河西戈壁地區(qū)瀝青路面裂縫處治技術(shù)應(yīng)用研究

張富奎 劉大海

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

反射裂縫是半剛性基層瀝青路面最常見的病害之一，尤其是在河西戈壁地區(qū)氣候干旱少雨、夏季溫度高、冬季嚴(yán)寒、日照強(qiáng)烈、晝夜溫差大，同時(shí)河西戈壁地區(qū)天然砂礫資源十分豐富，早期建設(shè)的高速公路基層與底基層大都采用水泥穩(wěn)定砂礫混合料。水泥穩(wěn)定砂礫半剛性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)層，在這種氣候環(huán)境和溫度變化反復(fù)作用下，極易產(chǎn)生干縮或溫縮裂縫[1]。反射裂縫的產(chǎn)生不僅破壞路面的連續(xù)性、整體性及美觀，而且會(huì)從裂縫不斷進(jìn)入水分破壞基層，導(dǎo)致路面承載力下降從而加速路面破壞。

常見的反射裂縫處治是采用瀝青灌封膠類材料沿裂縫表面進(jìn)行灌縫或封縫，防止雨水沿裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)層，但灌縫或封縫僅能夠短時(shí)間內(nèi)起到預(yù)防性作用，通常一年內(nèi)需至少兩次灌縫，消耗大量的人力物力。同時(shí)長時(shí)間灌縫或封縫致使瀝青路面外觀質(zhì)量差及行車舒適性降低。本文結(jié)合近年來G30連霍高速公路嘉安段養(yǎng)護(hù)工程項(xiàng)目，提出了設(shè)置橡膠瀝青應(yīng)力吸收層后，采用橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青混凝土罩面技術(shù)，有效延緩了裂縫反射，提高了瀝青路面綜合使用性能，延長了路面使用壽命。

1 橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青性能

國內(nèi)外關(guān)于橡膠瀝青的研究與應(yīng)用結(jié)果表明[2]：橡膠瀝青及混合料在低溫抗裂、延緩反射裂縫、延長路面使用壽命、減輕行車噪聲等方面具有優(yōu)良性能。但是，由于橡膠瀝青的特殊屬性以及國內(nèi)外使用環(huán)境、路面材料、路面結(jié)構(gòu)組成的差異，橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有待進(jìn)一步改善和提高。因此，本文正是將橡膠瀝青優(yōu)良的低溫抗裂性能與SBS改性瀝青優(yōu)良的高溫性能相結(jié)合，形成橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青，從而同時(shí)具備優(yōu)良的低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性。

1.1 復(fù)合改性作用機(jī)理

橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青主要由橡膠粉、SBS改性劑、基質(zhì)瀝青和穩(wěn)定劑組成。由于橡膠粉和SBS改性劑均與基質(zhì)瀝青相容性較差，且橡膠粉與SBS改性劑之間無物理化學(xué)作用，故復(fù)合改性作用機(jī)理是由橡膠粉改性機(jī)理和SBS改性機(jī)理共同作用疊加而成。相容作用和溶脹作用是橡膠粉和SBS改性劑在基質(zhì)瀝青中主要發(fā)生的反應(yīng)[3]。

橡膠粉和SBS改性劑以顆粒狀態(tài)懸浮于基質(zhì)瀝青中，通過吸附基質(zhì)瀝青中的部分油分，表面擴(kuò)張膨脹形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；橡膠粉顆粒表面形成一層光滑的凝膠膜，增加其與基質(zhì)瀝青的耦合面積，加大了瀝青黏度，改善了瀝青對(duì)環(huán)境溫度的敏感性[3]，從而達(dá)到優(yōu)良的高低溫性能。

1.2 復(fù)合改性瀝青性能試驗(yàn)

1）原材料

基質(zhì)瀝青采用SK生產(chǎn)的90#基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)見表1；橡膠粉采用40目的斜交胎橡膠粉，性能指標(biāo)見表2[4]；SBS改性劑采用岳陽石化生產(chǎn)的線型YH-791，性能指標(biāo)見表3。

表1 90#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

2）復(fù)合改性瀝青制備

生產(chǎn)復(fù)合改性瀝青時(shí)，橡膠粉和SBS改性劑的添加順序?qū)?fù)合改性瀝青性能影響較大，研究結(jié)果表明[5]：先摻加SBS后加橡膠粉方式的效果較好。本研究制備復(fù)合改性瀝青過程中，采用先摻加SBS改性劑進(jìn)行高速剪切和膨脹發(fā)育，SBS在瀝青中吸收輕組分膨脹而相互之間形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的結(jié)構(gòu)；再在發(fā)育好的SBS改性瀝青中摻入橡膠粉進(jìn)行低速攪拌，橡膠粉對(duì)瀝青中多余的輕組分進(jìn)行吸附膨脹，增加瀝青的稠度。

表2 路用廢舊輪胎橡膠粉的性能指標(biāo)

表3 SBS改性劑的性能指標(biāo)

3）橡膠粉與SBS不同摻量對(duì)瀝青性能的影響

剪切溫度為180℃，剪切速率8000r/min。橡膠粉以外摻15%、20%、25%為主，SBS摻量分別為1%、2%、3%、4%、5%。具體復(fù)合改性瀝青性能見圖1。

從圖1（a）可見，隨著SBS摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的針入度減小明顯；在SBS摻量一定時(shí)，隨著橡膠粉摻量增加針入度也減小，但幅度不大。

從圖1（b）可見，當(dāng)SBS摻量為1%～4%時(shí)，隨著SBS摻量增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)顯著提高，當(dāng)SBS摻量大于4%時(shí)，隨著SBS摻量增加，軟化點(diǎn)雖有提高，但提高幅度相對(duì)較??；在SBS摻量一定時(shí)，隨著橡膠粉摻量增加針入度增大。

從圖1（c）可見，隨著SBS摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的180℃旋轉(zhuǎn)粘度增大；在SBS摻量一定時(shí)，隨著橡膠粉摻量增加180℃旋轉(zhuǎn)粘度顯著提高。

從圖1（d）可見，隨著SBS摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的5℃延度顯著提高；在SBS摻量一定時(shí)，隨著橡膠粉摻量增加5℃延度也增大。

2 項(xiàng)目概況與設(shè)計(jì)方案

1）項(xiàng)目概況

G30連霍高速公路嘉安段位于河西戈壁地區(qū)，2007年建成通車。原基層與底基層均采用水泥穩(wěn)定砂礫，瀝青面層為12cm厚瀝青混凝土。通車運(yùn)營后，受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的影響，瀝青路面逐漸出現(xiàn)較多縱橫向反射裂縫，且逐年增加。

圖1 復(fù)合改性瀝青性能隨摻量變化曲線

圖2 縱橫向反射裂縫

2）設(shè)計(jì)方案

根據(jù)原路面病害情況，結(jié)合當(dāng)?shù)叵募狙谉?、冬季?yán)寒及晝夜溫差大等氣候特點(diǎn)，本研究中擬定了設(shè)置橡膠瀝青應(yīng)力吸收層后，采用4cm厚橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混凝土ARHM-13W整體罩面的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青性能研究結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性比較，最終確定復(fù)合改性生產(chǎn)采用90#基質(zhì)瀝青，橡膠粉外摻20%，SBS改性劑內(nèi)摻2%。復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)見表4。粗集料采用玄武巖，技術(shù)指標(biāo)見表5。細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)見表6。

表4 復(fù)合改性的性能指標(biāo)

表5 粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表6 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

表7 ARHM-13W的合成級(jí)配通過率

礦料級(jí)配采用ARHM-13W的斷級(jí)配結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理與SMA級(jí)配結(jié)構(gòu)相同。配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾擊實(shí)成型，需要適量添加礦粉作為填料，級(jí)配采用較多粗集料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，通過復(fù)合改性瀝青、礦粉及部分細(xì)集料形成的膠結(jié)料填充粗集料空隙，從而形成更好的抗車轍能力，同時(shí)采用較高用量的復(fù)合改性瀝青，其低溫抗裂性能、抗疲勞性能、抗變形適應(yīng)能力等很大程度提高。

設(shè)計(jì)最佳油石比為6.5%，瀝青混合料體積指標(biāo)見表8，瀝青混合料性能驗(yàn)證結(jié)果見表9。

表8 瀝青混合料體積指標(biāo)

表9 瀝青混合料性能驗(yàn)證結(jié)果

3 路用性能評(píng)價(jià)

通過對(duì)實(shí)施復(fù)合改性瀝青混凝土罩面前、罩面后、運(yùn)營兩年后的路面路用性能檢測，具體檢測指標(biāo)見表10。檢測結(jié)果表明：罩面后與罩面前相比，路面綜合性能指數(shù)PQI提高 11.4，破損率 PCI提高 27.5，平整度 RQI和車轍RDI也有提高，提高幅度相對(duì)較??；運(yùn)營兩年后與罩面后相比，路面綜合性能指數(shù)PQI下降2.1，破損率PCI下降2.9，下降幅度很小，說明其抑制裂縫的反射能力效果良好，平整度RQI和車轍RDI下降幅度也較小。

4 結(jié)語

1）在橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青中，當(dāng)SBS摻量一定時(shí)，橡膠粉摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青180℃旋轉(zhuǎn)粘度、5℃延度指標(biāo)顯著提高，對(duì)針入度、軟化點(diǎn)指標(biāo)提高幅度相對(duì)較?。划?dāng)橡膠粉摻量一定時(shí)，SBS對(duì)復(fù)合改性瀝青性能顯著提高，尤其是當(dāng)SBS摻量為1%～4%時(shí)，隨著SBS摻量增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)顯著提高，當(dāng)SBS摻量大于4%時(shí)，隨著SBS摻量增加，軟化點(diǎn)雖有提高，但提高幅度相對(duì)較小。

2）橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性。

3）針對(duì)河西戈壁地區(qū)半剛性基層反射裂縫的瀝青路面，設(shè)置橡膠瀝青應(yīng)力吸收層后，采用橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青混凝土ARHM-13W罩面后，路用性能顯著提高，尤其是抑制裂縫的反射能力顯著。為今后河西戈壁地區(qū)半剛性基層反射裂縫處治提供了技術(shù)依據(jù)。