SBS+PU復合改性瀝青混凝土在水泥路面改造中的應用

葉 偉

(招商局公路信息技術(重慶)有限公司，重慶 400067)

0 引言

瀝青路面在行車安全性、舒適性和后期養(yǎng)護維修等諸多方面均優(yōu)于水泥混凝土路面，然而我國在早期高速公路建設中由于瀝青材料單一、瀝青路面施工工藝成熟度不高、技術標準相對滯后，導致我國瀝青路面鋪裝技術起步相對較晚，早期高等級公路路面結構主要采用的還是水泥混凝土剛性路面結構。但隨著改性瀝青技術的發(fā)展、瀝青混合料類型的不斷豐富、瀝青路面施工技術日益成熟以及公路養(yǎng)護技術標準的不斷完善，“白改黑”(復合式路面結構)已成為國內高等級公路水泥路面改造工程的總體趨勢。然而，車轍、反射裂縫、疲勞開裂等一直是復合式路面結構的通病[1]，因此在復合式路面結構設計中須充分結合原路面技術狀況，在最大程度利用原路面結構強度的基礎上，優(yōu)選瀝青材料，滿足傳統(tǒng)高低溫性能的同時提升罩面層的抗裂性和疲勞壽命,是延長復合式路面使用壽命的關鍵。

1 原路面技術狀況檢測與評價

本文采用CT616型道路綜合檢測車[2]，依據現(xiàn)行公路技術狀況評定標準關于高速公路水泥混凝土路面的檢測指標和評分標準，對廣西某高速公路水泥路面破損、平整度、跳車、抗滑進行檢測，技術狀況評定結果見表1和表2。

表1 廣西某高速公路水泥路面技術狀況

表2 廣西某高速公路水泥路面技術狀況評分等級

結合路面技術狀況檢測結果和現(xiàn)場踏勘，原水泥混凝土路面破損類病害較少，主要表現(xiàn)為個別板塊存在縫寬小于5mm的輕度裂縫現(xiàn)象；路面橫向刻槽紋理較好，無露骨松散現(xiàn)象，抗滑性能較好。但路面平整度整體表現(xiàn)較差，個別路段存在跳車，主要由于修補板塊與舊路面板塊銜接不平順以及錯臺現(xiàn)象導致。

在結構承載能力方面，本文利用落錘式彎沉儀(FWD)[3]對雙向合計1 600塊水泥混凝土板板底脫空以及接縫傳荷能力進行抽檢，抽檢結果見表3和表4。利用鉆取的芯樣進行抗壓強度和劈裂強度試驗，并由劈裂強度換算成彎拉強度，與原路面設計抗壓強度和彎拉強度進行比較，以評價原路面的結構強度，試驗結果見表5和表6。

表3 路面板底脫空抽檢結果

表4 接縫傳荷能力分級抽檢結果

表5 水泥混凝土面層抗壓強度測試結果

表6 水泥混凝土面層彎拉強度測試結果(單位：MPa)

檢測結果表明，原路面板底脫空率較小、接縫傳荷能力總體較好，抗壓強度和彎拉強度滿足設計要求。綜上所述，原路面結構承載能力較好，在對病害板塊進行換板維修和灌漿穩(wěn)固處治后加鋪瀝青混凝土層改造成復合式路面結構[4]，可大幅提高路面的平整度，改善行車舒適性。

2 瀝青混凝土加鋪層方案設計

2.1 加鋪層結構設計

相關研究表明，在行車荷載作用下，路面剪應力主要集中于中、上面層深度范圍內[5]，其最大剪應力水平往往出現(xiàn)在路表以下0～4cm范圍即上面層，4～10cm范圍即中面層的剪應力銳減，但此時的應力水平仍然較高，超過10cm后即中面層以下的剪應力水平較低并趨于平穩(wěn)[6]。因此，在復合式路面結構設計中除了考慮抗車轍、水損性能外，如何有效延緩反射裂縫和疲勞開裂，顯得尤為重要。

減緩反射裂縫的措施一般包括增加瀝青層厚度、在水泥混凝土板頂面鋪貼防裂卷材或土工織物，亦或單獨設置應力吸收層[7]等。增加瀝青層厚度一方面對橋涵結構物的恒載、交安設施特別是防撞護欄的有效高度、路面排水設施特別是超高排水和邊溝排水的通暢性等帶來一系列不利影響因素；另一方面過分強調增加瀝青層厚度會增加夏季高溫季節(jié)產生車轍和泛油的風險，且工程造價隨之增加，性價比變低。鋪貼防裂卷材、土工織物往往采用人工施工，效率低且防裂效果欠佳。傳統(tǒng)應力吸收層往往采用橡膠瀝青材料，而橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性和施工環(huán)保性較差，但單獨設置應力吸收層的防裂效果要顯著優(yōu)于前面兩種技術手段。

本文依托項目的原路面技術狀況各項技術指標中除平整度外其余均為優(yōu)等，路面結構承載能力較好，無大面積破損類病害，其養(yǎng)護目標主要是全面提升路面平整度，改善行車舒適性，結合業(yè)主提出未來8年內路面無結構性損壞的要求，該項目復合式路面結構設計使用年限定為8年。綜合原路面技術狀況、養(yǎng)護目標和設計使用年限，本項目養(yǎng)護類型確定為功能性罩面，擬采用雙層改性瀝青4cm厚SMA-13+2cm厚AC-10C進行加鋪罩面，其中2cm厚改性瀝青AC-10C主要起到應力吸收兼調平作用，并要求對瀝青膠結料采用“增粘”、“增彈”復合改性的技術手段，以提高瀝青面層的高溫穩(wěn)定性、抗裂性以及疲勞壽命。

2.2 改性瀝青及瀝青混合料的路用性能對比

苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物(英文簡寫SBS)可顯著改善瀝青材料的溫度敏感性，提高耐久性，且儲存穩(wěn)定性較好[8]，是目前我國應用較為廣泛的瀝青改性劑。聚氨酯(英文簡寫PU)分子結構中含有氨基甲酸酯基團(—NH—COO—)，是一種高分子材料，其性能介于橡膠與塑料之間，韌性好、耐老化，與瀝青共混后可起到增彈作用[9]。

本文以SBS+PU對70#基質瀝青進行復合改性(SBS摻量4%，PU摻量6%)，與單一的SBS改性瀝青(SBS摻量4%)、PU改性瀝青(PU摻量6%)以及TPS高粘改性瀝青(TPS摻量10%)進行路用性能試驗對比。同時增加瀝青高溫流變性能、瀝青混合料疲勞壽命和抗裂性能試驗對比，其中，高溫流變性能試驗參照美國SHRP瀝青路用性能規(guī)范中關于動態(tài)剪切的試驗方法，采用DSR動態(tài)剪切流變儀測試瀝青的復數(shù)剪切模量和相位角；疲勞壽命試驗采用澳大利亞UTM系列動態(tài)伺服液壓材料試驗機，試驗方法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)四點彎曲疲勞試驗；抗裂性能試驗采用美國德克薩斯州交通研究中心研制的瀝青罩面層測試系統(tǒng)，通過試驗基座在水平方向開閉運動評價上面固定的瀝青混凝土試件抵抗裂縫擴展的性能，試驗方法參照《Test produce for Overlay Tester》(TxDOT designation:Tex-248-F)。

表7 瀝青膠結料路用性能測試對比

圖1 不同瀝青的動力粘度和彈性恢復對比

圖2 不同瀝青的延度和軟化點對比

高粘高彈改性瀝青的關鍵技術指標為動力粘度(60℃)和彈性恢復(25℃)，通過試驗可知彈性恢復(25℃)表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>PU>SBS改性瀝青，動力粘度(60℃)表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青；TPS高粘改性瀝青的軟化點和低溫延度指標要略高于SBS+PU復合改性瀝青，但通過旋轉薄膜加熱老化試驗后的SBS+PU復合改性瀝青針入度和延度衰減程度最小，其抗老化性能更好。

此外，在對瀝青的高溫性能評價方面，國內行業(yè)標準通常采用軟化點和動力粘度指標，但美國SHRP研究成果已將動態(tài)剪切流變試驗DSR納入規(guī)范用以評價瀝青的高溫流變特性，提供了評價瀝青流變特性的必要參數(shù)(復數(shù)勁度模量G*、相位角δ)，其中復數(shù)勁度模量G*越大表示瀝青的勁度越大，抗流動變形能力越強。通常以G*/sinδ評判瀝青材料的抗車轍性能，并將G*/sinδ稱之為車轍因子。

本文在瀝青常規(guī)試驗的基礎上，采用動態(tài)剪切流變儀DSR對SBS改性瀝青、PU改性瀝青、TPS高粘改性瀝青、SBS+PU復合改性瀝青模擬瀝青路面高溫環(huán)境進行46℃～82℃(以6℃為間隔)車轍因子(G*/sinδ)測試，試驗結果見表8。

表8 不同溫度下的瀝青膠結料車轍因子(G*/sinδ)試驗結果

圖3 車轍因子(G*/sinδ)與溫度關系曲線

同一溫度條件下，四種改性瀝青的車轍因子(G*/sinδ)表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青，與動力粘度測試結果相當。試驗結果表明，單一的SBS或PU改性瀝青其粘彈性均不如SBS+PU復合改性瀝青。相關研究表明，SBS主要通過物理改性對瀝青起到“增粘”作用，PU與瀝青共混后發(fā)生化學反應產生新的功能對瀝青主要起到“增彈”作用[10]，通過SBS+PU復合改性后瀝青的粘彈性得到大幅提升，且優(yōu)于TPS高粘改性瀝青。

表9 不同瀝青膠結料下的SMA-13路用性能測試對比

圖4 瀝青混合料動穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強度比對比

圖5 瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命和OT抗裂壽命對比

通過瀝青混合料路用性能試驗對比，高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)為TPS>SBS+PU>SBS>PU改性瀝青；水穩(wěn)定性表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青；四點彎曲疲勞壽命表現(xiàn)為SBS+PU>SBS>TPS>PU改性瀝青，且SBS+PU復合改性瀝青的疲勞壽命均不同程度高出單一改性瀝青數(shù)倍；Overlay Tester(OT)抗裂壽命表現(xiàn)為SBS+PU>PU>TPS>SBS改性瀝青。

綜上所述，SBS+PU復合改性瀝青的高低溫性能、粘彈性能以及抗老化性能均不同程度優(yōu)于其他三種常規(guī)改性瀝青，且SBS+PU復合改性瀝青混凝土的疲勞壽命、抗裂壽命遠高于其他三種改性瀝青混凝土，可推斷同樣厚度下的SBS+PU復合改性瀝青路面的耐久性要優(yōu)于常規(guī)改性瀝青路面，適用于類似高等級公路水泥路面“白改黑”對瀝青混凝土罩面層抗車轍和抗裂性能要求較高的工程項目。

2.3 路面結構驗算

根據對歷年大型客車和貨車交通量資料以及年平均增長率的調查，依照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50-2017)對交通荷載等級的評判標準，本文依托項目設計使用年限內的交通量和交通荷載等級分析結果見表10。

路面結構驗算應根據基層結構類型選擇設計指標，復合式路面結構采用水泥混凝土基層，其對應的設計指標為瀝青混合料層永久變形量。以瀝青混合料層永久變形量為設計指標時，經計算得出設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數(shù)為2.51×107次，結合標準條件下的車轍試驗，基于SBS+PU復合改性瀝青的復合式路面結構(4cmSMA-13+2cmAC-10C+原路面混凝土基層)瀝青混合料層永久變形量的驗算結果見表11。

表10 交通量及交通荷載等級分析結果

表11 路面結構驗算結果

3 工程應用

本文依托項目于2021年12月底完成全線施工，實測SBS+PU復合改性瀝青混凝土罩面層的行車噪音相比原水泥路面平均降低約8dB，且無明顯的行車顛簸感，行車舒適性得到大幅提升。路面工程質量檢測結果見表12，各項檢測指標均滿足規(guī)范和設計要求。據統(tǒng)計，2018年～2021年SBS+PU復合改性瀝青混凝土罩面相繼在重慶、廣西等高溫多雨、重載交通下的高速公路水泥路面“白改黑”工程應用中約180萬m2，經過近三年跟蹤調查，未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞和反射裂縫現(xiàn)象。

表12 SBS+PU復合改性瀝青混凝土路面工程質量檢測結果

4 結語

(1)本文依托廣西某高速公路水泥混凝土路面改造工程，經檢測原路面平整度較差，但結構承載能力整體較好，具備功能性罩面的技術條件。擬采用4cm厚SMA-13磨耗層+2cm厚AC-10C應力吸收層兼調平層的面層結構設計方案，并提出對瀝青膠結料進行“增粘”、“增彈”復合改性，以提高瀝青罩面層的高溫穩(wěn)定性、抗裂性及疲勞壽命。

(2)動力粘度、彈性恢復、DSR動態(tài)剪切流變試驗結果表明，不同改性瀝青的粘彈性表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青。結合混合料路用性能試驗，高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)為TPS>SBS+PU>SBS>PU改性瀝青；水穩(wěn)定性表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青；四點彎曲疲勞壽命表現(xiàn)為SBS+PU>SBS>TPS>PU改性瀝青；Overlay Tester(OT)抗裂壽命表現(xiàn)為SBS+PU>PU>TPS>SBS改性瀝青混合料。

(3)路面結構驗算得出基于SBS+PU復合改性瀝青的復合式路面結構(4cmSMA-13+2cmAC-10C+原路面混凝土基層)各項驗算指標滿足設計要求。并且經過近3年約180萬m2工程驗證，SBS+PU復合改性瀝青路面在重載交通和高低溫交替作用下，未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞和反射裂縫現(xiàn)象，工程質量檢驗各項指標均滿足規(guī)范和設計要求。