橡胶沥青复合封层在水泥路面改造工程中的应用研究

邓海斌，马 翔，邓德毅，谭 乐

(1.湖州市公路管理局 湖州市 313000；2.南京林业大学 土木工程学院 南京市 210037)

0 引言

随着社会的发展与进步，道路使用者也对行车舒适性要求越来越高，早期修建的水泥混凝土路面因其噪音大、行车舒适性差的缺点正面临着“白改黑”，所谓“白改黑”就是将原来的白色水泥路面改为黑色的沥青路面[1]。当前，常用的水泥路面“白改黑”技术主要有移除旧水泥混凝土板后重铺沥青混凝土、旧水泥混凝土板破碎后罩面沥青混凝土、直接罩面沥青混凝土三种技术[2-3]，其中前两种技术并不能利用旧水泥混凝土板的结构强度，第三种技术可以利用旧水泥混凝土板提高路面的整体结构强度，但却需要解决如何克服反射裂缝的问题。

水泥混凝土路面“白改黑”工程中的抗反射裂缝技术方案有加厚沥青面层厚度、铺设应力吸收层、铺设土工织物等，已有的室内研究及实体工程实践表明：在水泥混凝土面板上铺设一层橡胶沥青应力吸收层可以提高复合结构层间粘结性能和罩面层的抗反射裂缝能力[4-7]。在此结论的基础上，本研究提出了一种由多层橡胶沥青碎石封层组成的橡胶沥青复合封层解决水泥路面“白改黑”工程薄层罩面的反射裂缝和层间粘结问题。

1 橡胶沥青复合封层的定义

橡胶沥青复合封层结构由多层橡胶沥青同步碎石封层组成，具体结构由下至上为：1～2层中粒式橡胶沥青同步碎石封层+1～2层细粒式橡胶沥青同步碎石封层。在该结构中，多层不同粒径的橡胶沥青同步碎石封层，一方面通过嵌挤保持封层的稳定，另一方面通过橡胶沥青优异的弹性消散路面结构的应力应变，抵抗反射裂缝。

本研究所采用的橡胶沥青复合封层为双层结构，下层橡胶沥青碎石封层所采用的碎石粒径范围为10～15mm，碎石用量为15kg/m2±3kg/m2，沥青用量为2.0kg/m2±0.3kg/m2；上层橡胶沥青碎石封层所采用的碎石粒径范围为5～10mm，碎石用量为10kg/m2±2kg/m2，上层沥青用量为1.5kg/m2±0.3kg/m2。此外，由于碎石封层一般不能直接应用于等级公路的表面层，因此，在铺设橡胶沥青复合封层后一般需要在其上罩面沥青混凝土，本研究依托工程的表面层采用3cmSMA-10，室内研究时也采用这种结构进行试验评价。

2 室内试验研究

鉴于橡胶沥青复合封层在“白改黑”工程中的作用，本研究重点对复合橡胶沥青封层的粘结性能和抗裂性能室内试验结果进行了评价。

2.1 粘结性能评价

旧水泥混凝土板与新铺结构层之间的粘结性能是橡胶沥青复合封层研究时应该重点关注的技术问题，为此，本研究分别对乳化沥青碎石封层、单层橡胶沥青碎石封层、双层橡胶沥青碎石封层作为粘结层的复合结构进行剪切试验和拉拔试验[8-10]，试验温度均为25℃，剪切试验加载速率为8mm/min，拉拔试验加载速率为6mm/min，其试验结果如表1所示。

表1 不同粘结层材料复合结构间的粘结强度

从表1中的试验结果可知，橡胶沥青碎石封层的拉拔强度明显优于乳化沥青碎石封层，单层橡胶沥青碎石封层的剪切强度略高于乳化沥青碎石封层，而双层橡胶沥青碎石封层的剪切强度明显高于单层橡胶沥青碎石封层，由此可见，橡胶沥青相对乳化沥青而言，具有优良的粘结性能，而双层橡胶沥青碎石封层相对单层碎石封层而言具有更优的嵌挤结构，表现出更好的抗剪能力。

2.2 抗裂性能评价

反射裂缝是水泥路面“白改黑”工程中的典型病害，因此除了粘结性能以外，用于水泥路面“白改黑”工程中的粘结层还应具有优异的抗裂性能，本研究还对橡胶沥青复合封层的抗裂性能进行了研究。目前，诸多用于评价防止反射裂缝的试验方法由于试验周期长，对试验设备及试验人员的要求较高，不宜作为常规的试验方法。因此，本研究采用了一种简单易行的方法来评价橡胶沥青复合封层抵抗反射裂缝的能力——冲击韧性试验[11]。冲击韧性代表材料在冲击荷载作用下发生断裂前积蓄的能量，主要用于材料断裂产生新表面所需要的能量，冲击韧性值越大，材料抵抗反射裂缝的能力越强[12]。试验过程中将封层与SMA-10沥青混凝土组成的复合结构切割成250mm×35mm×35mm的小梁试件，切割过程中完全保留封层结构，将小梁试件放置于-10℃的环境箱中保温4h后，在万能材料试验机上以500mm/min的速率进行小梁弯曲试验，通过弯曲试验的位移-力曲线计算得到各试件的冲击韧性。

研究过程中为了考虑外界环境因素对其抗裂性能的影响，考虑冻融循环条件，分别对冻融前后的试件进行试验，冻融循环条件为：冻，-18℃空气浴中放置16h；融，60℃水浴中放置24h；循环三次。冻融循环后试件的冲击韧性如表2所示。

表2 不同封层类型冲击韧性试验结果

从表2中的试验结果可以看出，橡胶沥青封层较乳化沥青封层具有更为优异的抗裂性能，且抗冻融能力更强，具有更好的抗裂耐久性。

3 试验段施工工序及关键控制

基于室内的研究成果，项目组于2016年10月在湖州市S306鹿唐线原吴兴收费站处实施了橡胶沥青复合封层“白改黑”的试验段，该路段是湖州通往安徽的主干道，交通量为特重交通，试验段实施结构方案如图1所示：

图1 试验段结构示意图

其现场施工工序及关键控制如下：

(1)旧水泥混凝土板病害处治

实施橡胶沥青复合封层之前，首先应对旧水泥混凝土的病害进行彻底处治，尤其是脱空、错台病害，并在此基础上对表面进行彻底清扫，确保表面洁净、干燥。

(2)橡胶沥青碎石封层撒布

本次试验段橡胶沥青复合封层结构分三层撒布。第一层：橡胶沥青用量2kg/m2，碎石粒径15～20mm；第二层：橡胶沥青用量1.5kg/m2，碎石粒径10～15mm；第三层：橡胶沥青用量1.0kg/m2，碎石粒径5～10mm。各层橡胶沥青碎石封层的施工采用同步碎石封层车施工。

(3)胶轮碾压

每层橡胶沥青碎石封层撒布结束后应紧跟25t以上的胶轮压路机进行碾压，碾压遍数为3～5遍，从洒布橡胶沥青到碾压完成应在10min内完成，碾压完成后再进行下层橡胶沥青碎石封层的施工。

(4)开放交通碾压

橡胶沥青复合封层施工碾压完成后即可开放交通，通过交通的碾压形成复合封层间良好的嵌挤结构，从而形成优良的稳定性和抗裂性能。

(5)表面层施工

开放交通碾压后的橡胶沥青复合封层会有少量粘结不牢的碎石在车轮荷载作用下聚集在道路两侧，在施工表面层SMA-10之前，应该清理掉表面散落的碎石，表面层SMA-10的施工工艺与常规SMA沥青混凝土相同。

4 跟踪观测与评价

在项目实施1年后，项目组对橡胶沥青复合封层试验段的具体使用情况进行了跟踪观测与评价，从现场跟踪观测情况来看，试验段未出现推移病害，但出现了少量裂缝，具体裂缝统计结果见表3。

表3 试验段裂缝统计结果(条)

总体而言，截止调查的时间S306试验段双向出现了16条裂缝(4车道×150m)，其中贯穿裂缝3条，1条出现在起点。3条贯穿的裂缝均是出现在新浇注水泥混凝土板和旧水泥混凝土板的接缝处，由于工期紧，浇注后的第7d即进行了橡胶沥青复合封层的施工，新浇注水泥混凝土缺少足够的养生时间，导致新浇注水泥混凝土在后期会出现显著的收缩变形，接缝处产生较大的应力集中现象，出现反射裂缝。项目组选择裂缝处进行了取芯评价，如图2所示。

图2 裂缝处取芯

从图2中可以看出，裂缝处存在明显的错台病害，由此可见，原路面错台病害未彻底处治导致试验段裂缝较早产生。总体而言，水泥混凝土路面改造工程中采用橡胶沥青复合式封层+ 3cm薄层沥青混凝土罩面的方案，在重载交通作用下，依旧表现出较好的抗裂、粘结性能，但在后期类似工程的推广应用过程中应特别重视旧路面病害的处治，以防出现反射裂缝病害。

5 结论

(1)双层橡胶沥青碎石封层组成的复合结构层间剪切强度是常用的乳化沥青碎石封层和单层橡胶沥青碎石封层的两倍，可有效防治水泥混凝土路面罩面后出现推移病害；

(2)双层橡胶沥青碎石封层可提高复合结构冲击韧性值近20%，且冻融循环后其抗裂性能衰减幅度最小，表现出良好的抗裂性能及耐候性；

(3)橡胶沥青复合封层试验段在特重交通下的使用性能，验证了双层橡胶沥青碎石封层优异的粘结性和抗裂性能。

综上所述，橡胶沥青复合封层结构为水泥路面“白改黑”工程提供了一种抗反射裂缝技术方案，尤其在薄层罩面方案中其技术优势明显。但实体工程应用时间较短，其后期使用性能有待进一步跟踪观测。