高速公路大孔隙降噪橡膠瀝青路面設(shè)計(jì)

余云芳，童飛

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330000；2.江西瓊威建設(shè)有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

0 引言

近年來，橡膠瀝青路面使用技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)通過將廢舊輪胎材料加工處理后按比例摻入瀝青混凝土材料中，既提升了瀝青混合料路用性能，又起到變廢為寶、資源高效利用的目的。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層所具有的防水、黏結(jié)性、抗反射裂縫等性能優(yōu)異，對于舊路病害處治加鋪工程、濕潤多雨地區(qū)路面防水黏結(jié)層等方面尤為適用。此外，橡膠瀝青路面因采用開級配瀝青混合料，還具備較好的路面降噪效果。

1 工程概況

某高速公路是所在省規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，起訖樁號K210+000—K300+135，線路長90.14km，雙向四車道設(shè)計(jì)，行車速度為100km/h，分兩期完成。一期是長度為32.1km的K210+000—242+100段，該段于2004年初通車運(yùn)營；二期是長度58.04km的K242+101—K300+135段，該段從2004年初開始進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)，并于2006年建成運(yùn)營。該公路一期工程由于交通量巨大，重載、超限車輛多，在運(yùn)行數(shù)年后，瀝青混凝土路面先后出現(xiàn)裂縫、坑槽、唧漿、沉降等病害，雖然在2010年實(shí)施了微表處預(yù)養(yǎng)，但由于病害原因（即重載超限交通量巨大）并未從根本上得到解決，導(dǎo)致微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施并未使原有病害得到根治，路面病害更加嚴(yán)重，其中K240+000—K269+472樁號段裂縫集中，反射裂縫嚴(yán)重，且伴隨有支縫，遇雨季還存在較為嚴(yán)重的唧漿。

該病害路段原為強(qiáng)基薄面的半剛性基層瀝青路面，結(jié)合大量工程實(shí)踐，半剛性基層路面很容易引發(fā)收縮裂縫、反射裂縫，當(dāng)前對此類病害的處治技術(shù)大多以直接灌縫、開槽灌縫為主，此類措施只能在短期內(nèi)阻止裂縫發(fā)展，僅屬于常規(guī)性養(yǎng)護(hù)[1]措施，無法從根本上解決問題。而銑刨基層和底基層并回填瀝青混合料的處理技術(shù)雖然能從根本上處治反射裂縫，但缺乏經(jīng)濟(jì)性，并不適用于交通量大、無法中斷交通的高速公路病害路段。

2 改造方案

結(jié)合國內(nèi)外大量工程實(shí)踐和成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用單粒徑集料和橡膠瀝青材料所制備而成的橡膠瀝青具有較好的抑制瀝青路面反射裂縫的效果，能夠拖延瀝青路面裂縫反射時間，橡膠瀝青AR-SAMI應(yīng)力吸收層也是當(dāng)前國際上所公認(rèn)的裂縫處理最有效、最經(jīng)濟(jì)方案[2]。該結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮橡膠粉彈性性能，提升瀝青路面抗裂性能，有效解決長期困擾高速公路管理者及設(shè)計(jì)、施工人員的半剛性基層反射裂縫問題。

結(jié)合原路面情況，由于該高速公路一期工程位于雨季較長的南方地區(qū)，故改造時全路段原裂縫、沉降、唧漿、坑槽等病害在修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，黏結(jié)層全部采用1cm厚的橡膠瀝青AR-SAMI應(yīng)力吸收層，抑制反射裂縫發(fā)生，并避免雨水侵入；對于裂縫病害十分嚴(yán)重的K240+000—K269+472段，則進(jìn)行4cm厚的橡膠瀝青AR-AC13加鋪罩面，其余路段則通過4cm厚的SBS改性瀝青加鋪罩面。原路面及處治方案分別見圖1和圖2。

該高速公路一期工程原瀝青路面改造工程量包括：橡膠瀝青AR-SAMI應(yīng)力吸收層12.45×104m2，4cm厚橡膠瀝青罩面2.13×104m2，4cm厚SBS改性瀝青加鋪罩面12.60×104m2，15cm厚泡沫瀝青冷再生基層0.91×104m2，15cm厚乳化瀝青冷再生基礎(chǔ)1.05×104m2，22cm厚水穩(wěn)冷再生基層1.98×104m2。本文僅對其中橡膠瀝青ARSAMI應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)問題展開探討。

3 橡膠瀝青路面混合料設(shè)計(jì)

3.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

橡膠瀝青膠結(jié)料性能對橡膠瀝青路面性能、造價(jià)有較大影響，考慮到瀝青路面混合料中細(xì)集料較少，故膠結(jié)料的黏結(jié)作用直接決定著混合料強(qiáng)度。該高速公路病害路段膠結(jié)料除必須具備較好的黏結(jié)力、黏附性能和抗剝離性，還應(yīng)具有較好的抗極端溫度性能，以有效防止膠結(jié)料在極端溫度環(huán)境下發(fā)生塑性變形、泛油、脆裂等病害。當(dāng)前一些公路建造水平較高的國家在開級配瀝青混合料選材時，主要以SBS改性瀝青、高黏度瀝青、橡膠瀝青等為結(jié)合料，其中橡膠瀝青因具備較好的彈性性能，屬于新型環(huán)保材料，降噪性能也較為優(yōu)異，故該工程主要以橡膠粉摻加量為18%的橡膠瀝青為路面膠結(jié)料。

空氣及水分會加劇瀝青和集料剝落和氧化進(jìn)程，抗剝落劑的摻加能夠使瀝青混合料抗水損性能顯著提升，根據(jù)該病害路面實(shí)際情況及橡膠瀝青混合料應(yīng)用效果，按照骨料量的2%摻加抗剝落劑。

3.2 試件成型方法

當(dāng)前國內(nèi)外所采用的開級配混合料標(biāo)準(zhǔn)和擊實(shí)方法并不統(tǒng)一，為便于過程及結(jié)果控制，本文主要采用馬歇爾擊實(shí)方法。進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)主要是對混合料經(jīng)車輛荷載作用后體積指標(biāo)變動情況的預(yù)估，因此在選擇室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)時，必須全面考慮施工條件及待養(yǎng)護(hù)處治路段交通狀況。為進(jìn)行橡膠瀝青路面材料試件成型擊實(shí)功的準(zhǔn)確確定，展開馬歇爾雙面擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)次數(shù)分別取40、50、60、70，級配相同，油石比均為8.0%，擊實(shí)效果具體見表1，在不同擊實(shí)次數(shù)下所對應(yīng)的試件孔隙率依次為23.4%、23.1%、22.5%和22.0%。

表1 擊實(shí)次數(shù)對橡膠瀝青級配的影響

由表中試驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同擊實(shí)功下抽提次數(shù)不同，集料的破碎情況基本一致；幾種不同擊實(shí)功所對應(yīng)的集料孔隙率差異不超出1.2%，造成這種現(xiàn)象的主要原因在于混合料的級配組成及現(xiàn)場壓實(shí)功[3]不同?？紤]到該病害路段施工條件，選擇抽提次數(shù)為50次的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)。

3.3 級配范圍及設(shè)計(jì)孔隙率

為進(jìn)行橡膠瀝青路面吸聲性能受級配和孔隙率影響的分析，共設(shè)計(jì)出15.9%、17.8%、23.4%、23.3%、23.6%等不同的孔隙率所對應(yīng)的五種級配，并通過駐波管法進(jìn)行瀝青路面吸聲系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用的試件厚度為6cm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)路面厚度相同時，瀝青路面吸聲特性主要受到孔隙率的影響，為取得最佳的降噪效果，必須增大瀝青路面孔隙率，大孔隙率還會使瀝青路面具備較好的自清潔功能。針對棱角性較大的集料，橡膠瀝青混合料的孔隙率可以達(dá)到25%及以上，由于該病害路段夏季高溫多雨且雨季較長，故將瀝青路面孔隙率控制在25%～28%范圍內(nèi)。

在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合開級配橡膠瀝青混合料應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出該公路橡膠瀝青路面混合料級配范圍，具體見表2。

表2 橡膠瀝青路面混合料級配范圍

3.4 瀝青用量

結(jié)合病害實(shí)際，水損、車轍、松散等是橡膠瀝青路面常見的病害形式，為提升路面抗老化、抗水損、抗車轍性能，必須加大瀝青用量，瀝青用量最大值主要通過析漏試驗(yàn)確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，改性瀝青、橡膠瀝青及SMA瀝青路面析漏值控制范圍一般在0.3%左右，結(jié)合該工程實(shí)踐及析漏試驗(yàn)結(jié)果，也應(yīng)當(dāng)將橡膠瀝青混合料最佳瀝青用量控制在0.3%，并采用7.0%～9.0%油石比及凍融劈裂、復(fù)合車轍動穩(wěn)定度、飛散實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行混合料性能檢驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橡膠瀝青析漏量取0.3%時所對應(yīng)的油石比為8.0%，該結(jié)果與車轍試驗(yàn)中油石比取8.0%時所對應(yīng)最大的車轍動穩(wěn)定度這一結(jié)論吻合，且其余指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果也均滿足要求，表明所確定的最佳瀝青用量和最佳油石比切實(shí)可行。

3.5 混合料性能試驗(yàn)

為取得較好的降噪效果，必須通過混合料級配的調(diào)整，增大混合料孔隙率，并在孔隙率提高的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合料耐久性檢驗(yàn)，以有效解決降噪橡膠瀝青路面耐久性與功能性之間的矛盾?？紤]到降噪橡膠瀝青路面孔隙率較大，常規(guī)的車轍試驗(yàn)無法進(jìn)行開級配混合料高溫性能的準(zhǔn)確評價(jià)，特別是對開級配橡膠瀝青混合料，所得出的動穩(wěn)定度值往往較小，無法取得較好的路用性能。為此，本文主要采用復(fù)合車轍板試驗(yàn)方法[4]評價(jià)橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能，所使用的混合料油石比取8.5%，級配為粒徑2.36～4.75mm集料∶粒徑4.75～9.5mm集料∶粒徑9.5～13.2mm集料∶粒徑13.2～16mm集料=4%∶33%∶58%∶5%。

（1）高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性

橡膠瀝青路面在混合料制備時不摻加細(xì)集料，車轍板和試模之間完全屬于點(diǎn)狀接觸，單純依靠橡膠瀝青將車轍板黏結(jié)在鋼板上，這顯然與粗集料所形成的嵌擠狀態(tài)不同。為更加真實(shí)地反映橡膠瀝青路面和下臥層的嵌擠狀態(tài)，必須在試驗(yàn)前成型2.5cm厚的橡膠瀝青路面材料上面層、5.0cm厚的SMA13下面層所構(gòu)成的雙層車轍板。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，上面層和下面層所對應(yīng)的車轍深度均具有明顯的規(guī)律性，且均屬于典型的凸形車轍曲線。

為進(jìn)行油石比影響程度的比較分析，針對以上所提出的級配，分別對油石比取7.5%、8.0%和8.5%等情況下的車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。根據(jù)圖中試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)油石比取8.0%時，7.5cm厚的橡膠瀝青路面材料復(fù)合車轍板動穩(wěn)定度為3 830次/mm，能夠符合高速公路瀝青路面抗老化、抗磨耗、抗車轍等方面的性能要求。

瀝青混合料低溫抗裂性能通常通過等速拉伸、間接拉伸、簡支梁彎曲試驗(yàn)、溫度膨脹系數(shù)等試驗(yàn)和參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)。本文依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）采用-10℃條件下小梁低溫彎曲試驗(yàn)展開橡膠瀝青混合料低溫抗裂性能檢驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1#～4#試件低溫小梁彎曲應(yīng)變值分別為4 284.2με、3 721.1με、3 648.4με和3 350.1με，均值為3 748.9με，均滿足不小于2 500με的技術(shù)要求。

（2）抗磨耗性能

橡膠瀝青混合料使用的粗集料多、細(xì)集料少，所以集料接觸點(diǎn)并不大，如果單純依靠橡膠瀝青實(shí)現(xiàn)黏結(jié)，則在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的循環(huán)往復(fù)作用下，橡膠瀝青會表現(xiàn)出優(yōu)異的抗飛散性能，即便是通過切割機(jī)切割試件，在石料遭到破壞的基礎(chǔ)上，發(fā)生飛散病害的可能性也較小。飛散試驗(yàn)結(jié)果具體見表3所示。

表3 橡膠瀝青混合料飛散試驗(yàn)結(jié)果

4 應(yīng)用效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，選擇該高速公路一期工程中病害較為嚴(yán)重的路段進(jìn)行橡膠瀝青路面試鋪，考慮到原路面局部區(qū)域孔隙率較大，在病害期間表現(xiàn)出明顯的水損，且中上面層受損較為嚴(yán)重。在進(jìn)行橡膠瀝青應(yīng)力吸收層加鋪前對原路面進(jìn)行病害進(jìn)行了處理，并對中上面層進(jìn)行了銑刨和重鋪，并以SBS改性乳化瀝青黏層為防水黏結(jié)層，灑布量為0.2～0.3kg/m2，滲水系數(shù)檢測結(jié)果顯示，在防水黏結(jié)層灑布后路面滲水系數(shù)明顯減小。在拌和樓試拌的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)路段施工，工后鉆孔取芯檢測結(jié)果顯示，芯樣孔隙率27.1%，滲水系數(shù)均值為3 820mL/min，擺值58.4，性能較好。與此同時，還通過聲級計(jì)對試驗(yàn)路段降噪效果進(jìn)行了檢測，并將檢測結(jié)果和處治后且未加鋪橡膠瀝青罩面層的路面進(jìn)行了比較，為降低交通運(yùn)行對檢測結(jié)果的不利影響，每次檢測開始后持續(xù)檢測25min，并將測試點(diǎn)設(shè)置在防撞欄桿的位置，檢測儀器的設(shè)置高度恰好與護(hù)欄高度齊平。根據(jù)檢測結(jié)果，數(shù)次檢測測得的噪聲均值分別比未加鋪橡膠瀝青混合料罩面層之前降低了2.2～3.2分貝，降噪效果十分顯著。

結(jié)合對該公路段運(yùn)行狀況的長期監(jiān)測，公路處治完成投運(yùn)一年多以來，路表外觀并未發(fā)生任何變化，也未出現(xiàn)任何病害，橡膠瀝青路面孔隙率與排水能力保持良好。

5 結(jié)語

綜上所述，該高速公路病害路段橡膠瀝青混合料在設(shè)計(jì)級配方面屬于典型的開級配，混合料中大量使用了粗集料，級配類型與SMA十分接近，所不同的是，為增強(qiáng)瀝青和集料的黏附性能，橡膠瀝青混合料中按設(shè)計(jì)比摻加了水泥緩凝劑?？紤]到橡膠瀝青混合料具有較好的骨架結(jié)構(gòu)，故在后續(xù)施工過程中必須加強(qiáng)橡膠瀝青混合料加工過程控制，加強(qiáng)混合料抽檢和儲存保管，嚴(yán)控各個施工環(huán)節(jié)的溫度，確保攤鋪及碾壓施工質(zhì)量。橡膠瀝青混合料在高等級公路罩面養(yǎng)護(hù)處治方面的推廣應(yīng)用，能夠有效減少廢舊輪胎對環(huán)境的污染及資源的浪費(fèi)，在降低工程造價(jià)的同時能取得較好的路用性能，有效延長路面使用壽命。