橡胶粉沥青混凝土罩面在干线公路病害处治中的应用

摘要: 道路石油沥青掺加废旧橡胶粉拌制橡胶粉沥青砼, 能明显改善沥青性能, 在国际上得到广泛应用。结合工程实例, 详细分析了橡胶沥青砼性能优点和技术要求, 阐述了有关罩面施工工艺及质量要点, 为橡胶沥青砼在干线公路反射裂缝病害处治工程中的进一步推广应用提供借鉴。

关键词: 橡胶沥青混凝土; 反射裂缝; 沥青加铺层; 施工工艺

中图分类号: U416.217 文献标识码: B 文章编号: 1672- 9889(2007)06- 0009- 04

早在上世纪40 年代, 轮胎橡胶已开始用于美国路面工程, 自上世纪60 年代以来, 橡胶沥青在美国、德国、南非等得到了广泛应用。橡胶沥青是采用18%～22%的废旧轮胎粉在高温状态下与沥青及添加剂组成的混合物, 橡胶沥青砼是橡胶粉、沥青及集料组成的混合料, 其生产方式在国际上通常采用湿法, 即由橡胶粉与沥青按比例混溶后制成橡胶沥青, 再与矿集料拌和的工艺。由于湿法工艺使橡胶粉与沥青混溶性好, 还有S、C、CaO 等添加成分, 具有良好的沥青改性作用, 能够改善沥青的高低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能[1] , 起到减薄路面、延长路面使用寿命、延缓反射裂缝、降低行车噪音等效果[2] , 因而现今橡胶沥青在国际上被广泛应用于公路工程中。

1 工程概况及方案设计

S244 扬天公路扬州南段长约8.2 km, 路基全宽31.5 m, 1996 年按1 级公路标准建成为4 车道25 cm厚水泥砼路面。2003 年两侧改建拓宽为6 车道, 并整幅加铺4 cm+6 cm 两层沥青砼(其下铺玻纤隔栅)。但工程建成通车后两年, 路面出现较为明显的纵横向裂缝, 纵向裂缝主要出现在两侧拓宽搭接处, 缝宽达1～3 cm, 为新老路不均匀沉降造成, 横向裂缝主要为底层水泥砼板块开裂反射裂缝造成。公路管理部门为避免病害的加剧, 提高干线公路的使用性能决定对其病害进行处治并加铺罩面。首先由设计单位对其老路进行检测及评价, 包括弯沉检测、路面取芯测试、路面裂缝调查等。弯沉检测分析: 每车道代表弯沉平均值均<30(0.01mm), 板角弯沉<14(0.01mm),占60%～70%, 但弯沉差≥6 的占22%～26%, 可见原水泥砼板块总体脱空率较低, 可以通过加强对脱空处裂缝处治, 延缓裂缝的发展; 裂缝调查表明: 裂缝总长为4 830 m, 横向裂缝长约2 471 m, 纵向裂缝长约2 658 m, 已经采用机械灌缝的长约4 640 m, 但大多灌缝后裂缝又出现。

为保证行车的舒适性、安全性, 结合检测报告,对现有路面病害进行处治后及时罩面显得十分必要, 罩面材料的选择, 需充分考虑抗滑、密水、耐久、抗开裂等技术要求, 本工程道路罩面方案设计时曾考虑采用: AC- 13 型普通沥青砼、SBS 改性沥青砼、橡胶粉沥青砼、SMA 沥青砼和聚酯纤维沥青砼多种方案。由于橡胶粉沥青砼在用于老路改建时, 对减少路面反射裂缝, 提高路面整体承载能力等十分有利, 而被最终选用。罩面厚度考虑到多方面因素选用4cm 橡胶沥青砼AR- AC13I。另外罩面前路面裂缝处治, 采用高分子抗裂贴处理所有纵横向裂缝,少数龟网裂病害采用铣刨加铺。

2 橡胶沥青砼性能优点分析

经分析, 橡胶沥青砼的性能具有以下优点:

(1) 抵抗反射裂缝能力。因为橡胶沥青有较高的粘度, 混合料油膜较厚而不会析漏, 能有效解决加铺层与原路面的粘结问题, 原路面的各种裂缝将难以穿透加铺层而反射出来。

(2) 高温抗车辙能力。由于橡胶沥青本身拥有较高的粘性和高温稳定性[1] , 弹性恢复好, 因而路面结构层中的橡胶沥青胶结料具有高粘性和不易流动性, 有良好的抗车辙能力[2]。

(3) 低温抗裂、抗老化能力。橡胶本身的可塑性和延展性, 使得橡胶沥青低温延度增大, 间断级配的混合料, 尽管由于孔隙率大, 但橡胶沥青较大弹性和恢复性, 因而具有良好的低温抗裂性能[2]。

(4) 降低行车噪音。行驶中的汽车轮胎与路面接触时, 同时也接触到路面大量的橡胶粉, 橡胶粉具有弹性(与轮胎属同类材料), 再加上沥青油膜厚度增加, 表面纹理深从而降低了轮胎噪音。国外对减噪效果实验证明[3] , 与普通沥青相比可降低行车噪音3～8 个分贝, 相当于减少80%的行车量, 尤其适合运用于城郊居民区。

(5) 厚度减薄, 施工周期短。等效厚度对比试验证明[4] , 5 cm 厚橡胶沥青混合料+1 cm 橡胶沥青应力吸收层等效于普通沥青砼14.7 cm (抗反射裂缝能力)。国外实验研究表明[3] , 无论是承载能力还是减少反射裂缝标准, 橡胶沥青薄层罩面能减薄普通沥青路面厚度的30%～70%。另外用料减少, 施工时间缩短, 厚度减薄使得路牙沿等附属设施不受影响。

(6) 提高行车安全性。由于橡胶中炭黑能使路面长期保持黑色, 与标线对比度高, 加上路面摩擦力增大, 提高了行车安全, 尤其是在雨雪天路面效果更加显著。

(7) 节约能源和自然资源。据统计, 2005 年我国废旧轮胎已达1.2 亿条, 并将约以每年12%的速度增加, 橡胶沥青的生产可充分利用废旧轮胎, 符合国家提倡的“建立节约型社会”, 减少废旧轮胎环保问题。

3 橡胶沥青及其混合料技术要求

因1980 年以来国际上橡胶粉大多用于断级配橡胶沥青砼施工, 故设计单位结合本工程罩面的特点, 依据交通部《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)[5] , 结合美国Arizona Test Method 815, 制定了断级配AR- AC13I 施工指南[6] , 现将有关橡胶沥青及混合料技术要求简述如下:

3.1 原材料

(1) 基质沥青

橡胶沥青所用的基质沥青采用泰州中海70号道路石油沥青, 其技术要求见道路石油沥青技术要求。

(2) 橡胶粉

本工程橡胶粉采用南通新升橡胶制品有限公司生产的橡胶粉, 掺量为沥青质量的20%。橡胶粉颗粒规格符合表1 要求。橡胶粉筛分应采用水筛法进行试验。橡胶粉密度应为1.15 g/cm3 左右。

(3) 橡胶沥青

橡胶沥青应满足表2 技术要求。

(4) 粗细集料

本工程采用坚硬、清洁、无风化的镇江茅迪石灰岩集料, 按相关规定对集料进行检测。橡胶沥青砼AR- AC13 不使用矿粉填料, 但需掺入必要的外掺剂以改善橡胶沥青与集料的粘附性及水稳定性,本工程外掺剂为普通325 硅酸盐水泥, 掺量为混合料重量的1%。

3.2 级配范围

配制的AR- AC13I 混合料级配(不含外掺剂)应满足表3 的要求。

3.3 配合比设计

(1) AR- AC13I 间断级配橡胶沥青混凝土技术标准

根据课题研究成果, 参考美国Arizona TestMethod 815, AR- AC13I 应符合表4 规定的马歇尔试验技术标准。进行配合比设计时, 沥青混合料动稳定度不应小于3 000 次/mm, 小梁低温抗裂试验的弯曲破坏应变不小于2 000 με。

(2) AR- AC 沥青混凝土配合比设计

AR- AC 沥青混凝土配合比设计过程主要包括目标配合比设计、生产配合比设计和生产配合比验证3 个阶段。本工程经配合比设计得, 2 号料∶3 号料∶4 号料=78.0%∶7.0%∶15.0%, 4 号仓∶3 号仓∶2 号仓∶1 号仓=50.0%∶26.0%∶7.0%∶17.0%(外掺剂1%), 最终选定最佳油石比为8.5%。

4 橡胶沥青混凝土施工工艺

4.1 罩面前老路面病害处治

(1) 裂缝处沥青灌缝

对于老路面上反射裂缝处应首先进行灌缝处理。用鼓风机清除缝表面杂物和尘土, 采用专用机械进行扩缝、热沥青料灌缝, 灌入深度约为缝深2/3。

(2) 管道处横缝处理

对于原路面横向过路管道处造成的横缝, 按照变更方案进行。即对管道处进行半幅封闭施工, 先进行沥青面层铣刨, 再分台阶向下开挖50 cm, 然后浇注早强水泥砼至沥青路面以下6 cm, 铺设玻纤格栅, 再回填AC- 20 沥青砼至原路面。其它龟网裂病害处采取铣刨6 cm面层, 铺设玻纤格栅, 回填6 cmAC- 20 沥青砼。

(3) 高分子抗裂贴施工

对所有纵横向裂缝处均铺一层高分子抗裂贴,抗裂贴宽度为24 cm, 施工时如路表层温度低于21 ℃, 采用温火烤抗裂贴胶面, 铺设抗裂贴后用胶轮滚筒进行滚压至少3 遍, 保持表面平整、不起皱、不翘边, 对于路面纵向高差超过5 mm 的网裂路面采取先铣刨, 后贴抗裂贴施工。

(4) 老路边缘铣刨

由于快车道边缘有绿化带侧平石, 为避免罩面调整侧平石, 施工时将路面距路缘石1m 的老路面进行铣刨, 铣刨深度在0～4 cm, 调整好坡度。

(5) 粘层油施工

罩面之前须喷洒粘层油, 采用乳化沥青, 用量在0.5 kg/m2 左右, 粘层油在采用洒布车当天洒布,待破乳、水分蒸发后铺筑沥青层。

4.2 沥青混合料拌制

(1) 橡胶沥青生产设备采用金邦橡胶沥青移动式设备, 设备生产能力为15 t/h, 橡胶沥青提前1 d生产保温, 拌和楼采用H4000 型, 其AR- AC13 生产能力为150 t/h。由于橡胶沥青粘度大, 会给输送带来困难, 因而在管路设计中, 尽量短直布置, 减少弯管和阀造成的运动阻力;

(2) 严格控制橡胶沥青和集料的加热温度以及沥青混合料的出厂温度, 温度控制对于橡胶沥青砼至关重要, 其施工温度主要控制为: 橡胶沥青加热温度190～200 ℃, 混合料出厂温度165～175 ℃, 摊铺温度不低于155 ℃, 初压开始温度不低于150 ℃, 碾压终了温度不低于100 ℃;

(3) 拌和时间由试拌确定。必须使所有集料颗粒全部裹覆沥青结合料, 并且沥青混合料要拌和均匀, 外掺剂水泥加入拌和仓后先与矿料干拌10 s, 再加入橡胶沥青湿拌40 s。

4.3 沥青混合料运输

(1) 沥青混合料运输采用自卸车, 车槽内均匀地涂刷隔离剂, 运料车从成品仓装料时, 汽车前后移动3 次装料, 以减少粗集料的离析现象;

(2) 运料车应有良好的篷布覆盖设施, 用于保温和防雨。实际上由于橡胶结料含量较高, 沥青混合料的降温速度比普通沥青混合料略低, 且其在运输和摊铺过程中的稳定性和析漏损失好于普通沥青混合料。

4.4 沥青混合料摊铺

(1) 连续稳定地摊铺是提高路面平整度最主要措施。对于沥青混凝土, 摊铺机的摊铺速度应根据拌和楼的产量、施工机械配套情况及摊铺厚度、摊铺宽度, 按1～3 m/min 予以调整, 做到缓慢、均匀、不间断地摊铺。

(2) 橡胶沥青砼一般以拌和楼能力为前提, 决定摊铺机摊铺速度, 在控制施工进度方面, 拌和能力成为决定性因素。本工程路面摊铺宽度按12.0 m计, 根据拌和能力, 摊铺速度控制在2.5 m/min,ABG423 摊铺机的摊铺能力C=2.5 m/min×1.2 t/m×60 min=180 t/h, 拌和楼AR- AC13 生产能力150 t/h,考虑到拌和楼提前拌和, 摊铺能力与拌和能力匹配。

4.5 沥青混合料压实

(1) 沥青混合料的压实是保证沥青面层质量的重要环节, 应选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。为保证压实度和平整度, 初压应尽量在摊铺后较高温度下及时进行。为防止橡胶沥青粘结橡胶轮胎, AR- AC 沥青砼不宜使用胶轮压路机。

(2) 橡胶沥青混合料压实工艺分为初压、复压和终压, 压路机应以缓慢而均匀的速度碾压, 按规范选择适宜的碾压速度, 碾压工艺通过试铺段确定。压实完成12 h 后, 方能允许施工车辆通行。

4.6 施工质量检测

橡胶沥青砼施工过程的质量检查项目、检查方法和质量要求与其它沥青混合料区别不大, 其主要检查项目为: 抽检橡胶沥青的改性指标粘度、弹性恢复, 混合料马氏指标油石比、稳定度、流值等。施工中经检测, 混合料马氏空隙率在5.0%左右, 理论密度2.41 g/cm3, 路面渗水率20～40 mL/min, 抗滑系数平均62.8, 压实度>98%, 稳定度、流值等指标均满足设计标准要求。压实度施工中采用双控指标, 要求马歇尔标准密度的压实度不小于98%, 最大理论密度压实度92%～96%。

5 结语

扬天线扬州南段橡胶沥青罩面后运行半年多,现路面平整, 未出现裂缝、车辙、泛油、拥包等现象,取得了比较理想的处治效果。通过以上分析可见,橡胶沥青及其混合料具有鲜明显的抗老化、抗疲劳、延缓反射裂缝、减薄路面、降低行车噪音、延长路面使用寿命等性能, 可以作为路面裂缝病害处治的最佳选择, 同时能节约资源, 变废为宝, 带动废旧橡胶粉产业的发展, 具有良好的发展前景, 可大力推广。

参考文献

[ 1] JTJ036- 98 公路改性沥青路面施工技术规范[ S] .

[ 2] 郭兆立.橡胶沥青运用与设计指南[R] .2006.3.

[ 3] 杨志峰, 李美江, 王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中的历史和现状[ J] .公路交通科技, 2005, 22(7):19- 22.

[ 4] 黄文元, 陈李峰, 潘炽光.橡胶沥青在水泥混凝土路面薄罩面工程中的应用[ J] .公路, 2006(7): 14- 18.

[ 5] JTG F40- 2004 公路沥青路面施工技术规范[ S] .

[ 6] 江苏省交通科学研究院.断级配橡胶沥青混合料施工指南[R] .2006.8