胶粉改性沥青在高速公路路面养护中的应用研究

孙洪水

（河北交通投资集团有限公司，石家庄 050000）

1 引言

随着我国社会发展水平的显著提升， 我国道路运输行业的发展也得到了充分的促进，这就导致了道路交通中超载、重载情况的加重，与此同时，由于气温变化、渠化交通等因素的影响，沥青路面的病害问题已经十分严重，而胶粉改性沥青这种材料也就是在这种大背景下应运而生的， 这种材料作为新型材料中的一种，对于沥青路面的病害，有着更为良好的修复效果及养护效果[1]。

2 京张高速公路养护项目概况

以京张高速公路路面养护工程为例， 主线路面罩面采用3 cmARHM-10 胶粉改性沥青混凝土， 防水层采用胶粉改性纤维防水层。 全线两条行车道进行罩面，主线路面采用3 cmARHM-10 胶粉改性沥青混凝土，防水层采用胶粉改性纤维防水层； 应急车道边缘线右侧0.6 m 范围内做3 cm 横坡衔接过渡，剩余应急车道部分分2 次喷洒SBR 乳化沥青粘层油。桥面铺装统一铣刨， 上面层采用4 cmARHM-13 胶粉改性沥青混凝土铺筑， 存在拥包及修补不良的局部位置将下面层铣刨采用5（6）cmAC-20C 改性沥青混凝土进行回填，上面层与下面层之间、下面层与混凝土铺装层间，均采用胶粉改性纤维防水层，沥青撒布量分别为1.8 kg/m2、2.0 kg/ m2。在跨径＜10 m且无伸缩缝的桥涵上，需直接加铺3 cm 的罩面层，罩面施工后，于小桥涵板端做切缝，切缝宽1 cm，深1.5 cm。 同时，在官厅湖大桥的桥面处理中，需将桥面微表处进行精铣刨后，加铺1.5 cm 微罩面，加铺时注意伸缩缝处过渡处理。

3 胶粉改性剂的特性

当前随着经济发展，废旧轮胎越来越多，利用废旧轮胎加工成胶粉，添加到沥青混凝土中，可变废为宝。 橡胶粉剂能够吸收沥青中烃类、树脂等有机质，经过一系列化学变化、物理变化，使橡胶粉剂发生湿润、膨胀，软化点随之提升，黏度明显增大。 同时，橡胶粉兼具橡胶的弹性、韧性、黏性等特点，将其应用在高速公路路面养护中，路用性能会有明显提升。 将胶粉改性剂添加至基质沥青进行改性形成胶粉改性沥青， 软化点明显提升、 针入度显著减少， 胶粉改性沥青的高温稳定性更高，对夏季路面行车导致推挤、车辙问题有较大改善作用。 同时，采用胶粉改性及对沥青进行改性，使其温度敏感性降低，这就意味着即使高速公路路面处于温度较低条件下， 其抗流动性变得更强，本身黏度系数也大于基质沥青，温度变化并不会对其产生较大影响。 由此也就能够看出应用胶粉改性沥青的必要性。

4 胶粉改性沥青配合比设计

4.1 胶粉改性沥青

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对胶粉改性沥青进行试验，结果见表1。

表1 沥青检测结果

4.2 集料

本配合比设计所用粗集料、细集料、矿粉依据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行试验，主要技术指标见表2～表4。

表2 集料筛分试验结果

表3 粗集料主要技术指标试验结果

表4 细集料、矿粉主要技术指标试验结果

4.3 矿料级配掺配

依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》选择集料时， 按照设计文件对AC-20 型沥青混合料的矿料级配要求，确定各矿质组成材料质量所占比例，详见表5。

表5 矿料比例及合成级配

4.4 确定最佳沥青用量

在高速公路路面养护中，关于最佳沥青用量的确定，需重点关注以下两点。

4.4.1 5 个不同油石比的马歇尔试验

设计级配确定后， 以预估的油石比4.0%为中值， 选用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%五个油石比， 按照委托方要求，PRM 高模量剂掺量为混合料总量的0.4%，对5 个油石比对混合料分别制备马歇尔试件。 依据设计文件及实践经验，制作温度与施工实际温度应一致，具体见表6[2]。

表6 沥青混合料试件的制作温度℃

而后采用双面各击75 次成型试件， 试件尺寸符合直径101.6 mm±0.2 mm，高63.5 mm±1.3 mm 的要求。 试件成型后，静置过夜，采用表干法测定试件的毛体积相对密度，并据此计算试件的空隙率，沥青饱和度等物理指标。 5 种油石比的马歇尔试件试验结果如下：

1）在油石比为3.0%时，试件毛体积相对密度为2.423；理论最大相对密度为2.617； 空隙率为7.4%； 矿料间隙率为15%；有效沥青饱和度50.7%；马歇尔稳定度为8.47 kN；流值为1.7 mm；

2）在油石比为3.5%时，试件毛体积相对密度为2.444；理论最大相对密度为2.597；空隙率5.9%；矿料间隙率为14.7%；有效沥青饱和度为60%； 马歇尔稳定度为9.18 kN； 流值为2.2 mm；

3）在油石比为4.0%时，试件毛体积相对密度为2.460；理论最大相对密度为2.577； 空隙率为4.5%； 矿料间隙率为14.5%；有效沥青饱和度为68.6%；马歇尔稳定度为10.33 kN；流值为2.6 mm；

4）在油石比为4.5%时，试件毛体积相对密度为2.460；理论最大相对密度为2.558； 空隙率为3.8%； 矿料间隙率为14.9%；有效沥青饱和度为74.3%；马歇尔稳定度为9.99 kN；流值为3.0 mm；

5）在油石比为5.0%时，试件毛体积相对密度为2.455；理论最大相对密度为2.539； 空隙率为3.3%； 矿料间隙率为15.5%；有效沥青饱和度为78.7%；马歇尔稳定度为8.65kN；流值为3.4 mm；

在实际进行试验的过程中， 还需注意空隙率技术要求在3.5%～4.5%；矿料间隙率技术要求需≥13%；有效沥青饱和度技术要求在65%～80%；马歇尔稳定度技术要求≥8 kN；流值技术要求在2～4 mm。

4.4.2 确定最佳沥青用量油石比

依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，以油石比为横坐标，马歇尔试验的各项指标为纵坐标，确定符合规范要求的沥青混合料技术标准的油石比范围OACmin～OACmax。油石比结果见表7。

表7 油石比结果

表7 中，a1～a4分别为最大毛体积密度、目标空隙率、稳定度最大值、沥青饱和度中值时对应的油石比；OAC1为a1～a4的平均值， 如选择沥青用量范围不涵盖沥青饱和度要求范围，OAC1为a1～a3的 平 均 值 （适 用 本 研 究）；OAC2为OACmin与OACmax的平均值。在最佳油石比的确定中，主要以OAC1、OAC2的中值为准， 因此， 本研究确定最佳油石比为4.3%[3]（OAC=(OAC1+OAC2)/2）。

5 沥青混合料的性能检验

按照设计文件及JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》技术要求，对选定的最佳油石比、矿料级配进行沥青混合料的性能检验，各项指标均满足设计要求，具体结果如下。

5.1 沥青混合料各项指标

沥青混合料各项指标详见表8。

表8 油石比沥青混合料各项指标

5.2 高温稳定性检验

按照设计级配称取矿料，采用油石比4.3%，用车辙试验成型机碾压成型300 mm×300 mm×50 mm 的板块状试件3 个，将试件连同试模一起在常温条件下静置60 h，然后将试件连同试模一起移置温度为60 ℃±1 ℃的恒温室中5 h， 最后将试件连同试模移置于车辙试验机的试验台上测定其动稳定度[4]。 实测动稳定度平均值7 215，大于技术要求5 000 次/mm。

5.3 低温抗裂性能检验

按照设计级配称取矿料，采用油石比4.3%，在车辙试验成型机模压成型后切制，试件尺寸符合长250 mm±2.0 mm，宽30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm 的要求。 将试件置于-10 ℃±0.5 ℃的恒温水槽中保温不少于45 min。 最后将试件对称安放在万能材料试验机或压力机支座上测定其抗弯拉强度和最大弯拉应变[5],实测油石比4.3%情况下，最大弯拉应力平均值为2 764，大于技术要求的2 000。

在上述参数标准、技术应用标准已经确定之后，可开展京张高速公路路面养护作业， 保证路面养护后能够通过夏季高温考验，并提升其动态模量、高温稳定性能、抗车辙能力及结构承载力，延长路面使用寿命。

6 应用情况

项目于2021 年7 月完成路面工程主体施工，建设单位委托第三方检测机构进行了交工验收质量检测和评定。 检测评定依据包括公路养护工程质量检验评定标准、 公路路基路面现场测试规程、公路工程沥青及沥青混合料试验规程等进行，两个路面标段分部工程质量评定等级均为合格， 单位工程质量评定等级均为优良。

7 结论

综上所述， 将高模量沥青混凝土充分作用于高速公路路面养护中，对路面抗高温、抗车辙等能力提升大有裨益。 本文以京张高速公路养护作业开展为例， 深入探讨了高模量沥青混凝土在高速公路路面养护中的应用技术， 希望能够为我国高速公路养护施工的规划、设计提供一定思路和建议。