非全厚式罩面加鋪技術在高速公路“白改黑”的應用與探討

韋舉向, 楊旭東, 李禪禪, 沈洪江, 黃 峰

(1.招商中鐵控股有限公司, 南寧 530000; 2.廣西岑興高速公路發展有限公司, 南寧 530000; 3.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司, 重慶 401336)

廣西早期建設的大量高速公路水泥混凝土路面在抗滑和平整度等方面的性能逐漸降低,結構性病害顯露,服務水平難以滿足行車舒適性與安全性的需求,對水泥路面進行“白改黑”加鋪符合廣西公路建設的需要。如何在水泥路面改造中兼顧節能減排、經濟性、舒適性和鋪裝結構的耐久性成為熱點關注對象?；诋斍半p碳政策影響下,岑興高速水泥路面“白改黑”項目采用了一種新型的水泥路面加鋪結構——非全厚式加鋪結構,即由高性能粘結層+2.5 cm應力吸收層+4 cm改性瀝青SMA13磨耗層構成的鋪裝結構。相較傳統的“白改黑”加鋪層,新型鋪裝層厚度減薄,直接經濟效益和社會環境效益突出,尤其在養護資金的最優值利用和天然筑路材料的最低化消耗方面優勢顯著。但因“白改黑”路面結構與一般連續彈性體系路面結構的應力應變特征存在差異[1-2],使得接縫處的荷載型反射裂縫、溫度型反射裂縫[3-5]、剛柔層間粘結性能成為影響加鋪結構耐久性的關鍵因素[6]。傳統鋪裝層依靠疊加厚度解決[7],但路面標高的增加將帶來橋隧過渡困難、工程造價高、工期長、安全隱患大等問題。

為此,本文就岑興高速水泥路面非全厚式罩面加鋪工程所用鋪裝方案材料展開前期研究,對實體工程的應用效果進行評價,并分析經濟社會效益,供同類水泥路面“白改黑”方案實施參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1.2 試驗方案

根據非全厚式罩面加鋪技術各結構的功能屬性進行相關試驗,試驗方案如下:

1) 新舊結構層間強度試驗。舊水泥路面和加鋪層的層間粘結性能是決定非全厚式罩面耐久性的關鍵因素之一[8-10],當前評價層間粘結性能的指標主要以剪切強度和拉拔強度為主。為盡可能模擬實際情況,本文采取以下試驗:(1) 將成型后的水泥混凝土試件進行精銑刨和拋丸處理;(2) 撒布粘層材料后進行加鋪成型組合結構,并通過切割獲取相應試件;(3) 測試各粘層材料在最佳撒布量條件下25 ℃時的拉拔強度及剪切強度;(4) 考慮多雨環境下對剛柔層間粘結性能的影響,比較組合試件在浸水24 h的粘結性能;(5) 針對廣西地區高溫持續時間長,增測55 ℃條件下的粘結性能。

2) 應力吸收層性能試驗。應力吸收層的主要作用是延緩舊水泥路面因接縫處應力變化反射裂縫發展[11-13],但為保證整體結構層的耐久性,其路用性能也應滿足工程所在地實際需求。本文主要通過以下試驗完成:(1) OT試驗測試不同應力吸收層抗反射裂縫性能和組合結構抗反射裂縫性能[14-16];(2) 馬歇爾試驗測試應力吸收層混合料體積指標及強度參數;(3) 浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗測試水穩定性;(4) 四點彎曲疲勞試驗測試疲勞加載次數。

3) 磨耗層性能試驗。磨耗層作為表面層將直接與大氣環境及車輛荷載接觸,因此需保證良好的高溫性能、水穩定性、抗滑性能以及疲勞性能。本文采用車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水飛散試驗、四點彎曲疲勞試驗等評價方法對比磨耗層相關性能。

2 試驗結果

2.1 不同粘層材料粘結強度性能對比

各粘層材料在最佳撒布量條件及不同水泥界面預處理方式下的25 ℃拉拔強度和剪切強度試驗結果如表1所示,其中考慮車型荷載及縱坡對路面層間剪切力及拉應力的影響,采用斜剪試驗測試剪切強度。

表1 不同粘層材料的拉拔強度及剪切強度

由表1數據可知,在相同條件下,GS溶劑型粘結劑的拉拔強度和剪切強度均大于改性乳化瀝青,且隨著溫度的升高,2種粘層的強度均有所損失。GS溶劑型粘結劑在不同基面處理方式下拉拔強度分別降低了56.2%、54.0%、51.2%,剪切強度分別降低了41.4%、39.3%、38.5%,改性乳化瀝青在不同基面處理方式下拉拔強度分別降低了69.0%、57.1%、55.1%,剪切強度分別下降了60.2%、55.4%、47%,由此可見,GS溶劑型粘結劑在抵抗高溫時的粘結強度損失更低。在浸水24 h后,GS溶劑型粘結劑拉拔強度和剪切強度損失分別為5.8%、5.4%、4.1%和5.2%、4.8%、3.6%。相較基面未處理試件的粘結強度,GS粘結劑在25 ℃時拉拔強度分別提高了12.6%、17.4%,剪切強度分別提高了7.8%、19.7%,其中拋丸工藝提升程度更高。以上分析表明,對舊水泥路面的基面進行拋丸,使其粗糙化,能夠增加剛柔2層的粘結性能。

2.2 不同應力吸收層性能對比

在最佳油石比條件下,不同應力吸收層瀝青混合料路用性能試驗結果如表2所示;不同組合結構下,不同類型應力吸收層的抗反射裂縫性能試驗結果如表3所示。

由表2可知,在空隙率、水穩定性和滲水系數方面,采用SBS改性瀝青AC-10作為應力吸收層可獲得更好的密實性,同時降低了水流滲入到層間的幾率;在高溫性能方面,AC-10低于橡膠瀝青應力吸收層和SBS改性瀝青SMA-10。相較抗反射裂縫性能和疲勞壽命,橡膠瀝青因其特有的高粘性和高彈性[17],使得應力恢復能力更強,抵抗由上至下的疲勞和由上至下的反射開裂的能力更優異,但高粘性使得材料品質和施工程序難以控制,特別是攤鋪厚度薄、溫度散失快等問題易引起質量問題。AC-10和SMA-10兩者的抗裂性較為接近,SMA-10雖然是間斷級配,但通過細集料、礦粉和纖維構成的砂漿充實空隙使得抗裂性能提高,而AC-10屬于懸浮密實級配,有助于提升抗裂性能。綜上分析,結合材料性能、成本、施工控制難度等因素,推薦采用SBS改性瀝青AC-10作為應力吸收層。

在2018云南企業100強、制造業企業50強榜單中，云南祥豐實業集團有限公司位列云南企業100強第34位，位列云南制造業50強第14位。

表2 不同應力吸收層路用性能試驗結果

表3 不同組合結構抗反射裂縫性能試驗結果

由表3加載周期數結果可知,方案4抗反射裂縫性能效果最佳,其次是方案5,而方案1無任何處理,效果最差。為進一步比較各方案抗裂能力,引入斷裂能指標,通過計算加載1 200次位移力值曲線計算的斷裂能的變化規律與直接加載的結果變化規律一致。對比組合結構中不同抗裂貼的應用效果可知,采用特制的薄層專用抗裂貼的加載次數提高了48.7%,表明該方案可有效改善抗反射裂縫性能。從經濟、效果、施工難度等綜合考慮,薄層專用抗裂貼+AC-10的方案可優先成為非全厚式罩面加鋪技術中的應力吸收層。

2.3 不同磨耗層路用性能對比

不同磨耗層瀝青混合料路用性能試驗結果如表4所示。

表4 不同磨耗層路用性能試驗結果

由表4可知,SBS改性瀝青SMA-13混合料的動穩定度最佳,表明其抗高溫變形能力優于其余2種瀝青混合料,由于SMA-13屬于間斷級配,粗集料構成骨架,細集料進行填充,經成型后構造深度大于其余2種混合料,使得路面初期抗滑性能較高;SBS改性瀝青AC-10混合料因密實性更好,使得在水穩定性和滲水性能方面優于其余2種磨耗層混合料;橡膠瀝青混合料因廢膠粉在瀝青里面的溶脹發育形成具有高彈性特點的膠結料,在承受重載交通的條件下抑制溫度型和荷載型疲勞裂縫效果較優。為了兼顧磨耗層混合料性能以及瀝青膠結料加工的難易程度,考慮SBS改性瀝青SMA-13混合料作為磨耗層加鋪方案。

3 實體工程應用效果

3.1 工程概況

岑溪至興業高速公路是G80廣昆高速公路的組成部分,東起于岑溪市上奇社區上垌村南側(K271+693),西止于興業縣山心鎮(K397+193)。路線主線全長125.5 km,路基寬28 m,雙向4車道,設計時速120 km;本次非全厚式加鋪技術主要應用于主線路段及玉林連接線路段,全長39.786 km。根據現場調查結果,局部路段破損嚴重,主要病害為破碎板、橫向裂縫、縱向裂縫、板角裂等病害。各路段原路面結構如圖1所示。

(a) 土質路段路面結構

(b) 石質路段路面結構

3.2 非全厚式罩面加鋪方案

單位:cm

3.3 非全厚式罩面性能檢測

為保證非全厚式罩面的鋪裝質量和路面性能,本項目分別對剛柔層間粘結層、應力吸收層和磨耗層進行了必要的質量檢測,應力吸收層的主要檢測項目包括穩定度、流值和滲水系數,磨耗層的主要檢測項目包括穩定度、路面滲水系數、路面壓實度以及路面平整度,具體檢測結果如表5、表6所示。

針對不同路段、不同工況,提取標準試件在同等條件下進行規范養護,檢測其成品穩定度、流值和滲水系數,其中穩定度和流值試驗共提取18個標準試件,滲水系數試驗則采取隨機抽樣試驗,結果如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知,改性瀝青 AC-10應力吸收層的穩定度均值為12.16 kN,最小值為10.28 kN,均大于最低限值8 kN,流值平均值為3.24 mm,最低值為2.9 mm,最高值為3.8 mm,均處于2 mm～4 mm之間;改性瀝青SMA-13磨耗層的穩定度均值為13.53 kN,最小值為12.02 kN,均大于最低限值6 kN,流值平均值為3.16 mm,最低值為2.6 mm,最高值為3.9 mm,均處于2 mm～4 mm之間。此外兩者滲水系數均遠小于規范設計要求。

表5 剛柔層間粘結性能及AC-10應力吸收層性能檢測結果

表6 SMA-13磨耗層性能檢測結果

圖3 瀝青混合料穩定度及流值試驗結果

圖4 瀝青混合料滲水系數試驗結果

3.4 非全厚式加鋪方案社會經濟效益分析

相較傳統加鋪“4 cm厚SBS改性瀝青SMA-13+5.0 cm改性瀝青AC-20+2.5 cm SBS改性瀝青AC-10應力吸收層”,非全厚式加鋪無論是在施工難度和環境影響方面都比較低,加上充分發揮了原路面結構作用,降低了施工工程量,使得整體造價大幅度降低。同時,非全厚式加鋪方案工序更少,工期更短,對交通通行干擾更低。相較銑刨,采用拋丸處理僅需回收鋼珠,清理表面灰塵,而銑刨1 cm厚的水泥板會產生24.5 kg/m2廢渣,且強度有限,銑刨深度越厚,需處治的廢渣就越多。

根據《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2020)[18]以及《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[19],對非全厚式加鋪方案的成本及排放分析進行對比,結果如表7、表8所示。

由表7可知,非全厚式罩面加鋪技術相較傳統加鋪方式,在造價上節約近2 934萬元,且未包含橋隧、交安設施的改造、遷移費用,具有良好的經濟效益。表8數據表明,非全厚式攤鋪在性能相當的前提下,可節約40%以上天然砂石材料、26.3%的瀝青用量、40%以上的燃油資源消耗,減少40.1%的二氧化碳排放,具備良好的社會環境效益。

表7 加鋪方案成本對比

表8 加鋪方案排放分析

4 結論

依托岑興高速“白改黑”工程項目,針對非全厚式罩面加鋪技術的方案、應用效果、成本、排放等方面展開了分析,并得到以下結論:

1) 通過室內對非全厚實罩面加鋪技術各關鍵層次的材料優選及實施效果表明,采用溶劑型粘結層 +2.5 cm SBS改性瀝青AC-10(接縫處加設薄層專用抗裂貼)+4 cm SBS改性瀝青SMA-13的鋪裝結構具有一定可行性。

2) 層間粘結性能試驗結果表明,GS溶劑型粘結劑作為剛柔層間的粘層材料,其拉拔強度和剪切強度均優于改性乳化瀝青;在高溫和雨水侵蝕條件下,GS溶劑型粘結劑的粘結強度損失相較改性乳化瀝青的更低;組合試件的水泥基面經拋丸和精銑刨處理后能夠提高層間粘結強度,但拋丸工藝強度提升更顯著,建議工程后期施工可采取拋丸工藝使水泥界面粗糙化。

3) 對比應力吸收層路用性能,SBS改性瀝青AC-10的抗反射裂縫性能不及橡膠瀝青,但與SMA-10相當的情況下,AC-10的水穩定性和滲水性能更佳,能在滿足抗反射裂縫的條件下擁有更好的耐久性;對比接縫處不同組合結構的抗反射裂縫性能,采用薄層專用貼+2.5 cm AC-10+4 cm SMA-13組合在抗反射裂縫的加載次數和斷裂能這2個指標處于較優水平;對比磨耗層路用性能,SMA-13能夠更好兼顧高溫性能、水穩定性、疲勞性能以及抗滑性能。

4) 經過對非全厚式加鋪技術實施后的檢測結果表明,剛柔層間粘結強度、路面平整度、滲水系數等主要參數均滿足設計要求;相較傳統水泥路面“白改黑”瀝青加鋪層,在性能相當的前提下,非全厚式罩面加鋪技術可大幅縮減工程造價,具有良好的經濟效益,且隨著工序的減少,既降低了對交通的干擾,又大量降低了資源消耗和碳排放,具有良好的社會效益。