非擾動(dòng)型綜合封層性能試驗(yàn)研究

李 敏，陳書(shū)豪，王樹(shù)杰

(1.湖州市吳興區(qū)公路管理中心 湖州市 313000； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210017)

0 引言

公路養(yǎng)護(hù)應(yīng)貫徹“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的方針，注重養(yǎng)護(hù)中路面全壽命周期內(nèi)總的養(yǎng)護(hù)成本的新理念，把公路的維修養(yǎng)護(hù)提升到了一個(gè)全新高度[1-3]。目前，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)已成為路面養(yǎng)護(hù)工作者關(guān)注的重點(diǎn)研究方向，瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)種類繁多，需要根據(jù)實(shí)際的路面性能狀況，有針對(duì)性地研究與應(yīng)用[4]。根據(jù)對(duì)當(dāng)前預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖回填一般適合于在大中修養(yǎng)護(hù)中的使用，如銑刨重鋪、罩面等專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)中的使用，且養(yǎng)護(hù)成本會(huì)高；微表處、稀漿封層等養(yǎng)護(hù)技術(shù)可以對(duì)面層起到一定的保護(hù)，但對(duì)橫向、縱向裂縫或網(wǎng)裂效果不明顯；碎石封層造價(jià)相對(duì)低、能高效處理中等程度的裂縫，但松散的碎石容易對(duì)行車帶來(lái)危險(xiǎn)、增加噪聲，影響行車舒適性。基于上述現(xiàn)狀考慮，提出非擾動(dòng)型綜合封層技術(shù)，依托X004織薛線(環(huán)渚立交)至湖薛線預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，對(duì)非擾動(dòng)型綜合封層技術(shù)性能進(jìn)行研究，旨在為后續(xù)相關(guān)技術(shù)研究提供參考。

1 依托工程概況

依托湖州市吳興區(qū)織薛線(X004)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，湖州互通連接線是依據(jù)《關(guān)于申蘇浙皖高速公路湖州互通連接線項(xiàng)目》批復(fù)(2002年)建設(shè)。原路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道一級(jí)公路，路基寬度24.5m，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，全長(zhǎng)3.8km。湖州互通連接線于2017年交至吳興區(qū)公路管理局管養(yǎng)，與地方路網(wǎng)連接規(guī)劃路線編號(hào)為X004織薛線，項(xiàng)目路起于環(huán)湖立交北橋頭伸縮縫，終于聯(lián)絡(luò)線3號(hào)橋北橋頭伸縮縫，全長(zhǎng)3.8km。項(xiàng)目路建成通車后交通量持續(xù)增長(zhǎng)，現(xiàn)階段日平均交通量自然數(shù)為25529輛/日，當(dāng)量數(shù)為32325輛/日。項(xiàng)目路通車時(shí)間長(zhǎng)，交通量大，致使當(dāng)前路面存在縱、橫向裂縫及局部坑槽、龜裂等病害，且路面抗滑性能略有不足，為提高路面行駛安全性，維持路面良好的使用性能，需對(duì)項(xiàng)目路段實(shí)施針對(duì)性病害處治及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修。路面主要病害如下：

(1)橫向裂縫

橫向裂縫是項(xiàng)目路段典型路面病害類型之一，結(jié)合本項(xiàng)目路段公路路面現(xiàn)狀橫向裂縫總體情況來(lái)看，判斷其屬于半剛性基層反射裂縫。分析認(rèn)為基層水泥穩(wěn)定碎石施工過(guò)程中攪拌不均勻，攤鋪后局部水泥劑量大導(dǎo)致早期的干縮裂縫，在交通荷載作用下，基層裂縫逐漸擴(kuò)大并反射到面層。

(2)縱向裂縫

縱向裂縫處取芯可以看到裂縫從上向下發(fā)展，大多尚未貫穿整個(gè)瀝青面層，分析認(rèn)為項(xiàng)目路段縱向裂縫主要為疲勞裂縫。車輛在面層混合料上重復(fù)作用，剪切應(yīng)力超過(guò)了路面混合料的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的裂縫，此類裂縫為疲勞裂縫。瀝青回收試驗(yàn)結(jié)果表明面層瀝青存在一定程度的老化情況，從而加劇了疲勞裂縫的形成。

(3)修補(bǔ)、龜裂、坑槽等面積類病害

相對(duì)于裂縫病害，全線范圍內(nèi)面積類病害分布較少，修補(bǔ)是對(duì)日常養(yǎng)護(hù)單位巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)坑槽或裂縫維修后的界面統(tǒng)稱。從調(diào)查結(jié)果來(lái)看，修補(bǔ)以零散塊狀為主，連續(xù)大面積修補(bǔ)較少。日常養(yǎng)護(hù)中，人工維修在材料使用(冷補(bǔ)料或再生料)及機(jī)械使用(人工夯實(shí))上均有不足，導(dǎo)致維修質(zhì)量不高，小面積修補(bǔ)易出現(xiàn)“二次”損壞；項(xiàng)目路段內(nèi)龜裂、坑槽病害較少，大多分布在嚴(yán)重裂縫周邊支縫及縱、橫向裂縫交叉處。局部病害修補(bǔ)時(shí)，由于壓實(shí)度不能保證，極易在修補(bǔ)界面出現(xiàn)龜裂，在雨水侵入后發(fā)生松散，逐漸形成坑槽。

(4)唧漿、沉陷

項(xiàng)目路雙向K0+000～K1+800 段內(nèi)唧漿較為嚴(yán)重，唧漿伴隨橫向裂縫產(chǎn)生，并且唧漿處均有輕微沉陷，因此該路段內(nèi)平整度不良。唧漿主要分布于行車道，部分貫穿的硬路肩的橫向裂縫也有唧漿。結(jié)合取芯情況，唧漿處橫向裂縫貫穿瀝青面層及基層，導(dǎo)致雨水滲透至基層，在行車荷載的作用下，雨水反復(fù)被“泵吸”至路表，原有的層間碎石封層破壞，顏色呈現(xiàn)“白色”，使路面產(chǎn)生唧漿病害，若唧漿病害不處治，會(huì)導(dǎo)致雨水逐漸剝離瀝青與骨料，粘附性降低，混合料逐漸松散。

2 綜合封層設(shè)計(jì)

本次路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)分為三個(gè)層級(jí)：

(1)K0+000～K1+800雙向路面裂縫密集，破損嚴(yán)重。本次設(shè)計(jì)對(duì)該路段路面病害進(jìn)行針對(duì)性維修后，采用纖維微表處進(jìn)行預(yù)防性處治。

(2)K1+800～K2+958裂縫較少，總體病害分布與吳興區(qū)農(nóng)村公路病害特征相似，對(duì)該路段病害維修后，作為湖州地區(qū)公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)科研試驗(yàn)段。

(3)K2+958～K3+848大橋橋面各項(xiàng)使用性能狀況良好，本次設(shè)計(jì)暫不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

本次適用于吳興區(qū)農(nóng)村公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施研究，主旨是“針對(duì)瀝青老化、瀝青膜脫落以及裂縫密集路段，研究非擾動(dòng)型綜合封層技術(shù)，通過(guò)材料優(yōu)化，組合優(yōu)化，提高施工速度，提高其路用性能，特別是抗反射裂縫的能力，延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命”的研究思路，提出非擾動(dòng)復(fù)合封層設(shè)計(jì)理念，采用兩種非擾動(dòng)復(fù)合封層方案作為試驗(yàn)段實(shí)施，同時(shí)對(duì)兩座中橋采用高滲透還原劑及一般路段采用纖維微表處方案進(jìn)行對(duì)比，為適用于吳興區(qū)農(nóng)村公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施研究提供多方面數(shù)據(jù)支撐。

研究的非擾動(dòng)型綜合封層是融合高滲透還原再生技術(shù)、橡膠瀝青碎石封層和微表處技術(shù)，其技術(shù)結(jié)構(gòu)型式為纖維微表處(第一層)+橡膠瀝青碎石封層(第二層)+高滲透還原劑(第三層)，采用正交試驗(yàn)對(duì)不同組合的非擾動(dòng)型綜合封層進(jìn)行性能試驗(yàn)，纖維微表處采用MS-2和MS-3，橡膠瀝青碎石封層采用AR-SAMI(10)和AR-SAMI(13)，組合方案如表1所示。進(jìn)行的試驗(yàn)有抗剝落性能試驗(yàn)、低溫抗裂性能試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)。

表1 結(jié)構(gòu)組合方案

3 綜合封層性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剝落性能試驗(yàn)

采用改裝后的濕輪磨耗儀進(jìn)行綜合封層掃刷試驗(yàn)，以此刷頭分別對(duì)攤鋪不同用量微表處后的橡膠瀝青碎石封層進(jìn)行掃刷試驗(yàn)，以確定不同組合類型的綜合封層的微表處用量范圍，通過(guò)脫落率來(lái)評(píng)價(jià)綜合封層的抗剝落性能，試驗(yàn)樣品及試件見(jiàn)圖1、圖2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖1 橡膠瀝青碎石封層試驗(yàn)樣品

圖2 攤鋪微表處后的試件

圖3 不同結(jié)構(gòu)組合類型的綜合封層脫落率

從試驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)綜合封層的脫落率與表層微表處有關(guān)，攤鋪微表處后的橡膠瀝青碎石封層的脫落率明顯下降，說(shuō)明微表處能夠很好地解決橡膠瀝青碎石封層碎石脫落的問(wèn)題，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

(2)對(duì)于不同組合類型的綜合封層，其脫落率也不同，AR-SAMI-10+MS-3的方案A脫落率最小，抗剝落性能最優(yōu)。

3.2 低溫抗裂性能試驗(yàn)

采用UTM萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，低溫彎曲試驗(yàn)的原理是在低溫環(huán)境下將一定的荷載施加在棱柱形小梁試件中部，在荷載的作用下小梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，同時(shí)產(chǎn)生彎拉應(yīng)變和應(yīng)力。本課題進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)的小梁是由不同組合類型的車轍板試件切割而成，尺寸為40mm×40mm×250mm。一般來(lái)說(shuō)，同等條件下，試件的抗彎曲強(qiáng)度或破壞應(yīng)變?cè)酱?，則試件的低溫抗裂性越好。但是這兩種性能往往不是試件能夠同時(shí)具備的，一般試件的抗彎曲強(qiáng)度越大，則其破壞應(yīng)變?cè)叫　ａ槍?duì)復(fù)合封層抵抗反射裂縫和變形協(xié)調(diào)能力進(jìn)行分析，采用試件的破壞應(yīng)變作為評(píng)價(jià)試件低溫抗裂性能的指標(biāo)。小梁試件見(jiàn)圖4、圖5，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖6。

圖4 SBS改性瀝青AC-13小梁試件

圖5 復(fù)合封層小梁試件

表2 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同組合方案復(fù)合封層的低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果得出：

(1)由低溫彎曲試驗(yàn)的彎曲破壞應(yīng)變可以看出，無(wú)論是哪種類型的復(fù)合封層在低溫抗裂性能方面都要優(yōu)于SBS改性瀝青AC-13試件。這是由于復(fù)合封層作為一種封層結(jié)構(gòu)，能夠吸收一部分應(yīng)力，并且橡膠瀝青具有高彈高粘的特點(diǎn)，因此能夠產(chǎn)生較大的形變。但是無(wú)論是哪一種類型的復(fù)合封層，由于其碎石只有兩種，嵌擠的程度與SBS改性瀝青AC-13瀝青混凝土相比較差，故其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同SBS改性瀝青AC-13相比較為松散，因此抗彎拉強(qiáng)度較SBS改性瀝青AC-13低。

(2)對(duì)于四種不同組合的復(fù)合封層，方案A和方案B在低溫抗裂方面都優(yōu)于方案C和方案D，其中方案A低溫抗裂性能較優(yōu)。由于方案A和方案D封層其下層碎石為4.75～9.5mm的粒徑，瀝青混合料比表面積較大，相對(duì)于較大的碎石其粘聚力較大，因此在抗裂性方面要優(yōu)于方案B和方案C。

3.3 疲勞性能試驗(yàn)

采用UTM萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同組合類型的綜合封層疲勞性能試驗(yàn)，加載方式為三分點(diǎn)加載。試件尺寸為50mm×50mm×250mm的小梁試件，加載頻率為10Hz。試驗(yàn)試件見(jiàn)圖7、圖8，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖9。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知：

圖7 AC-13試件

圖8 復(fù)合封層試件

表3 不同組合方案的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖9 不同組合方案的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

(1)綜合封層較SBS改性瀝青AC-13相比有著優(yōu)良的抗疲勞性能。在進(jìn)行小梁試件極限破壞荷載試驗(yàn)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，綜合封層具有粘結(jié)性能，當(dāng)?shù)撞堪l(fā)生明顯裂縫的時(shí)候，其表層還能保證良好的整體性。這是因?yàn)榱芽p發(fā)生過(guò)程大致為三個(gè)階段，分別是裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展以及裂縫快速發(fā)展直至試件破壞階段，橡膠瀝青具有良好的粘彈性能，在裂縫出現(xiàn)后的發(fā)展階段對(duì)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展有著很大的抗拒作用。另外橡膠瀝青還具有吸收部分破壞能力、提高破壞應(yīng)變的功能，因此綜合封層的疲勞性能整體要優(yōu)于SBS改性瀝青AC-13瀝青混凝土路面。

(2)對(duì)于四種不同類型的綜合封層，方案A和方案B在抗疲勞方面都要優(yōu)于方案C和方案D。

4 結(jié)論

(1)綜合封層的脫落率與表層微表處有關(guān)。攤鋪微表處后的橡膠瀝青碎石封層的脫落率明顯下降。對(duì)于不同組合類型的復(fù)合封層，其脫落率也是不同。AR-SAMI-10+MS-3的方案A脫落率最小，抗剝落性能最優(yōu)。

(2)由低溫彎曲試驗(yàn)的彎曲破壞應(yīng)變可以看出，無(wú)論是哪種類型的綜合封層在低溫抗裂性能方面都要優(yōu)于SBS改性瀝青AC-13試件。對(duì)于四種不同組合的綜合封層，方案A和方案B在低溫抗裂方面都優(yōu)于方案C和方案D，其中方案A低溫抗裂性能較優(yōu)。由于方案A和方案D封層其下層碎石為4.75～9.5mm的粒徑，瀝青混合料比表面積較大，相對(duì)于較大的碎石其粘聚力較大，因此在抗裂性方面要優(yōu)于方案B和方案C。

(3)綜合封層較SBS改性瀝青AC-13相比有著優(yōu)良的抗疲勞性能。對(duì)于四種不同類型的復(fù)合封層，方案A和方案B在抗疲勞方面都要優(yōu)于方案C和方案D。