非扰动型综合封层性能试验研究

李 敏，陈书豪，王树杰

(1.湖州市吴兴区公路管理中心 湖州市 313000； 2.苏交科集团股份有限公司 南京市 210017)

0 引言

公路养护应贯彻“预防为主，防治结合”的方针，注重养护中路面全寿命周期内总的养护成本的新理念，把公路的维修养护提升到了一个全新高度[1-3]。目前，预防性养护已成为路面养护工作者关注的重点研究方向，沥青路面预防性养护技术种类繁多，需要根据实际的路面性能状况，有针对性地研究与应用[4]。根据对当前预防性养护技术的调查发现，开挖回填一般适合于在大中修养护中的使用，如铣刨重铺、罩面等专项养护中的使用，且养护成本会高；微表处、稀浆封层等养护技术可以对面层起到一定的保护，但对横向、纵向裂缝或网裂效果不明显；碎石封层造价相对低、能高效处理中等程度的裂缝，但松散的碎石容易对行车带来危险、增加噪声，影响行车舒适性。基于上述现状考虑，提出非扰动型综合封层技术，依托X004织薛线(环渚立交)至湖薛线预防性养护工程，对非扰动型综合封层技术性能进行研究，旨在为后续相关技术研究提供参考。

1 依托工程概况

依托湖州市吴兴区织薛线(X004)预防性养护工程，湖州互通连接线是依据《关于申苏浙皖高速公路湖州互通连接线项目》批复(2002年)建设。原路设计标准为双向四车道一级公路，路基宽度24.5m，设计时速100km/h，全长3.8km。湖州互通连接线于2017年交至吴兴区公路管理局管养，与地方路网连接规划路线编号为X004织薛线，项目路起于环湖立交北桥头伸缩缝，终于联络线3号桥北桥头伸缩缝，全长3.8km。项目路建成通车后交通量持续增长，现阶段日平均交通量自然数为25529辆/日，当量数为32325辆/日。项目路通车时间长，交通量大，致使当前路面存在纵、横向裂缝及局部坑槽、龟裂等病害，且路面抗滑性能略有不足，为提高路面行驶安全性，维持路面良好的使用性能，需对项目路段实施针对性病害处治及预防性养护维修。路面主要病害如下：

(1)横向裂缝

横向裂缝是项目路段典型路面病害类型之一，结合本项目路段公路路面现状横向裂缝总体情况来看，判断其属于半刚性基层反射裂缝。分析认为基层水泥稳定碎石施工过程中搅拌不均匀，摊铺后局部水泥剂量大导致早期的干缩裂缝，在交通荷载作用下，基层裂缝逐渐扩大并反射到面层。

(2)纵向裂缝

纵向裂缝处取芯可以看到裂缝从上向下发展，大多尚未贯穿整个沥青面层，分析认为项目路段纵向裂缝主要为疲劳裂缝。车辆在面层混合料上重复作用，剪切应力超过了路面混合料的抗拉强度而导致的裂缝，此类裂缝为疲劳裂缝。沥青回收试验结果表明面层沥青存在一定程度的老化情况，从而加剧了疲劳裂缝的形成。

(3)修补、龟裂、坑槽等面积类病害

相对于裂缝病害，全线范围内面积类病害分布较少，修补是对日常养护单位巡查时发现坑槽或裂缝维修后的界面统称。从调查结果来看，修补以零散块状为主，连续大面积修补较少。日常养护中，人工维修在材料使用(冷补料或再生料)及机械使用(人工夯实)上均有不足，导致维修质量不高，小面积修补易出现“二次”损坏；项目路段内龟裂、坑槽病害较少，大多分布在严重裂缝周边支缝及纵、横向裂缝交叉处。局部病害修补时，由于压实度不能保证，极易在修补界面出现龟裂，在雨水侵入后发生松散，逐渐形成坑槽。

(4)唧浆、沉陷

项目路双向K0+000～K1+800 段内唧浆较为严重，唧浆伴随横向裂缝产生，并且唧浆处均有轻微沉陷，因此该路段内平整度不良。唧浆主要分布于行车道，部分贯穿的硬路肩的横向裂缝也有唧浆。结合取芯情况，唧浆处横向裂缝贯穿沥青面层及基层，导致雨水渗透至基层，在行车荷载的作用下，雨水反复被“泵吸”至路表，原有的层间碎石封层破坏，颜色呈现“白色”，使路面产生唧浆病害，若唧浆病害不处治，会导致雨水逐渐剥离沥青与骨料，粘附性降低，混合料逐渐松散。

2 综合封层设计

本次路面预防性养护工程设计分为三个层级：

(1)K0+000～K1+800双向路面裂缝密集，破损严重。本次设计对该路段路面病害进行针对性维修后，采用纤维微表处进行预防性处治。

(2)K1+800～K2+958裂缝较少，总体病害分布与吴兴区农村公路病害特征相似，对该路段病害维修后，作为湖州地区公路预防性养护科研试验段。

(3)K2+958～K3+848大桥桥面各项使用性能状况良好，本次设计暂不进行养护维修。

本次适用于吴兴区农村公路预防性养护措施研究，主旨是“针对沥青老化、沥青膜脱落以及裂缝密集路段，研究非扰动型综合封层技术，通过材料优化，组合优化，提高施工速度，提高其路用性能，特别是抗反射裂缝的能力，延长路面结构的使用寿命”的研究思路，提出非扰动复合封层设计理念，采用两种非扰动复合封层方案作为试验段实施，同时对两座中桥采用高渗透还原剂及一般路段采用纤维微表处方案进行对比，为适用于吴兴区农村公路预防性养护措施研究提供多方面数据支撑。

研究的非扰动型综合封层是融合高渗透还原再生技术、橡胶沥青碎石封层和微表处技术，其技术结构型式为纤维微表处(第一层)+橡胶沥青碎石封层(第二层)+高渗透还原剂(第三层)，采用正交试验对不同组合的非扰动型综合封层进行性能试验，纤维微表处采用MS-2和MS-3，橡胶沥青碎石封层采用AR-SAMI(10)和AR-SAMI(13)，组合方案如表1所示。进行的试验有抗剥落性能试验、低温抗裂性能试验和疲劳性能试验。

表1 结构组合方案

3 综合封层性能试验结果分析

3.1 抗剥落性能试验

采用改装后的湿轮磨耗仪进行综合封层扫刷试验，以此刷头分别对摊铺不同用量微表处后的橡胶沥青碎石封层进行扫刷试验，以确定不同组合类型的综合封层的微表处用量范围，通过脱落率来评价综合封层的抗剥落性能，试验样品及试件见图1、图2，试验结果见图3。

图1 橡胶沥青碎石封层试验样品

图2 摊铺微表处后的试件

图3 不同结构组合类型的综合封层脱落率

从试验结果可看出：

(1)综合封层的脱落率与表层微表处有关，摊铺微表处后的橡胶沥青碎石封层的脱落率明显下降，说明微表处能够很好地解决橡胶沥青碎石封层碎石脱落的问题，延长路面的使用寿命。

(2)对于不同组合类型的综合封层，其脱落率也不同，AR-SAMI-10+MS-3的方案A脱落率最小，抗剥落性能最优。

3.2 低温抗裂性能试验

采用UTM万能材料试验机进行低温弯曲试验，低温弯曲试验的原理是在低温环境下将一定的荷载施加在棱柱形小梁试件中部，在荷载的作用下小梁会产生弯曲变形，同时产生弯拉应变和应力。本课题进行低温弯曲试验的小梁是由不同组合类型的车辙板试件切割而成，尺寸为40mm×40mm×250mm。一般来说，同等条件下，试件的抗弯曲强度或破坏应变越大，则试件的低温抗裂性越好。但是这两种性能往往不是试件能够同时具备的，一般试件的抗弯曲强度越大，则其破坏应变越小。针对复合封层抵抗反射裂缝和变形协调能力进行分析，采用试件的破坏应变作为评价试件低温抗裂性能的指标。小梁试件见图4、图5，试验结果见表2、图6。

图4 SBS改性沥青AC-13小梁试件

图5 复合封层小梁试件

表2 低温弯曲试验结果

图6 不同组合方案复合封层的低温小梁试验结果

上述试验结果得出：

(1)由低温弯曲试验的弯曲破坏应变可以看出，无论是哪种类型的复合封层在低温抗裂性能方面都要优于SBS改性沥青AC-13试件。这是由于复合封层作为一种封层结构，能够吸收一部分应力，并且橡胶沥青具有高弹高粘的特点，因此能够产生较大的形变。但是无论是哪一种类型的复合封层，由于其碎石只有两种，嵌挤的程度与SBS改性沥青AC-13沥青混凝土相比较差，故其内部结构同SBS改性沥青AC-13相比较为松散，因此抗弯拉强度较SBS改性沥青AC-13低。

(2)对于四种不同组合的复合封层，方案A和方案B在低温抗裂方面都优于方案C和方案D，其中方案A低温抗裂性能较优。由于方案A和方案D封层其下层碎石为4.75～9.5mm的粒径，沥青混合料比表面积较大，相对于较大的碎石其粘聚力较大，因此在抗裂性方面要优于方案B和方案C。

3.3 疲劳性能试验

采用UTM万能材料试验机进行不同组合类型的综合封层疲劳性能试验，加载方式为三分点加载。试件尺寸为50mm×50mm×250mm的小梁试件，加载频率为10Hz。试验试件见图7、图8，试验结果见表3、图9。

从上述试验结果可知：

图7 AC-13试件

图8 复合封层试件

表3 不同组合方案的疲劳试验结果

图9 不同组合方案的疲劳试验结果

(1)综合封层较SBS改性沥青AC-13相比有着优良的抗疲劳性能。在进行小梁试件极限破坏荷载试验时可以发现，综合封层具有粘结性能，当底部发生明显裂缝的时候，其表层还能保证良好的整体性。这是因为裂缝发生过程大致为三个阶段，分别是裂缝产生、裂缝发展以及裂缝快速发展直至试件破坏阶段，橡胶沥青具有良好的粘弹性能，在裂缝出现后的发展阶段对裂缝的进一步发展有着很大的抗拒作用。另外橡胶沥青还具有吸收部分破坏能力、提高破坏应变的功能，因此综合封层的疲劳性能整体要优于SBS改性沥青AC-13沥青混凝土路面。

(2)对于四种不同类型的综合封层，方案A和方案B在抗疲劳方面都要优于方案C和方案D。

4 结论

(1)综合封层的脱落率与表层微表处有关。摊铺微表处后的橡胶沥青碎石封层的脱落率明显下降。对于不同组合类型的复合封层，其脱落率也是不同。AR-SAMI-10+MS-3的方案A脱落率最小，抗剥落性能最优。

(2)由低温弯曲试验的弯曲破坏应变可以看出，无论是哪种类型的综合封层在低温抗裂性能方面都要优于SBS改性沥青AC-13试件。对于四种不同组合的综合封层，方案A和方案B在低温抗裂方面都优于方案C和方案D，其中方案A低温抗裂性能较优。由于方案A和方案D封层其下层碎石为4.75～9.5mm的粒径，沥青混合料比表面积较大，相对于较大的碎石其粘聚力较大，因此在抗裂性方面要优于方案B和方案C。

(3)综合封层较SBS改性沥青AC-13相比有着优良的抗疲劳性能。对于四种不同类型的复合封层，方案A和方案B在抗疲劳方面都要优于方案C和方案D。