量一定时，随着橡胶粉掺量增加针入度也减小，但幅度不大。

从图1（b）可见，当SBS掺量为1%～4%时，随着SBS掺量增加，复合改性沥青的软化点显著提高，当SBS掺量大于4%时，随着SBS掺量增加，软化点虽有提高，但提高幅度相对较小；在SBS掺量一定时，随着橡胶粉掺量增加针入度增大。

从图1（c）可见，随着SBS掺量的增加，复合改性沥青的180℃旋转粘度增大；在SBS掺量一定时，随着橡胶粉掺量增加180℃旋转粘度显著提高。

从图1（d）可见，随着SBS掺量的增加，复合改性沥青的5℃延度显著提高；在SBS掺量一定时，随着橡胶粉掺量增加5℃延度也增大。

2 项目概况与设计方案

1）项目概况

G30连霍高速公路嘉安段位于河西戈壁地区，2007年建成通车。原基层与底基层均采用水泥稳定砂砾，沥青面层为12cm厚沥青混凝土。通车运营后，受当地气候环境的影响，沥青路面逐渐出现较多纵横向反射裂缝，且逐年增加。

图1 复合改性沥青性能随掺量变化曲线

图2 纵横向反射裂缝

2）设计方案

根据原路面病害情况，结合当地夏季炎热、冬季严寒及昼夜温差大等气候特点，本研究中拟定了设置橡胶沥青应力吸收层后，采用4cm厚橡胶粉/SBS复合改性沥青混凝土ARHM-13W整体罩面的设计方案。结合橡胶粉与SBS复合改性沥青性能研究结果及经济性比较，最终确定复合改性生产采用90#基质沥青，橡胶粉外掺20%，SBS改性剂内掺2%。复合改性沥青的性能指标见表4。粗集料采用玄武岩，技术指标见表5。细集料采用石灰岩机制砂，技术指标见表6。

表4 复合改性的性能指标

表5 粗集料的技术指标

表6 细集料的技术指标

表7 ARHM-13W的合成级配通过率

矿料级配采用ARHM-13W的断级配结构，其设计原理与SMA级配结构相同。配合比设计采用马歇尔击实成型，需要适量添加矿粉作为填料，级配采用较多粗集料形成骨架嵌挤结构，通过复合改性沥青、矿粉及部分细集料形成的胶结料填充粗集料空隙，从而形成更好的抗车辙能力，同时采用较高用量的复合改性沥青，其低温抗裂性能、抗疲劳性能、抗变形适应能力等很大程度提高。

设计最佳油石比为6.5%，沥青混合料体积指标见表8，沥青混合料性能验证结果见表9。

表8 沥青混合料体积指标

表9 沥青混合料性能验证结果

3 路用性能评价

通过对实施复合改性沥青混凝土罩面前、罩面后、运营两年后的路面路用性能检测，具体检测指标见表10。检测结果表明：罩面后与罩面前相比，路面综合性能指数PQI提高 11.4，破损率 PCI提高 27.5，平整度 RQI和车辙RDI也有提高，提高幅度相对较小；运营两年后与罩面后相比，路面综合性能指数PQI下降2.1，破损率PCI下降2.9，下降幅度很小，说明其抑制裂缝的反射能力效果良好，平整度RQI和车辙RDI下降幅度也较小。

4 结语

1）在橡胶粉与SBS复合改性沥青中，当SBS掺量一定时，橡胶粉掺量对复合改性沥青180℃旋转粘度、5℃延度指标显著提高，对针入度、软化点指标提高幅度相对较小；当橡胶粉掺量一定时，SBS对复合改性沥青性能显著提高，尤其是当SBS掺量为1%～4%时，随着SBS掺量增加，复合改性沥青的软化点显著提高，当SBS掺量大于4%时，随着SBS掺量增加，软化点虽有提高，但提高幅度相对较小。

2）橡胶粉与SBS复合改性沥青混合料具有优良的低温抗裂性和高温稳定性。

3）针对河西戈壁地区半刚性基层反射裂缝的沥青路面，设置橡胶沥青应力吸收层后，采用橡胶粉与SBS复合改性沥青混凝土ARHM-13W罩面后，路用性能显著提高，尤其是抑制裂缝的反射能力显著。为今后河西戈壁地区半刚性基层反射裂缝处治提供了技术依据。