朱連照，孫賦成，蔡文龍

(1.江蘇寧靖鹽高速公路有限公司，江蘇 南京 210000； 2.江蘇中路工程技術研究院有限公司)

近年來，路面排水問題受到越來越多的關注，很多城市道路和高速公路都存在排水不暢的問題，給交通出行帶來極大的不便。應運而生的OGFC、PAC等排水路面得到道路工作者的認可，被普遍應用到瀝青路面的修筑中。同時瀝青路面處于養(yǎng)護維修期，排水路面也被作為罩面用于提升原路面的路用性能，但隨之也發(fā)現(xiàn)排水路面容易出現(xiàn)裂縫、松散等病害，主要是由于排水路面為了滿足排水需求，其空隙率較大，承載能力較低，瀝青膜較薄，在水和車輛荷載的長期作用下，極易出現(xiàn)裂縫、松散等病害，尤其是裂縫病害，其極易向下發(fā)展與原路面的裂縫形成貫通裂縫，對路面的耐久性極其不利。故亟需尋找一種有效的方法，防止裂縫加重。

考慮到中國瀝青路面結構的現(xiàn)狀，大多數(shù)路面采用半剛性基層，半剛性基層由于其具有較高的模量在修筑初期就存在著一定的裂縫，隨后在車輛荷載作用下，裂縫開裂加大，并逐漸向面層反射，產(chǎn)生反射裂縫，故通常會在半剛性基層與瀝青面層間設置應力吸收層，顯著降低瀝青面層層底的荷載應力，延緩反射裂縫的發(fā)展。借鑒此思想，在加鋪排水罩面和舊瀝青路面間設置一層類似于應力吸收層的瀝青混合料，以解決加鋪排水罩面養(yǎng)護維修后路面使用壽命短的問題，具有顯著的經(jīng)濟效益。

該文研究開發(fā)一種與傳統(tǒng)的應力吸收層作用相類似的裂縫阻斷層瀝青混合料，對其必備的抗疲勞性能、高溫性能和低溫性能進行測試，評價其性能的優(yōu)劣，并對其施工關鍵技術進行研究，為其推廣應用奠定一定的基礎。

1 依托工程

江蘇鹽(城)-靖(江)高速公路(S29)，全長187.66 km，運營至今已超過16年，期間進行過多次路面專項養(yǎng)護，取得了較為顯著的效果?，F(xiàn)階段雖然PCI、RQI等檢測指標尚好，但部分路段瀝青面層老化，路面裂縫、松散等病害密集，在影響車輛行駛安全性及舒適性的同時，整體路面結構的耐久性不斷下降。因此，結合鹽靖高速公路的現(xiàn)狀以及排水路面的優(yōu)點，鹽靖高速公路計劃未來大規(guī)模使用排水路面對原路面進行養(yǎng)護，以提高路面的服務水平。

通過對江蘇省加鋪排水路面裂縫發(fā)展形態(tài)調研可知，加鋪排水路面的開裂主要表現(xiàn)為上下同時開裂，并有相互貫通的趨勢，因此為了控制裂縫的進一步發(fā)展，避免路表水沿裂縫流入基層，必須在排水路面與老路間設置阻斷裂縫發(fā)展的抗疲勞層(也稱裂縫阻斷層)，如圖1所示，以延緩裂縫病害的進一步發(fā)展。

根據(jù)裂縫阻斷層的研究成果，為了阻斷排水路面裂縫快速向下發(fā)展，延緩老路裂縫向上發(fā)展，提高路面整體結構性能，設計了一種裂縫阻斷層混合料。同時為了進一步提高排水路面的降噪效果，提出了降噪超薄排水混合料。制定的路面改造方案如圖2所示。

圖1 加鋪排水路面裂縫發(fā)展趨勢

圖2 鹽靖高速公路路面改造方案

2 裂縫阻斷層混合料設計

2.1 材料選擇

為了實現(xiàn)裂縫阻斷層的抗裂性能，瀝青采用SBS改性瀝青+超彈改性劑，主要是通過提升瀝青的低溫延度、彈性恢復和軟化點，提高瀝青的彈性，降低瀝青的溫度敏感性，從而提升抗裂層的應力吸收效果。超彈瀝青技術指標如表1所示。其他瀝青材料有普通SBS改性瀝青、橡膠瀝青等，集料采用抗壓能力較強的玄武巖，通常認為玄武巖與瀝青黏附性較強，從理論上講其與超彈改性瀝青黏結可發(fā)揮較強的應力吸收效果。礦粉采用石灰?guī)r。

表1 超彈改性瀝青各項性能指標

2.2 配合比設計

裂縫阻斷層與應力吸收層類似，其厚度一般為2 cm左右，為保證其具有較好的阻水性和低溫韌性，必須使用粒徑較小的混合料，綜合考慮鹽靖高速公路交通條件及當?shù)貧夂颦h(huán)境特點，依據(jù)瀝青混合料級配類型規(guī)范要求，裂縫阻斷層混合料采用密級配瀝青混合料AC-5。AC-5超彈改性瀝青混合料級配設計過程如下：

(1) 集料篩分

對所取樣品采用四分法進行集料篩分和密度試驗，結果見表2、3。

表2 集料篩分結果

表3 集料密度試驗結果

(2) 礦料級配調試

依據(jù)集料篩分試驗結果，進行了配合比級配組合設計，各熱倉料及礦粉質量比為：1#(3～6 mm)∶2#(0～3 mm)∶礦粉=35∶60∶5。

礦料合成級配如圖3所示。

圖3 礦料合成級配圖

(3) 馬歇爾擊實試驗

根據(jù)配合比確定6.4%為基準油石比，擊實溫度采用165～170 ℃，試驗結果如表4所示。

由表4可知：超彈改性瀝青混合料的各項性能指標均滿足規(guī)范要求，下一步計劃對其路用性能進行深入研究，以判斷其路用性能的優(yōu)劣。

3 裂縫阻斷層瀝青混合料路用性能評價

3.1 抗疲勞開裂性能

瀝青路面在行車荷載和溫度應力的作用下，加鋪排水路面和舊瀝青路面內(nèi)部裂縫尖端會產(chǎn)生應力集中，加之作用時間的增長，會導致面層材料疲勞而使裂縫開裂嚴重，兩者裂縫逐步向下、向上發(fā)展直至貫穿整個面層。裂縫阻斷層是設置在加鋪排水罩面和舊瀝青路面間的夾層，其抗疲勞開裂性能的好壞影響裂縫貫穿的速度，是整個路面結構防裂的關鍵，故需對其抗疲勞開裂性能進行深入研究。

表4 生產(chǎn)級配馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

裂縫阻斷層混合料的疲勞試驗采用四點小梁彎曲試驗進行評價，試驗設備采用UTM-30，在1 000 με應變控制模式下施加半正弦波荷載進行試驗，采用模量下降至初始模量的50%時所對應的荷載作用次數(shù)作為混合料的疲勞壽命。

為了進一步分析裂縫阻斷層混合料的疲勞性能，對比了其與常規(guī)改性瀝青、橡膠瀝青及Strata應力吸收層瀝青混合料在相同應變水平下的疲勞壽命，試驗結果如圖4所示。

由圖4可知：超彈改性瀝青裂縫阻斷層混合料的疲勞壽命遠大于200 000次，表明其疲勞性能十分優(yōu)異。對比4種瀝青混合料試驗數(shù)據(jù)可知，在相同應變水平下，Strata應力吸收層的疲勞性能十分優(yōu)異，其次是超彈改性瀝青，最后分別是常規(guī)改性瀝青和橡膠瀝青，并且在大應變條件下，這4種應力吸收層的疲勞壽命都較高，因此可認為這4種應力吸收層的疲勞性能均十分優(yōu)異。

圖4 超彈瀝青與其他應力吸收層的疲勞壽命

3.2 高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料高溫性能是指在荷載作用下，瀝青混合料抵抗不可逆變形的能力。裂縫阻斷層位于加鋪排水罩面下層，層位較淺，且其瀝青混合料中瀝青含量較高，級配顆粒較細，當夏季高溫作用時，瀝青黏度大幅降低，瀝青與礦料的黏結力也會下降，從而導致裂縫阻斷層強度和抗變形能力下降，在行車荷載的重復作用下，極易產(chǎn)生永久不可逆變形，嚴重影響路面結構穩(wěn)定性。所以，有必要對其高溫穩(wěn)定性進行研究。

采用動穩(wěn)定度試驗評價裂縫阻斷層超彈改性瀝青混合料的高溫性能，同時，為了進一步評價其與現(xiàn)有其他應力吸收層混合料高溫性能的優(yōu)劣，將其與常規(guī)改性瀝青和Strata應力吸收層的高溫性能進行對比，結果如圖5所示。

圖5 超彈瀝青與其他應力吸收層的動穩(wěn)定度

由圖5可知：超彈改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到5 522次/mm，其高溫性能十分優(yōu)異，而改性瀝青和Strata應力吸收層的動穩(wěn)定度分別為3 028、2 603次/mm，其高溫性能相對較差。

3.3 低溫抗裂性能

由于晝夜溫差大或氣溫驟降，瀝青路面會產(chǎn)生溫度應力和收縮變形，加之瀝青路面沒有伸縮縫，導致收縮變形受到限制，而使瀝青內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，一般較小的拉應力會在瀝青混凝土自身應力松弛能力的作用下慢慢消散，但當晝夜溫差過大或氣溫驟降過大時，路面內(nèi)部較大的拉應力不會被及時松弛，而產(chǎn)生過量的應力集中，使收縮變形超出瀝青混合料抵抗不可逆變形能力或溫度應力超出其自身抗拉強度時，瀝青路面就會開裂出現(xiàn)裂縫。裂縫阻斷層僅位于加鋪排水罩面層下面，層位較淺，對溫度變化敏感，容易出現(xiàn)低溫開裂的情況，有必要對低溫開裂性能進行研究。

采用小梁彎曲試驗評價裂縫阻斷層超彈改性瀝青混合料的低溫性能，同時，為了進一步分析其低溫性能水平，將其與常規(guī)改性瀝青和Strata應力吸收層混合料的低溫性能進行對比，結果如圖6所示。

圖6 超彈瀝青與其他應力吸收層的破壞應變

由圖6可知：超彈改性瀝青混合料的低溫破壞應變達到7 599 με，其低溫性能最優(yōu)，而改性瀝青混合料和Strata應力吸收層混合料的低溫性能則相對較弱，其低溫破壞應變分別為6 027、5 813 με。

綜上所述，超彈改性瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)異，且兼具較好的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

4 裂縫阻斷層施工關鍵技術研究

4.1 試驗路鋪筑

基于超彈改性瀝青混合料室內(nèi)試驗研究成果，同時為了驗證超彈改性瀝青混合料實際使用效果，采用鹽靖高速公路舊路改造方案進行試驗段鋪筑，為其推廣應用積累實踐經(jīng)驗。

2018年鹽靖高速公路排水型瀝青混凝土罩面工程的實施路段為靖鹽方向K88+400～K98+200段，為了與PAC-13路段使用效果進行對比，試驗段綜合考慮交通量、路面病害情況等，在2018年排水路面罩面段附近選擇路段進行試驗段鋪筑，試驗段為靖鹽方向K88+332～K88+811段，試驗段長度為479 m。

4.2 施工工藝研究

(1) 混合料的拌制

試驗段瀝青混合料生產(chǎn)量約為120 t/h，超彈改性劑采用人工投放。混合料拌和過程中，干拌時間為10～15 s；由于超彈瀝青應力吸收層混合料中細集料多，濕拌時長比一般瀝青混合料要長10～15 s，為55～65 s?？紤]到混合料攤鋪厚度較薄，溫度損失較快，因此要適當提高混合料的出料溫度，出料溫度約為186 ℃。

(2) 混合料的運輸

運料車要有良好的篷布覆蓋設施，并且確保卸料過程中繼續(xù)覆蓋，直到卸料結束取走篷布，既保溫又避免污染環(huán)境。采用數(shù)字顯示插入式熱電偶溫度計檢測瀝青混合料運到現(xiàn)場的溫度，確保到場溫度為185 ℃。

(3) 混合料的攤鋪

試驗段鋪筑過程中，應嚴格控制超彈改性瀝青混合料的攤鋪溫度，現(xiàn)場控制為183 ℃。攤鋪機前方有足夠的運料車等候卸料，確保連續(xù)攤鋪。連續(xù)攤鋪過程中，運料車在攤鋪機前10～30 cm處停車，不得撞擊攤鋪機。卸料過程中運料車掛空檔，靠攤鋪機推動前進，以減少攤鋪機抖動，提高攤鋪的平整度。

攤鋪過程中，攤鋪機松鋪系數(shù)設置為1.12，攤鋪速度為4 m/min，做到緩慢、均勻、不間斷地攤鋪，不出現(xiàn)停機待料的現(xiàn)象；攤鋪采用2臺攤鋪機梯隊作業(yè)，相鄰攤鋪機相距小于20 m，有效地保證縱向接縫的碾壓溫度。

(4) 瀝青混合料的碾壓

瀝青混合料的壓實是保證瀝青面層質量的重要環(huán)節(jié)，應選擇合理的壓路機組合方式及碾壓步驟。壓路機的適宜碾壓速度隨初壓、復壓、終壓及壓路機的類型而定，按表5選用。

表5 裂縫阻斷層混合料建議碾壓方案

碾壓過程中為保證壓實度和平整度，初壓應在混合料不產(chǎn)生推移、開裂等情況下盡量在攤鋪后較高溫度下進行，按“高溫、緊跟”的原則進行碾壓，發(fā)現(xiàn)黏輪現(xiàn)象時，不得向壓路機輪上涂油或油水混合液，必要時可噴涂清水或皂水等隔離劑，終壓膠輪碾壓要在70 ℃左右進行，溫度不能過高，以防止混合料底部溫度過高導致碾壓過于密實。當路面溫度低于50 ℃時便可開放交通或進行下一環(huán)節(jié)的施工作業(yè)。

最終確定裂縫阻斷層各個環(huán)節(jié)的溫度控制如表6所示。

表6 瀝青混合料的控制溫度 ℃

4.3 質量檢驗

裂縫阻斷層混合料在施工過程中應重點控制材料級配、混合料性能、壓實度、滲水等指標，施工后對試驗段進行相關檢測。首先對回收的瀝青混合料進行了抽提，抽提后級配檢測結果如圖7所示；其次檢測了瀝青混合料的各項性能，結果如表7所示；最后對其壓實度和滲水進行了測試，結果如表8所示。

由表7可知：試驗路鋪筑的裂縫阻斷層瀝青混合料的動穩(wěn)定度只有3 119次/mm，而室內(nèi)試驗為5 522次/mm，究其原因為室內(nèi)試驗的裂縫阻斷層瀝青混合料是嚴格按照配合比設計結果進行成型的，故其材料性能比較穩(wěn)定，測得的動穩(wěn)定度較高；而試驗路鋪筑過程中使用的集料規(guī)格偏細，2.36 mm的通過率偏大(圖7)，造成瀝青混合料整體偏細，實際壓實過程中偏細的瀝青混合料并不易壓實，同時由于缺乏大粒徑集料，瀝青混合料沒有形成較好的骨架結構，造成試驗路鋪筑的瀝青混合料動穩(wěn)定度偏小。

圖7 裂縫阻斷層抽提級配曲線圖

表7 裂縫阻斷層混合料性能

由圖7和表7、8可知：裂縫阻斷層混合料級配滿足級配范圍要求，混合料的體積指標、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性能等均能夠滿足技術要求，且施工后的路面壓實度合格率為100%，路面滲水狀況良好，能夠較好地防止雨水下滲損壞原路面。

5 工后觀測

分別在通車2個月后和通車1年后，對裂縫阻斷層試驗路段進行了現(xiàn)場觀測。結果表明：試驗段整體狀況良好，并未出現(xiàn)裂縫、坑槽、車轍等病害，后期仍會繼續(xù)對試驗段加強跟蹤觀測，對裂縫阻斷層的后期使用效果進行深入評價。

表8 裂縫阻斷層現(xiàn)場檢測結果

6 結論

(1) 提出了防止加鋪排水路面裂縫發(fā)展和降低排水路面噪音的路面改造方案，即2.5 cm降噪超薄排水瀝青罩面+2 cm裂縫阻斷層+原路面(局部病害處理)；并設計了裂縫阻斷層混合料采用AC-5超彈改性瀝青混合料。

(2) 室內(nèi)試驗結果顯示，超彈改性瀝青混合料比常規(guī)的改性瀝青及橡膠瀝青應力吸收層混合料性能更加優(yōu)異，具有很高的抗疲勞性能，抗疲勞性能超過20萬次，且兼具較好的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

(3) 確定了裂縫阻斷層的施工工藝，并在鹽靖高速公路上鋪筑了479 m試驗段，通過試驗段的路面性能分析得知，裂縫阻斷層的各項指標均能滿足技術要求；但其與室內(nèi)試驗指標仍存在一定差距，故開發(fā)新材料時，應重點考慮室內(nèi)試驗與實體工程的差距，以實體工程性能為導向，開發(fā)出具有較好路用性能的材料。

(4) 由竣工后使用效果觀測得到，裂縫阻斷層的應用情況良好，為了進一步驗證是否能夠達到設計目標，應進一步加強跟蹤觀測。