葉 偉

(招商局公路信息技術(shù)(重慶)有限公司，重慶 400067)

0 引言

瀝青路面在行車(chē)安全性、舒適性和后期養(yǎng)護(hù)維修等諸多方面均優(yōu)于水泥混凝土路面，然而我國(guó)在早期高速公路建設(shè)中由于瀝青材料單一、瀝青路面施工工藝成熟度不高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后，導(dǎo)致我國(guó)瀝青路面鋪裝技術(shù)起步相對(duì)較晚，早期高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)主要采用的還是水泥混凝土剛性路面結(jié)構(gòu)。但隨著改性瀝青技術(shù)的發(fā)展、瀝青混合料類(lèi)型的不斷豐富、瀝青路面施工技術(shù)日益成熟以及公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，“白改黑”(復(fù)合式路面結(jié)構(gòu))已成為國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路水泥路面改造工程的總體趨勢(shì)。然而，車(chē)轍、反射裂縫、疲勞開(kāi)裂等一直是復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的通病[1]，因此在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須充分結(jié)合原路面技術(shù)狀況，在最大程度利用原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，優(yōu)選瀝青材料，滿(mǎn)足傳統(tǒng)高低溫性能的同時(shí)提升罩面層的抗裂性和疲勞壽命,是延長(zhǎng)復(fù)合式路面使用壽命的關(guān)鍵。

1 原路面技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)

本文采用CT616型道路綜合檢測(cè)車(chē)[2]，依據(jù)現(xiàn)行公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于高速公路水泥混凝土路面的檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)廣西某高速公路水泥路面破損、平整度、跳車(chē)、抗滑進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 廣西某高速公路水泥路面技術(shù)狀況

表2 廣西某高速公路水泥路面技術(shù)狀況評(píng)分等級(jí)

結(jié)合路面技術(shù)狀況檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，原水泥混凝土路面破損類(lèi)病害較少，主要表現(xiàn)為個(gè)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(wú)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(gè)別路段存在跳車(chē)，主要由于修補(bǔ)板塊與舊路面板塊銜接不平順以及錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象導(dǎo)致。

在結(jié)構(gòu)承載能力方面，本文利用落錘式彎沉儀(FWD)[3]對(duì)雙向合計(jì)1 600塊水泥混凝土板板底脫空以及接縫傳荷能力進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果見(jiàn)表3和表4。利用鉆取的芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，并由劈裂強(qiáng)度換算成彎拉強(qiáng)度，與原路面設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)原路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表3 路面板底脫空抽檢結(jié)果

表4 接縫傳荷能力分級(jí)抽檢結(jié)果

表5 水泥混凝土面層抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表6 水泥混凝土面層彎拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(單位：MPa)

檢測(cè)結(jié)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(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，原路面結(jié)構(gòu)承載能力較好，在對(duì)病害板塊進(jìn)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(fù)合式路面結(jié)構(gòu)[4]，可大幅提高路面的平整度，改善行車(chē)舒適性。

2 瀝青混凝土加鋪層方案設(shè)計(jì)

2.1 加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明，在行車(chē)荷載作用下，路面剪應(yīng)力主要集中于中、上面層深度范圍內(nèi)[5]，其最大剪應(yīng)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(yīng)力銳減，但此時(shí)的應(yīng)力水平仍然較高，超過(guò)10cm后即中面層以下的剪應(yīng)力水平較低并趨于平穩(wěn)[6]。因此，在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了考慮抗車(chē)轍、水損性能外，如何有效延緩反射裂縫和疲勞開(kāi)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(dú)設(shè)置應(yīng)力吸收層[7]等。增加瀝青層厚度一方面對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)物的恒載、交安設(shè)施特別是防撞護(hù)欄的有效高度、路面排水設(shè)施特別是超高排水和邊溝排水的通暢性等帶來(lái)一系列不利影響因素；另一方面過(guò)分強(qiáng)調(diào)增加瀝青層厚度會(huì)增加夏季高溫季節(jié)產(chǎn)生車(chē)轍和泛油的風(fēng)險(xiǎn)，且工程造價(jià)隨之增加，性?xún)r(jià)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(yīng)力吸收層往往采用橡膠瀝青材料，而橡膠瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和施工環(huán)保性較差，但單獨(dú)設(shè)置應(yīng)力吸收層的防裂效果要顯著優(yōu)于前面兩種技術(shù)手段。

本文依托項(xiàng)目的原路面技術(shù)狀況各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中除平整度外其余均為優(yōu)等，路面結(jié)構(gòu)承載能力較好，無(wú)大面積破損類(lèi)病害，其養(yǎng)護(hù)目標(biāo)主要是全面提升路面平整度，改善行車(chē)舒適性，結(jié)合業(yè)主提出未來(lái)8年內(nèi)路面無(wú)結(jié)構(gòu)性損壞的要求，該項(xiàng)目復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限定為8年。綜合原路面技術(shù)狀況、養(yǎng)護(hù)目標(biāo)和設(shè)計(jì)使用年限，本項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)類(lèi)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(jìn)行加鋪罩面，其中2cm厚改性瀝青AC-10C主要起到應(yīng)力吸收兼調(diào)平作用，并要求對(duì)瀝青膠結(jié)料采用“增粘”、“增彈”復(fù)合改性的技術(shù)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(duì)比

苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物(英文簡(jiǎn)寫(xiě)SBS)可顯著改善瀝青材料的溫度敏感性，提高耐久性，且儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好[8]，是目前我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的瀝青改性劑。聚氨酯(英文簡(jiǎn)寫(xiě)PU)分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—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(duì)70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)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(jìn)行路用性能試驗(yàn)對(duì)比。同時(shí)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(yàn)對(duì)比，其中，高溫流變性能試驗(yàn)參照美國(guó)SHRP瀝青路用性能規(guī)范中關(guān)于動(dòng)態(tài)剪切的試驗(yàn)方法，采用DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角；疲勞壽命試驗(yàn)采用澳大利亞UTM系列動(dòng)態(tài)伺服液壓材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)；抗裂性能試驗(yàn)采用美國(guó)德克薩斯州交通研究中心研制的瀝青罩面層測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)基座在水平方向開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)上面固定的瀝青混凝土試件抵抗裂縫擴(kuò)展的性能，試驗(yàn)方法參照《Test produce for Overlay Tester》(TxDOT designation:Tex-248-F)。

表7 瀝青膠結(jié)料路用性能測(cè)試對(duì)比

圖1 不同瀝青的動(dòng)力粘度和彈性恢復(fù)對(duì)比

圖2 不同瀝青的延度和軟化點(diǎn)對(duì)比

高粘高彈改性瀝青的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為動(dòng)力粘度(60℃)和彈性恢復(fù)(25℃)，通過(guò)試驗(yàn)可知彈性恢復(fù)(25℃)表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>PU>SBS改性瀝青，動(dòng)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(diǎn)和低溫延度指標(biāo)要略高于SBS+PU復(fù)合改性瀝青，但通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜加熱老化試驗(yàn)后的SBS+PU復(fù)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(duì)瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常采用軟化點(diǎn)和動(dòng)力粘度指標(biāo)，但美國(guó)SHRP研究成果已將動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)DSR納入規(guī)范用以評(píng)價(jià)瀝青的高溫流變特性，提供了評(píng)價(jià)瀝青流變特性的必要參數(shù)(復(fù)數(shù)勁度模量G*、相位角δ)，其中復(fù)數(shù)勁度模量G*越大表示瀝青的勁度越大，抗流動(dòng)變形能力越強(qiáng)。通常以G*/sinδ評(píng)判瀝青材料的抗車(chē)轍性能，并將G*/sinδ稱(chēng)之為車(chē)轍因子。

本文在瀝青常規(guī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR對(duì)SBS改性瀝青、PU改性瀝青、TPS高粘改性瀝青、SBS+PU復(fù)合改性瀝青模擬瀝青路面高溫環(huán)境進(jìn)行46℃～82℃(以6℃為間隔)車(chē)轍因子(G*/sinδ)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同溫度下的瀝青膠結(jié)料車(chē)轍因子(G*/sinδ)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 車(chē)轍因子(G*/sinδ)與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

同一溫度條件下，四種改性瀝青的車(chē)轍因子(G*/sinδ)表現(xiàn)為SBS+PU>TPS>SBS>PU改性瀝青，與動(dòng)力粘度測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，單一的SBS或PU改性瀝青其粘彈性均不如SBS+PU復(fù)合改性瀝青。相關(guān)研究表明，SBS主要通過(guò)物理改性對(duì)瀝青起到“增粘”作用，PU與瀝青共混后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的功能對(duì)瀝青主要起到“增彈”作用[10]，通過(guò)SBS+PU復(fù)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(jié)料下的SMA-13路用性能測(cè)試對(duì)比

圖4 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比對(duì)比

圖5 瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞壽命和OT抗裂壽命對(duì)比

通過(guò)瀝青混合料路用性能試驗(yàn)對(duì)比，高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)為T(mén)PS>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(diǎn)彎曲疲勞壽命表現(xiàn)為SBS+PU>SBS>TPS>PU改性瀝青，且SBS+PU復(fù)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(fù)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(fù)合改性瀝青混凝土的疲勞壽命、抗裂壽命遠(yuǎn)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(fù)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(lèi)似高等級(jí)公路水泥路面“白改黑”對(duì)瀝青混凝土罩面層抗車(chē)轍和抗裂性能要求較高的工程項(xiàng)目。

2.3 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)對(duì)歷年大型客車(chē)和貨車(chē)交通量資料以及年平均增長(zhǎng)率的調(diào)查，依照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)對(duì)交通荷載等級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，本文依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的交通量和交通荷載等級(jí)分析結(jié)果見(jiàn)表10。

路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)根據(jù)基層結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇設(shè)計(jì)指標(biāo)，復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)采用水泥混凝土基層，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，經(jīng)計(jì)算得出設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)道上的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為2.51×107次，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)條件下的車(chē)轍試驗(yàn)，基于SBS+PU復(fù)合改性瀝青的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)(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(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表10 交通量及交通荷載等級(jí)分析結(jié)果

表11 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

3 工程應(yīng)用

本文依托項(xiàng)目于2021年12月底完成全線(xiàn)施工，實(shí)測(cè)SBS+PU復(fù)合改性瀝青混凝土罩面層的行車(chē)噪音相比原水泥路面平均降低約8dB，且無(wú)明顯的行車(chē)顛簸感，行車(chē)舒適性得到大幅提升。路面工程質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表12，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年～2021年SBS+PU復(fù)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(yīng)用中約180萬(wàn)m2，經(jīng)過(guò)近三年跟蹤調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞和反射裂縫現(xiàn)象。

表12 SBS+PU復(fù)合改性瀝青混凝土路面工程質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文依托廣西某高速公路水泥混凝土路面改造工程，經(jīng)檢測(cè)原路面平整度較差，但結(jié)構(gòu)承載能力整體較好，具備功能性罩面的技術(shù)條件。擬采用4cm厚SMA-13磨耗層+2cm厚AC-10C應(yīng)力吸收層兼調(diào)平層的面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并提出對(duì)瀝青膠結(jié)料進(jìn)行“增粘”、“增彈”復(fù)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(dòng)力粘度、彈性恢復(fù)、DSR動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)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(jié)合混合料路用性能試驗(yàn)，高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)為T(mén)PS>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(diǎn)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(jié)構(gòu)驗(yàn)算得出基于SBS+PU復(fù)合改性瀝青的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)(4cmSMA-13+2cmAC-10C+原路面混凝土基層)各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。并且經(jīng)過(guò)近3年約180萬(wàn)m2工程驗(yàn)證，SBS+PU復(fù)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(zhì)量檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。