橡胶沥青碎石封层结构优化设计研究

随着交通事业的飞速发展，重载超载现象日益严重，我国早期修建的大量水泥混凝土路面出现了大量的破碎、裂缝类病害，严重影响道路通行能力。近几年对重病害旧路的大规模维修整治，主要措施是加铺沥青混凝土罩面层，既提高了路面行车舒适性，又能充分利用旧路剩余强度，经济效益高。然而，加铺沥青混凝土罩面层也存在问题，外部循环荷载会导致旧水泥混凝土路面的断板和接缝向上产生反射裂缝，同时路表水下渗影响基层的稳定性。目前常用铺设土工织物、铺筑应力吸收层、加厚沥青面层等预防反射裂缝措施，只能延缓反射裂缝的发展，同时忽视了层间的粘结、防水及耐久等问题。橡胶沥青碎石封层是近年兴起的新型路面层间处置结构，施工时在撒布约1cm厚度的高粘弹性橡胶沥青，同步均匀撒布单一粒径的碎石，再通过碾压使碎石2/3嵌入橡胶改性沥青。橡胶沥青碎石封层通过橡胶沥青的粘结作用和碎石的传力作用，将基层和面层粘结为一个整体，同时可以消散基层裂缝、接缝处产生的应力集中现象，足够厚度的沥青膜可以防止雨水下渗。现有实际工程中已经验证了橡胶沥青碎石封层的上述特点，但对橡胶沥青碎石封层的优化设计方法研究较少。因此，本文以抗剪强度为主、抗拉拔强度为辅，研究不同碎石粒径、碎石撒布量、橡胶沥青撒布量、旧水泥路面处置工艺的抗反射裂缝性能，得出优化结构设计方法，为此类工程提供依据。

撒布用橡胶沥青

撒布用橡胶沥青的基质沥青性能指标应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)规范的相关要求。撒布用橡胶沥青要具备很好的流动性，同时要保证粘弹性和粘度，所以橡胶掺量应控制在20%~25%，细度为300~400目。参考《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》对撒布用橡胶沥青的性能要求，总结出表1所示的技术指标。本文选用盘锦辽河油田90#道路石油沥青和橡胶粉，按掺量(20±2)%配置出的橡胶沥青性能符合表1要求。

石料

荷载主要通过石料来承担和传递，因此碎石的质量和粒径选择对橡胶沥青碎石封层的处置效果影响较大，应选用不含粉料、级配单一、针片状结构少、呈立方体形状的碎石，本文参考《公路工程集料试验规程》(JTGF43-2005)中规定，整理出性能指标建议值，以及所选用的石料检测结果见表2。

碎石粒径选择

碎石粒径的选择要考虑和上层沥青混合料骨料之间的嵌锁，嵌锁效果好则层间整体性好，有利于分散应力集中现象。本文选择4.75~9.5mm、9.5~13.2mm、13.2~16mm、16~19mm这4档单一粒径的石料，分别与常见的面层沥青混合料AC-13、AC-16、AC-20、AC-25、AC-30进行组合试验。预制30cm×30cm×5cm的C40水泥混凝土板，对顶面刻槽6mm，将橡胶沥青加热至190℃时按2kg/㎡的撒布量喷洒橡胶沥青，快速撒布100g的石料并用纲锤敲入橡胶沥青层，再通过碾压成型仪铺设30cm×30cm×4cm沥青混合料面层，最后钻取直径10cm、高10cm的圆柱体试样，进行抗剪强度试验，所得试验结果见图1。

由图1可知:对AC-13和AC-16而言，4.75~9.5mm的碎石封层能够提供最大抗剪强度，但对于AC-20、AC-25、AC-30，随着沥青混合料集料公称最大粒径的增加，4.75~9.5mm的碎石封层提供的抗剪强度下降明显;对于9.5~13.2mm、13.2~16mm、16~19mm的碎石封层，随着AC-13、AC-16、AC-20、AC-25、AC-30沥青混合料集料公称最大粒径的增大，抗剪强度基本呈增大趋势，且9.5~13.2mm的碎石封层均能提供最大的抗剪强度，并在AC-20、AC-25、AC-30上抗剪强度超过4.75~9.5mm的碎石封层;9.5~13.2mm的碎石封层的抗剪强度在AC-30有所降低，但依旧高于其他粒径区间的碎石封层;最大抗剪强度对应的石料粒径和沥青混合料类型，基本符合粒径为沥青混合料集料公称最大粒径的1/3~1/2这一规律。究其原因:AC-13和AC-16沥青混合料集料公称最大粒径较小，其骨料与4.75~9.5mm的碎石封层嵌锁效果最好，但随着沥青混合料集料公称最大粒径的增大，沥青混合料骨料之间的沟槽增大，4.75~9.5mm的碎石封层不足以充分填充;9.5~13.2mm的碎石封层能够较好地匹配上述5种常见面层沥青混合料类型;13.2~16mm、16~19mm的石料粒径过大，在铺设沥青混合料面层时会挤入沥青混合料面层中，咬合面积减小。因此，橡胶沥青封层所选用的碎石粒径宜为上层沥青混合料集料公称最大粒径的1/3~1/2。

 碎石撒布量、橡胶沥青撒布量的确定

本文使用粒径9.5~13.2mm的石料，通过选用10、12、14、16、18kg/㎡碎石撒布量和1.8、2.0、2.2、2.4、2.6kg/㎡橡胶沥青撒布量，按上述试件制备方法，制备25组直径10cm、高10cm的圆柱体试件进行剪切强度试验，所得试验结果见图2。

由图2(a)可知:当试件为同一碎石撒布量时，试件抗剪强度随着橡胶沥青撒布量的增加，先增大后减小，在2.2kg/㎡时达到最大值;对五个碎石撒布量下的试件，橡胶沥青撒布量由1.8kg/㎡增加至2.2kg/㎡时，5个试件的平均抗剪强度增加30.65%，而橡胶沥青撒布量由2.2kg/㎡增加至6kg/㎡时，平均抗剪强度下降了17.60%。究其原因:橡胶沥青撒布量主要影响沥青膜厚度和对碎石的裹覆效果，当橡胶沥青撒布量小时，无法保证碎石嵌挤入橡胶沥青层2/3自身粒径的深度，当橡胶沥青撒布量大时;石料嵌挤入橡胶沥青层的深度过大，裸露在外的部分不足以与上层沥青混合料骨料形成良好的嵌锁效果。

由图2(b)可知:当试件为同一橡胶沥青撒布量时，试件抗剪强度随着碎石撒布量的增加，先增大后减小，在14kg/㎡时达到最大值;对五个橡胶沥青撒布量下的试件，碎石撒布量由10kg/㎡增加至14kg/㎡时，5个试件的平均抗剪强度增加12.85%，而橡胶沥青撒布量由14kg/㎡增加至18kg/㎡时，平均抗剪强度下降了15.38%。究其原因:当石料撒布量过大时，多余石料会在竖直方向堆叠，顶部石料不能嵌挤入橡胶沥青层，影响层间粘结效果;当石料撒布量过小时，碎石作为传力介质数量较少，影响了层间应力传递和分散。

综上所述，推荐橡胶沥青碎石封层的结构设计为:石料粒径为9.5~13.2mm，橡胶沥青撒布量为2~2.4kg/㎡，碎石撒布量为12~16kg/㎡。

旧水泥混凝土路表面处置工艺

对于旧水泥混凝土路面，铺设橡胶沥青碎石封层前的表面处置工艺也对层间粘结效果有较大影响，常见旧水泥混凝土路面处置工艺的种类较多，本文预制3组C40水泥混凝土板，分别进行铣刨、刻槽、抛丸处理，同时各组内进行不同程度的处理，按照石料粒径9.5~13.2mm、橡胶沥青撒布量2.2kg/㎡、碎石撒布量为14kg/㎡的最佳橡胶沥青碎石封层设计制备试样，最终取各组处理效果最好的数据进行对比，处理结果见图3。

由图3可知，三种处理工艺中，铣刨处理的构造深度、抗剪强度、拉拔强度最好;刻槽处理的构造深度和抗剪强度稍低于铣刨处理，拉拔强度最低;抛丸处理的构造深度和抗剪强度与其他两种差距明显。究其原因:6mm铣刨处理后，路面构造深度显著提高，去除了表层砂浆和细小石料，骨料裸露明显，橡胶沥青能更好的粘附在表面;6mm刻槽处理后，路面构造深度显著提高，但只是刻入表面砂浆层，骨料没有充分裸露，橡胶沥青只是粘附在槽内，抗拉拔强度较低;460号钢珠抛丸处理其实降低了表面构造深度，但表面砂浆层基本去除，导致抗剪强度低、拉拔强度高。因此，推荐使用铣刨处置工艺，根据实际情况选择5~10mm处理深度。

(1)石料粒径过小时，碎石封层不足以填充和嵌锁入沥青混凝土面层的沟槽，粒径过大时，石料会挤入沥青混凝土面层，减小咬合面积，故推荐的橡胶沥青碎石封层所用碎石粒径宜为上层沥青混合料集料公称最大粒径的1/3~1/2。

(2)橡胶沥青撒布量过小时，无法保证石料的2/3嵌挤入橡胶沥青层;撒布量大时，石料裸露在外的部分不足以填充和嵌锁入沥青混凝土面层的沟槽，推荐橡胶沥青撒布量为2~2.4kg/㎡，碎石撒布量为12~16kg/㎡。

(3)铣刨能去除表面砂浆层，使骨料暴露在外，使层间结合处抗剪强度和拉拔强度较高，推荐根据实际情况对水泥混凝土路面进行5~10mm深度的铣刨处理。