橡胶沥青碎石封层在沥青路面养护中的应用研究

张二毛　侯剑楠　钟浩生

作者简介：

张二毛（1982—），高级工程师，主要从事工程项目管理工作。

摘要：为研究橡胶沥青碎石封层在沥青路面养护中的性能效果，文章通过碾压试验、湿轮磨耗试验、低温冲击试验对其路用性能进行了试验分析。结果表明：碾压试验中，构造深度主要受碎石粒径和沥青层厚度影响，碾压初期摩擦系数主要取决于构造深度，经过荷载长期作用后，摩擦系数主要受构造深度和碎石棱角性影响;湿轮磨耗试验中，橡胶沥青碎石封层脱石率比普通沥青碎石封层脱石率低1.8%;低温冲击试验中，橡胶沥青碎石封层脱石率比普通沥青碎石封层脱石率低96.5%，说明橡胶沥青碎石封层可有效改善沥青路面抗水损坏性能和低温性能。通过实际工程验证，橡胶沥青碎石封层的弯沉、压实度、抗压强度均满足要求且显著高于普通沥青碎石封层。

关键词：橡胶沥青;碎石封层;养护;应用

中国分类号：U418.6A220815

0 引言

随着经济的快速发展，我国道路交通事业也进入飞速发展的阶段，截至2019年年末，我国高速公路总里程达到14.96万km。沥青路面因具有表明平整、无接缝、行车舒适、噪音低等优点而被广泛应用于高等级道路中。但因为交通量迅速增大、车辆严重超载和渠化交通等因素的影响，沥青路面出现裂缝、车辙、坑槽等早期病害[1]，严重影响道路路用性能，如何解决沥青路面早期损害成为亟待解决的问题。随着我国公路建设水平的逐渐发展，道路工作者开始关注预防性养护技术[2]。

碎石封层作为一种抗滑性能优异、防水性能良好、施工成本低且施工速度快的路面结构，正逐步推广应用于道路养护和新建路面中。但碎石封层在使用过程中因高温稳定性、粘结性不足而出现泛油、碎石脱落等问题[4]，为解决这些问题，研究人员从材料组成出发提出橡胶沥青碎石封层。橡胶沥青碎石封层以橡胶沥青为胶结料，集橡胶沥青和碎石封层优点于一体，大大提高了各项路用性能。同时，橡胶沥青在公路工程中的应用解决了废旧轮胎“黑色污染”问题，具有节能环保的优点，符合交通运输部提出的“建设资源节约、环境友好型行业”理念[3]。

本文通过室内试验和现场检测，对比分析橡胶沥青碎石封层和普通沥青碎石封层各项性能之间的差异，研究橡胶沥青碎石封层的实际应用效果。

1 原材料及试件制作

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青和橡胶改性沥青

本文选用的基质沥青和橡胶改性沥青主要技术指标如表1～2所示。

1.1.2 集料

实际工程中碎石封层集料一般采用单粒径碎石。本文选用粒径为4.75～9.5 mm的石灰岩，各项性能指标如表3所示。

1.2 碎石封层试件制作

1.2.1 垫块

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的沥青混合料试件制作方法，制作尺寸为300 mm×300 mm×40 mm的沥青混凝土试件作为试验用垫块，选取级配AC-16，级配曲线如图1所示。

1.2.2 碾压试验试件

制备碾压试验试件流程如下：首先取162 g沥青、1 200 g碎石，将5 mm厚钢板置于车辙试模底部，再将上文所述垫块放入试模，一起放入烘箱中，在60 ℃环境下保温5 h。待基质沥青加热至163 ℃（橡胶沥青加热至190 ℃）后，将其倒在垫块表面，并迅速抹匀。将称取的碎石均匀撒布在垫块上，初步整平碎石。将试件表面铺一层厚橡胶垫并置于车辙试件成型仪中进行碾压，初压5次后取出放入烘箱中，在50 ℃环境下养护5 h，养护结束后进行7次复压，脱模后常温放置。

1.2.3 湿轮磨耗试验试件

制备湿轮磨耗试验试件流程如下：取126 g沥青、930 g碎石，将上文所述垫块置于车辙试模底部，在其上铺一层油毡纸，将四个三角形楔块分别紧贴试模四角放置，放入烘箱中保温5 h，设置温度为60 ℃。其后步骤与碾压试验碎石封层试件制作步骤类似，试件表面铺设橡胶垫后，初压20次再在50 ℃环境中养护5 h，而后利用车辙试件成型仪进行复压，每次碾压100次，共碾压5次。

1.2.4 低温冲击板试验试件

制备低温冲击板试验试件流程如下：首先取72 g沥青，100 g碎石，将冲击钢板和碎石置于烘箱中预热，设置温度为110 ℃。待基质沥青加热至163 ℃（橡胶沥青加热至190 ℃）后均匀倒至冲击钢板表面，利用镊子迅速将碎石按10×10排列在钢板表面，碎石与冲击钢板边缘距离应≥1 cm。冷却后在试件表面铺一层厚橡胶垫，利用碾压轮手动进行碾压，横向纵向各3次。

2 路用性能研究

2.1 抗滑性能试验

为评价橡胶沥青碎石封层抗滑性能，采用手工铺砂法与摆式仪法分别测定普通沥青碎石封层和橡胶改性沥青碎石封层的构造深度与摩擦系数。两种碎石封层试件各制作三块，每次碾压40 min，结束后进行检测，结果取均值。其中，A表示橡胶沥青碎石封层试件，B代表普通沥青碎石封层试件。试验结果如表4所示。

（1）两种封层试件构造深度均随碾压次数增加呈下降趋势，但碾压次数达到6次以后趋于稳定。由图2可知，随着碾压次数增加，试件的构造深度均减小，其中橡胶沥青碎石封层试件降低了17.4%，普通沥青碎石封层试件降低了18.5%，在碾压次数达到6次以后逐渐趋于稳定。这是因为碾压对碎石封层结构进行了压密和重组，随着碾压次数增加，压密和重组作用逐渐变小，最终构造深度主要受碎石粒径和沥青层厚度的影响，所以变化趋势逐渐平缓[4]。

（2）随碾压次数增加，两种封层试件摩擦系数和构造深度的变化趋势基本相同。由圖3可知，随着碾压次数逐渐增加，橡胶沥青碎石封层摩擦系数与构造深度逐渐下降而后趋于稳定，普通沥青碎石封层摩擦系数与构造深度变化趋势均较平缓。这是因为碾压初期，摩擦系数主要取决于构造深度，经过荷载持续作用后，最终摩擦系数主要受构造深度和碎石棱角性等因素共同影响[4]。

（3）沥青种类对碎石封层抗滑性能基本无影响。由前文可知，构造深度主要受碎石粒径和沥青层厚度影响。碾压初期摩擦系数主要取决于构造深度，经过荷载长期作用后，摩擦系数主要受构造深度和碎石棱角性影响。

2.2 抗水损害试验

为研究橡胶沥青碎石封层抗水损害性能，在25 ℃环境下将试件浸水1 h，进行湿轮磨耗试验，试验结果如下页表5所示。其中，A代表橡胶沥青碎石封层试件，B代表普通沥青碎石封层试件。

橡胶沥青碎石封层抗水损害性能优于普通沥青碎石封层。由图4可知，橡胶沥青碎石封层脱石率均低于普通沥青碎石封层，这是由于胶粉加入沥青后，胶粉颗粒在沥青中发生溶胀反应，橡胶颗粒通过凝胶膜连接成黏度较大的半固态连续相，提高了橡胶沥青碎石封层中碎石之间的粘结力[5]。

2.3 低温性能试验

为评价橡胶沥青碎石封层低温性能，进行低温冲击试验。低温冲击板试件各制作五块，试验结果如表6所示。其中，A表示橡胶沥青碎石封层试件，B表示普通沥青碎石封层试件。

橡胶沥青试样的低温性能明显优于普通沥青试样。由图5可知，温度降至-5 ℃时，橡胶沥青脱石率仍为0%，而普通沥青脱石率高达95.6%。随着温度继续降低，橡胶沥青碎石封层脱石率逐渐增加，但仍然在5%以内，表明橡胶沥青碎石封层具有十分卓越的低温性能，可将橡胶沥青碎石封层应用于寒冷地区。

3 应用效果分析

前文通过室内试验研究了橡胶沥青碎石封层路用性能，对暴露于复杂多变的自然环境中的道路路面结构分析具有一定的借鉴作用。为分析橡胶沥青碎石封层应用于实际工程中的应用效果，本文继续对普通沥青碎石封层和橡胶沥青碎石封层的两段试验路进行研究，长度均为2.3 km。

3.1 弯沉检测

采用贝克曼梁法（T0951-2008）测定回弹弯沉，以分析橡胶沥青碎石封层路面结构承载能力。检测结果如表7所示。

由表7可知，橡胶沥青碎石封层试验路段实测弯沉值均低于设计弯沉值26.8 mm，满足要求。表明橡胶沥青应用于碎石封层中具有一定的刚度，不会产生较大变形，可增加路面抵抗行车荷载作用的能力。

3.2 钻芯取样

通过钻芯取样对芯样压实度、抗压回弹模量、抗压强度进行检测，以检验橡胶沥青碎石封层的实际工程质量。

由表8可知，橡胶沥青碎石封层芯样压实度高于规定压实度最小值98%，满足要求，且高于普通沥青芯样压实度;橡胶沥青碎石封层芯样回弹模量和抗压强度均高于普通沥青碎石封层。这表明橡胶沥青碎石封层在车辆荷载作用下，抗压强度较好，可抵抗一定的抗压变形，路用性能满足规范要求，且比普通沥青碎石封层性能更好。

4 结语

（1）沥青种类对碎石封层抗滑性能基本无影响。构造深度主要受碎石粒径和沥青层厚度的影响，碾压初期摩擦系数主要取决于构造深度，经过荷载长期作用后，摩擦系数主要受构造深度和碎石棱角性的影响。

（2）橡胶沥青碎石封层抗水损害性能和低温性能优于普通沥青碎石封层。

（4）橡胶沥青碎石封层弯沉满足要求，具有一定的刚度，不会产生较大变形，可增加路面抵抗行车荷载作用的能力。

（5）橡胶沥青碎石封层压实度、回弹模量、抗压强度均满足要求且高于普通沥青碎石封层，表明橡胶沥青碎石封层在车辆荷载作用下，抗压强度较好，可抵抗一定的抗压变形，路用性能满足规范要求，且比普通沥青碎石封层性能更好。

参考文献：

[1]刘 豫.沥青碎石封层在路面养护技术中的应用研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

[2]张会珍.高速公路沥青路面预防性养护措施效果评价研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[3]杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状[J].公路交通科技，2005，22（7）：19-22.

[4]李智明.橡胶沥青在沥青路面碎石封層中的应用研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[5]陈候杰，曾家广.橡胶沥青性能与SBS沥青性能的分析对比[J].中国市政工程，2009（1）：66-67，69.

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