“白加黑”路面橡胶沥青应力吸收层的设计与应用

■任晓萍

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

福安市纵一线（郭厝塘）至白马港区湾坞作业区公路为双向六车道一级公路， 并兼具市政功能，主要服务周边青拓、海利等大型钢锭、镍铬合金生产企业，大型重载车辆多且超载现象较普遍，导致旧路面病害严重，路用性能下降。 为彻底解决该路段路况较差问题进而提高交通服务水平、提升湾坞镇区形象、带动当地经济发展，亟需对该路段路面进行改造。 前期改造段落为站前路至半屿隧道口段，路线总长约5.2 km，采用旧水泥砼路面“白加黑”提升改造方案。

“白加黑”改造充分利用了旧路面剩余强度，在降低工程造价的同时[1]，还能加快施工进度，较少封闭交通，将对周边居民出行、企业生产和环境的影响降到最低，是旧水泥路面提升改造设计的首选方案， 改造后既能达到消除病害和运营使用要求，又能起到降噪和提升道路形象作用。

1 “白加黑”路面抗反射裂缝设计

由于旧水泥路面本身存在接缝以及运营过程车辆荷载导致不同程度的纵横向裂缝、断板、啃边和错台等病害，使沥青砼加铺层处于复杂的受力状态，当超过沥青砼的强度时，便出现反射裂缝。 因此，“白加黑”路面的关键在于防治反射裂缝。 而减缓反射裂缝的重要措施之一，就是在旧水泥面板和沥青加铺层间设置抗反射裂缝夹层材料，以改善应力分布，提高抗变形能力，减缓反射裂缝。 在确定抗反射裂缝夹层材料之前应进行旧水泥路面交通量分析、路面病害状况评定等基础资料调查，以选择性能良好且造价相对合理的材料。

2 基础资料调查

2.1 交通量分析

根据交通量预测分析，本项目大型货车、拖挂车比例较大，经计算，道路荷载等级属特重交通。

2.2 旧路面结构调查

旧水泥砼路面结构为24 cm 水泥砼面板+1 cm沥青封层+20 cm5%水泥稳定碎石+15 cm 填隙碎石。 对旧路面行车道进行钻芯取样，具体情况如下:（1）路面面层平均厚度为23.93 cm，基层水泥稳定碎石平均厚度为20.7 cm， 基本与原设计相符合。（2）水泥砼强度：抗压强度平均值为41.95 MPa，略小于设计抗压强度42 MPa； 弯拉强度平均值为5.31 MPa，大于设计强度5.0 MPa，基本与原设计相符合。

2.3 路表弯沉检测

平均弯沉为15.3 (0.01 mm)，接缝传荷系数约为68%，评价等级为中；板底脱空比率为27.2%，部分路段板底脱空较为严重，雨天多有唧浆，存在水损害。

2.4 路面破损状况评定

水泥砼路面平均错台量上行7.7 mm， 下行8.5 mm，双向8.1 mm，损坏状况评定等级为次；断板率上行12.95%，下行16.28%，双向平均14.6%，损坏状况评定等级为次。

根据上述调查结果，该路段已运营多年，路面结构破坏严重，虽多次进行零星修补、裂缝修复处治， 但长期在大型超载和重载货车荷载作用下，旧水泥砼路面存在不少病害（图1、图2），须将病害处治到位后再加铺沥青罩面。

图1 横向裂缝严重

图2 纵缝错台、啃边严重

3 水泥路面“白加黑”抗反射裂缝方案

根据旧路面状况评定结果，拟采用加铺厚度不小于10 cm 的SBS 改性沥青砼罩面， 采取合理、有效和经济的减缓反射裂缝措施是本工程成功关键所在。

由于受道路两侧非机动车道、人行道和周边企业、商铺标高限制，机动车道路面加铺厚度也被限制在12 cm 以内，无法采用增加沥青层厚度或用大粒径沥青碎石的方式减缓反射裂缝，而混合料掺加改性剂后导致造价显著增加，从技术和经济角度考虑拟采用设置应力吸收层措施。

4 抗反射裂缝材料选择

在加铺层厚度受到限制的情况下，抗反射裂缝夹层材料主要考虑橡胶沥青应力吸收层、格栅和无纺土工布三类，其材料特性和抗反射裂缝效果差异较大。

4.1 橡胶沥青应力吸收层

橡胶沥青使用废弃轮胎，节能、环保，具有较强的高温稳定性， 目前在道路工程建设中应用广泛，如作为应力吸收层和沥青混合料的组成部分。 橡胶沥青应力吸收层是由橡胶沥青层上撒布石料后，经嵌挤碾压而形成的一种具有结构性支撑的碎石封层路面，厚度一般不超过2.5 cm。 其主要性能特点如下：（1）弹性和变形能力强，铺设于水泥砼路面上能部分吸收水泥砼面板传递的弯拉应力、 剪切应力，提高路面抗反射裂缝的能力。 （2）粘结力较强，使沥青铺装层与旧路面形成一个整体并共同受力，提高路面使用寿命[2]。 （3）橡胶沥青所占比例较大，应力吸收层表面会形成沥青膜，阻隔路表水下渗，起到封层作用，减少路面水损害。 同时，摊铺沥青罩面层时产生的热量会让应力吸收层表面二次融化，填充层间间隙，使得层间结合更加紧密，抗水损害性能更佳。

4.2 土工织物

土工织物是包括聚丙烯、聚酯和聚胺等。 土工织物具有分散接缝、裂缝处的荷载应力，但由于自身强度较低，抗剪切性能一般，适用于旧水泥路面整体评定指标优良的情况，而对于类似本工程这种综合评定指数较差的项目，并不适用。

4.3 格栅

格栅种类众多，主要材质有金属类、聚酯类和玻纤类等。 以玻纤格栅为例，其具有耐腐蚀、抗疲劳、高强度、施工方便等特点，但降低加铺层的荷载应力方面不如橡胶沥青应力吸收层，虽然比土工织物强一些，但其不具备防水功能，当雨季路表渗水、地下水位较高或毛细水上升时，无法对沥青加铺层起到隔离和保护作用，而本项目处于南方沿海多雨环境，故格栅类材料不适用于本项目。

综上所述，从长远效果来看，设置橡胶沥青应力吸收层是“白加黑”路面抗反射裂缝的理想方案。

5 原材料要求

5.1 胶粉

由于应力吸收层厚度较薄，故采用I 类胶粉，胶粉细度为25 目。 胶粉应粒度均匀，不含有害杂质。胶粉掺量应适度，掺量过多导致橡胶沥青粘度过大造成搅拌困难，使胶粉无法与沥青充分、有效反应[3]。胶粉在沥青中的掺比（质量比）一般为19%～22%，超过22%时继续增加掺量，其指标值改善效果已经不明显。

5.2 集料

采用石质坚硬、无风化颗粒的碱性碎石，应按规格进行筛分，一般采用单一粒径的粗集料，其粒径为9.5～13.2 mm。

5.3 基质沥青

用于撒布时， 一般采用80～100 （0.01 mm）和150～200（0.01 mm）两种针入度界别的基质沥青[4]，从项目所处气候区域特性考虑，采用70 号沥青。

5.4 橡胶沥青

橡胶沥青通过在基质沥青中添加一定比例的橡胶粉，在高速剪切机中拌合而成。 制备前，应先对基质沥青预热， 胶结料反应时间控制在45 min 以上，且反应过程必须不断搅拌。

6 应力吸收层厚度和配合比设计

应力吸收层的合理厚度0.5～2.5 cm， 因其模量较小，当厚度增大到一定程度后，反而会增加沥青面层底面应力[5]，使得面层底部的弯拉应力过大而产生反射裂缝，应力吸收层的合理厚度取决于其所需发挥的作用大小以及采用的碎石粒径，既可延缓反射裂缝又兼顾经济性，综合考虑后，本工程采用厚1.5 cm 的应力吸收层。

橡胶沥青和集料作为橡胶沥青应力吸收层的主要组成材料，只有合理组合才能最大限度地发挥其性能，因此对橡胶沥青撒布量、碎石撒布量以及碎石与沥青的粘附性通过试验对比研究。

试验采用车辙试模制作水泥砼试件，在温度为（25±2）℃、湿度为95%条件下养护7 d，试块表面烘干后洒布橡胶沥青， 再撒布已采用0.4%油石比预裹的碎石，最后加铺沥青面层，碾压成型，试件结构组合:4 cm 水泥砼+1 cm 橡胶沥青应力吸收层+6 cm改性沥青砼AC-13C，之后进行剪切试验，剪切实验设备采用MTS 综合实验机，如图3 所示，并建立试验模型（图4）。

图3 剪切实验MTS 综合试验机

图4 剪切实验模型

6.1 橡胶沥青撒布量

橡胶沥青撒布量对旧水泥路面加铺层抗反射裂缝起到重要的影响。 撒布量应控制得当，撒布过多会泛油，影响防裂效果；过少则沥青无法充分包裹碎石，导致应力吸收层与沥青加铺层无法形成有效粘结，造成应力吸收层在复杂的车辆荷载和路面渗水双重作用下，产生松散、推移等病害。 试验参数选择：橡胶沥青撒布量范围为1.5～3.0 kg/m2，碎石撒布量均为13.5 kg/m2（图5）。试验表明， 沥青洒布量在2.3～2.5 kg/m2区间时，应力吸收层的抗剪切强度相对较高。

图5 橡胶沥青撒布量与剪切强度关系图

6.2 碎石的撒布量

碎石的撒布量与沥青撒布量相关，碎石撒布量合理与否对提高应力吸收层的防裂性能具有重要意义[6]。 碎石撒布量过少则无法与橡胶沥青形成嵌锁支撑结构，应力吸收层强度不足，降低防裂效果。试验参数选择：碎石撒布量范围为8～18 kg/m2，橡胶沥青撒布量均为2.4 kg/m2（图6）。

图6 碎石撒布量与剪切强度关系图

试验表明， 碎石撒布量在12～16 kg/m2时剪切强度相对较高。

6.3 碎石与沥青的粘附性

不同等级粘附性的石料与沥青的粘结性差别很大， 由于撒布型应力吸收层基本没有细集料填充，沥青与集料的粘结力对其性能的发挥起到重要作用，因此选择具有优良粘附性石料也是提高应力吸收层抗剪切性能的重要措施。

为此，在室内对不同粘附性等级的碎石制成的应力吸收层试件分别进行抗剪切试验，试验时沥青及碎石撒布量固定，选取5 种不同粘附性等级的碎石进行剪切试验，结果见图7。

图7 碎石粘附性与剪切强度关系图

试验表明，当碎石与沥青的粘附性达到3 级以上时， 橡胶沥青应力吸收层抗剪切强度明显提高，而4 级和5 级的抗剪强度增加不明显，因此建议应力吸收层采用粘附性等级不小于3 级的碎石。

7 性能评价指标

目前评价橡胶沥青应力吸收层的性能指标，主要有抗疲劳性能和抗剪切性能[7]。 由于水泥砼面板受温度变化影响而在接缝位置伸缩或由于路床压缩变形以及裂缝、接缝处错台，在车辆荷载反复作用下，接缝或裂缝位置的集中应力对应力吸收层产生疲劳和剪切破坏，抗疲劳性能一般采用小梁弯曲试验结果进行评价，抗剪切效果一般采用剪切试验结果进行评价。

8 施工工艺及注意事项

（1）施工前应对旧水泥砼路面病害进行处治：板底脱空须灌注水泥浆； 错台量超过5 mm 时采用磨平机磨平，超过10 mm 更换较低面板；纵、横向裂缝灌缝处理；啃边、掉角填补修复；网裂或沉陷的面板应更换。 病害处治到位后对面板表面进行抛丸，清除旧路面层薄弱层和污染物等， 避免二次污染，确保下承层干燥。 （2）预拌碎石：碎石必须加热到一定温度才能保证与沥青良好粘结，根据经验，一般控制在150～170℃， 并采用0.4%～0.6%的基质沥青进行预裹。 （3）撒布橡胶沥青：一般采用碎石同步封层车撒布橡胶沥青，撒布均匀，撒布时温度不得低于16℃、风速以不影响撒布效果为宜。 （4）撒布碎石：碎石应紧随橡胶沥青后撒布，避免沥青温度降低导致碎石嵌入橡胶沥青层影响粘结质量。 碎石撒布应试撒确定，以均匀、不散失、不重叠为宜，局部漏洒时应立即人工补撒。 （5）碾压：应使用胶轮压路机（25 T 以上）进行碾压，并在碎石撒布后立即进行碾压作业，且尽可能紧随碎石撒布机。 （6）清扫：碾压后应检查应力吸收层表面，若发现有松散碎石集结现象或杂物粘附，应清扫除掉，以提高应力吸收层与沥青加铺层的粘结强度。

9 改造后效果

本工程于2020 年10 月通过验收并通车，改造后的道路行车舒服性和安全性得到大幅度提高。 项目改造通车运行将近1 年，经现场调查，仅涵洞台背出现零星的轻微裂缝，没有其他病害产生，路况良好。

10 结语

根据“白加黑”路面工程特点和抗反射裂缝材料的对比分析，结合工程实际应用，得出如下结论：（1）应力吸收层材料设计前，应了解项目所处区域气候特点，对旧路面损坏状况进行全面调查、评定，对交通量进行分析，以便选择一种经济合理的抗反射裂缝材料。 （2）橡胶沥青各项指标受胶粉掺量影响，但掺量与性能并非成正比关系，具体掺量应根据实际使用要求控制在合理范围，掺比（质量比）一般为19%～22%。 （3）橡胶沥青应力吸收层厚度决定了碎石粒径、橡胶沥青撒布量和碎石撒布量，撒布量应结合室内试验和工程应用相互验证，一般橡胶沥青撒布量控制在2.3～2.5 kg/m2， 碎石撒布量控制在12～16 kg/m2， 采用粘附性等级不小于3 级的碎石。 （4）原材料、配合比等不同设计参数影响应力吸收层在工程的应用效果，碎石天然粘附性、基质沥青类型、施工时质量控制非常重要，必须注重各项设计指标和施工质量的双重把控。 （5）工程实践证明，橡胶沥青应力吸收层已被工程运用证实具有高温稳定性好、弹性变形及恢复能力强等特点，是延缓“白加黑”路面反射裂缝发展的理想材料。