冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2011.2.018 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Techno pgy Beijing Feb 2011 冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工 程中的应用研究 李廷刚李长洪 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 通信作者.Ema时c@us站edm 摘要分析了冲击碾压的作用机理、橡胶沥青的生成机理及应力吸收层应用性能。基于“强基薄面”理论，开展了冲击碾 压、橡胶沥青及应力吸收层工艺组合技术在公路工程中应用试验研究.结果表明：对淤泥质软弱地基上的填石路堤进行冲击 碾压加固是动力压密和动力固结双重作用结果：橡胶沥青的形成机理是胶粉与基质沥青在高温条件下混合后同时发生物理 和化学两种反应，但以物理溶胀为主：橡胶沥青应力吸收层具有吸收应力、减缓反射裂缝、防水和增强层间黏结等优良功能 冲击碾压、橡胶沥青和应力吸收层组合技术现场应用效果良好. 关键词道路建设：路面罩面：碾压：沥青：橡胶 分类号U416217 Application study on the composite technology of in pact compaction asphalt rubber and stress absorbingm embrane inter ayer in road eng ineering LITng_gang LI Chang hong Schpol ofCivil and Enviramentl Engneerng University of Science and Technoloy Beijng Beijng100083 China Corespondng author Email lo@usth edi cn ABSTRACT The m echanism of i pact compaction and asphalt ubber pmation as well as the functpn of asphalt rubber stress ab sorb ng membrane n terayer(AR-SAM]n pavem ent structure are anayzed separately A com posite engneering application est of mpact compaction asphalt nubber and AR-SAMIwas carried out based a he strong foundation and thhpavement theory It is shovn that the mechanis of i pact compactpn on rockfill embankment placed on a weak m uddy soil foundaton is the conbined action of dy nan ic compression and dyna ic consolidation he fomation mecha ism of asphalt rubber is that boh Physical and chem ical reactions take place when cnmbed rubber and base bitum en are m ixed pogeter ath gh temperature but physical swelling is themain process AR-SAMI is applied for the purpose of absorb ng stress resisting reflective cracks proofing water and iproving he adhesion between road stucure layers Canpos ie engneering app licatpns of the technopgy have perpmed very well KEY WORDS road constructpn pavementoverays campactpn asphalt rubber 20世纪60年代初交通部公路科学研究所路面 主要是沥青面层的温度裂缝，反射裂缝只占很少数， 设计组提出了沥青路面设计应遵循“强基、薄面、稳 同时半刚性路面的承载能力可完全由半刚性材料层 土基”的原则.其中心思想是路面结构的基础（基 来满足，沥青面层仅起功能性作用.由此建议用厚 层、底基层和垫层)应该强固，面层可以薄，同时土 半刚性材料层满足路面承载能力要求，而用较薄的 基要稳定，以保持路面整体的承载能力比较稳 沥青面层满足功能要求，同时对路基、路面底基层和 定·.这一原则基本确立了近几十年来我国公路建 基层采用重型压实标准.根据“强基薄面”理论， 设的指导思想即“强基薄面”理论.沙庆林院士通 多年来我国高等级路面的结构主要形式自上而下依 过对大量的实验进行总结后认为半刚性路面的裂缝 次为：沥清混凝土面层（二层或三层）、水泥稳定类 收稿日期：2010-01-29

第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 冲击碾压 、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工 程中的应用研究 李廷刚 李长洪 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 通信作者, E-mail:lch@ustb.edu.cn 摘 要 分析了冲击碾压的作用机理、橡胶沥青的生成机理及应力吸收层应用性能.基于 “强基薄面”理论, 开展了冲击碾 压、橡胶沥青及应力吸收层工艺组合技术在公路工程中应用试验研究.结果表明:对淤泥质软弱地基上的填石路堤进行冲击 碾压加固是动力压密和动力固结双重作用结果;橡胶沥青的形成机理是胶粉与基质沥青在高温条件下混合后同时发生物理 和化学两种反应, 但以物理溶胀为主;橡胶沥青应力吸收层具有吸收应力、减缓反射裂缝、防水和增强层间黏结等优良功能. 冲击碾压、橡胶沥青和应力吸收层组合技术现场应用效果良好. 关键词 道路建设;路面罩面;碾压;沥青;橡胶 分类号 U416.217 Applicationstudyonthecompositetechnologyofimpactcompaction , asphalt rubberandstressabsorbingmembraneinterlayerinroadengineering LITing-gang, LIChang-hong SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:lch@ustb.edu.cn ABSTRACT Themechanismofimpactcompactionandasphaltrubberformationaswellasthefunctionofasphaltrubberstressab￾sorbingmembraneinterlayer( AR-SAMI) inpavementstructureareanalyzedseparately.Acompositeengineeringapplicationtestof impactcompaction, asphaltrubberandAR-SAMIwascarriedoutbasedonthestrong-foundationandthin-pavementtheory.Itisshown thatthemechanismofimpactcompactiononrockfillembankmentplacedonaweakmuddysoilfoundationisthecombinedactionofdy￾namiccompressionanddynamicconsolidation;theformationmechanismofasphaltrubberisthatbothphysicalandchemicalreactions takeplacewhencrumbedrubberandbasebitumenaremixedtogetherathightemperature, butphysicalswellingisthemainprocess; AR-SAMIisappliedforthepurposeofabsorbingstress, resistingreflectivecracks, proofingwaterandimprovingtheadhesionbetween roadstructurelayers.Compositeengineeringapplicationsofthetechnologyhaveperformedverywell. KEYWORDS roadconstruction;pavementoverlays;compaction;asphalt;rubber 收稿日期:2010--01--29 20世纪 60年代初交通部公路科学研究所路面 设计组提出了沥青路面设计应遵循 “强基 、薄面 、稳 土基”的原则 .其中心思想是路面结构的基础 (基 层 、底基层和垫层 ) 应该强固, 面层可以薄, 同时土 基要稳定, 以保持路面整体的承载能力比较稳 定 [ 1] .这一原则基本确立了近几十年来我国公路建 设的指导思想, 即 “强基薄面 ”理论 .沙庆林院士通 过对大量的实验进行总结后认为半刚性路面的裂缝 主要是沥青面层的温度裂缝, 反射裂缝只占很少数, 同时半刚性路面的承载能力可完全由半刚性材料层 来满足, 沥青面层仅起功能性作用 .由此建议用厚 半刚性材料层满足路面承载能力要求, 而用较薄的 沥青面层满足功能要求, 同时对路基、路面底基层和 基层采用重型压实标准 [ 2] .根据 “强基薄面 ”理论, 多年来我国高等级路面的结构主要形式自上而下依 次为 :沥青混凝土面层 (二层或三层 ) 、水泥稳定类 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.02.018

第2期 李廷刚等：冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究 ·245 或二灰稳定类半刚性基层以及水稳定性好的底基 一种工艺9.由于其压实能量大，因此可以获得远 层，并遵循刚度和强度自上而下递减的原则) 优于常规振动压路机的压实效果，对于提高路基整 随着我国公路建设的不断发展，“强基薄面”理 体强度具有重要意义.针对此类填筑于淤泥质软弱 论的内涵也不断被丰富.在当前的公路建设实践 地基上的填石路基，主要采用三边轮冲击压实机，其 中，采用特殊技术强化路基和地基，通过对基层结构 加固机理可用动力压密和动力固结两种理论共同解 的优化，增加面层和基层之间的连接层等手段，有效 释.冲击压实轮在牵引带动下，快速翻转产生巨大 地提高路基以及基层的强度：通过选用性能更好的 冲击作用，强大的冲击能强制压缩密实土壤，排出填 改性沥青材料或优化混合料配合比设计来提高路面 石中的空气，使土体发生塑性变形，从而得到压密. 的耐久性和抗开裂性能，从而达到增加路面的整体 同时由于基底软卧层的存在，冲击压实机产生的巨 强度、提高道路使用寿命的目的4. 大冲击力将碎石整体打入淤泥成整体式置换，从而 形成一定厚度的强度较高的持力层.冲击碾压的加 1基于强基薄面理论的组合技术应用方案 固机理可用图1表示. 2007年在辽宁省滨海公路葫芦岛绥中段工程 建设中，首次将冲击碾压、橡胶沥青以及应力吸收层 这三项新技术组合起来进行试验研究.试验段总长 6.3四桩号为0+000-6十300原设计方案填方 路基采用常规振动压路机压实.路面总厚度为63 图1冲击碾压作用原理 円由上而下依次为3密级配细粒式改性沥青混 Fig 1 Woikingm echanics of impact conpac tion 凝土(AC-10○面层、4m密级配中粒式沥青混凝 土(AC-16下面层、18m水泥稳定砂砾上基层、 2.2加固效果测试及分析 18冰泥稳定砂砾下基层以及20m天然砂砾 22.1沉降观测 垫层. 冲击碾压过程中，以五次为一个检测单元，进行 基于“强基薄面”理论，三种工艺的组合技术试 沉降量观测，沉降检测结果见表1由表1结果可以 验方案为：①在淤泥软土地基填石路基，经过常规振 看出，填石路基在经过常规振动碾压正常压实后，采 动碾压正常压实后，采用冲击碾压补强20次，以此 用冲击碾压补强20次仍能获得677am的沉降量. 提高路基的整体强度：②在面层与基层之间增设一 通过对整个路基进行同步侧向位移监测未发现明显 层橡胶沥青应力吸收层，以此增强层间黏结并提高 的侧向位移，表明通过冲击碾压所获得的沉降量是 面层的防水和抵抗反射裂缝的能力：③利用橡胶沥 有效的，对整个路基起到了加固作用. 青良好的抗疲劳、抗开裂特点，面层采用橡胶沥青混 表1不同冲碾次数的沉降量结果 Tab e1 Settlement west results after diffe rent mpact oompac tion passes 凝土.根据橡胶沥青路面厚度与普通沥青路面厚度 的结构强度和抵抗反射裂缝的对应关系，试验段面 冲碾次数 单元沉降量/m 累计沉降量/m 层只铺设一层5密级配中粒式橡胶沥青混凝土. 5 338 338 10 098 4.36 2填石路基冲击碾压加固机理及效果分析 15 089 5.25 路基填筑前原地基表面分布厚度为1.4~23m 20 1.52 677 亚黏土层，主要是压缩性黏土夹砂或砂夹土，并含有 一定腐殖质，其下为呈软塑状态的饱和淤泥质亚黏 22.2压实度检测 土，厚度较大，强度低，地下水位位于原地基下约 冲碾前后分别进行距路基顶面不同深度层次的 1.1m处.考虑到地基特点，该段全部采用填方路 压实度检测，检测结果见表29.由表2结果可以看 基，填方材料为天然砂砾、海砂和碎石，填方高度 出，填石路基经冲击碾压补强后，压实度大大提高， 0.8~1.4m不等，路基采用常规振动压路机压实 尤其是80m以下压实度提高幅度超过109%，表明 后，再采用三边轮冲击压实机进行增强补压. 冲击碾压对路基深层乃至原地基均具有显著的压实 2.1加固机理分析 效果，这对于道路使用过程中车辆荷载沿路基深度 冲击碾压技术是利用非圆形压实轮在高速滚动 方向的分布是有利的.沉降量和压实度检测结果表 过程中产生的巨大作用能量来实现对土体的压实的 明冲击碾压对填石路基进行补强具有明显的作用

第 2期 李廷刚等:冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究 或二灰稳定类半刚性基层以及水稳定性好的底基 层, 并遵循刚度和强度自上而下递减的原则 [ 3] . 随着我国公路建设的不断发展, “强基薄面 ”理 论的内涵也不断被丰富.在当前的公路建设实践 中, 采用特殊技术强化路基和地基, 通过对基层结构 的优化, 增加面层和基层之间的连接层等手段, 有效 地提高路基以及基层的强度 ;通过选用性能更好的 改性沥青材料或优化混合料配合比设计来提高路面 的耐久性和抗开裂性能, 从而达到增加路面的整体 强度、提高道路使用寿命的目的 [ 4] . 1 基于 “强基薄面 ”理论的组合技术应用方案 2007年在辽宁省滨海公路葫芦岛绥中段工程 建设中, 首次将冲击碾压、橡胶沥青以及应力吸收层 这三项新技术组合起来进行试验研究 .试验段总长 6.3km, 桩号为 k0 +000--k6 +300.原设计方案填方 路基采用常规振动压路机压实.路面总厚度为 63 cm, 由上而下依次为 3 cm密级配细粒式改性沥青混 凝土 ( AC--10C)面层、4 cm密级配中粒式沥青混凝 土 ( AC--16F)下面层 、18 cm水泥稳定砂砾上基层 、 18 cm水泥稳定砂砾下基层以及 20 cm天然砂砾 垫层. 基于“强基薄面”理论, 三种工艺的组合技术试 验方案为:①在淤泥软土地基填石路基, 经过常规振 动碾压正常压实后, 采用冲击碾压补强 20次, 以此 提高路基的整体强度;②在面层与基层之间增设一 层橡胶沥青应力吸收层, 以此增强层间黏结并提高 面层的防水和抵抗反射裂缝的能力;③利用橡胶沥 青良好的抗疲劳 、抗开裂特点, 面层采用橡胶沥青混 凝土.根据橡胶沥青路面厚度与普通沥青路面厚度 的结构强度和抵抗反射裂缝的对应关系, 试验段面 层只铺设一层 5 cm密级配中粒式橡胶沥青混凝土 . 2 填石路基冲击碾压加固机理及效果分析 路基填筑前原地基表面分布厚度为 1.4 ～ 2.3m 亚黏土层, 主要是压缩性黏土夹砂或砂夹土, 并含有 一定腐殖质, 其下为呈软塑状态的饱和淤泥质亚黏 土, 厚度较大, 强度低, 地下水位位于原地基下约 1.1m处.考虑到地基特点, 该段全部采用填方路 基, 填方材料为天然砂砾 、海砂和碎石, 填方高度 0.8 ～ 1.4 m不等, 路基采用常规振动压路机压实 后, 再采用三边轮冲击压实机进行增强补压. 2.1 加固机理分析 冲击碾压技术是利用非圆形压实轮在高速滚动 过程中产生的巨大作用能量来实现对土体的压实的 一种工艺 [ 5] .由于其压实能量大, 因此可以获得远 优于常规振动压路机的压实效果, 对于提高路基整 体强度具有重要意义.针对此类填筑于淤泥质软弱 地基上的填石路基, 主要采用三边轮冲击压实机, 其 加固机理可用动力压密和动力固结两种理论共同解 释.冲击压实轮在牵引带动下, 快速翻转产生巨大 冲击作用, 强大的冲击能强制压缩密实土壤, 排出填 石中的空气, 使土体发生塑性变形, 从而得到压密. 同时由于基底软卧层的存在, 冲击压实机产生的巨 大冲击力将碎石整体打入淤泥成整体式置换, 从而 形成一定厚度的强度较高的持力层.冲击碾压的加 固机理可用图 1表示. 图 1 冲击碾压作用原理 Fig.1 Workingmechanicsofimpactcompaction 2.2 加固效果测试及分析 2.2.1 沉降观测 冲击碾压过程中, 以五次为一个检测单元, 进行 沉降量观测, 沉降检测结果见表 1.由表 1结果可以 看出, 填石路基在经过常规振动碾压正常压实后, 采 用冲击碾压补强 20次仍能获得 6.77 cm的沉降量. 通过对整个路基进行同步侧向位移监测未发现明显 的侧向位移, 表明通过冲击碾压所获得的沉降量是 有效的, 对整个路基起到了加固作用. 表 1 不同冲碾次数的沉降量结果 Table1 Settlementtestresultsafterdifferentimpactcompactionpasses 冲碾次数 单元沉降量/cm 累计沉降量 /cm 5 3.38 3.38 10 0.98 4.36 15 0.89 5.25 20 1.52 6.77 2.2.2 压实度检测 冲碾前后分别进行距路基顶面不同深度层次的 压实度检测, 检测结果见表 2 [ 6] .由表 2结果可以看 出, 填石路基经冲击碾压补强后, 压实度大大提高, 尤其是 80 cm以下压实度提高幅度超过 10%, 表明 冲击碾压对路基深层乃至原地基均具有显著的压实 效果, 这对于道路使用过程中车辆荷载沿路基深度 方向的分布是有利的.沉降量和压实度检测结果表 明冲击碾压对填石路基进行补强具有明显的作用 · 245·

。246 北京科技大学学报 第33卷 效果 3橡胶沥青生成机理及配方设计 表2冲碾前后压实度检测结果 Tab le2 Test results of density before and after mpact oompaction 3.1橡胶沥青生成机理 目前橡胶沥青的生成机理即废胎胶粉与沥青之 冲碾前平均 冲碾后平均 层次/m检测点数 增幅% 间的相互作用机理尚存在争议，主要存在三种理论， 压实度/% 压实度/% 包括物理共混说、网络填充说和化学共混说. 0-80 12 902 982 887 80-150 12 上述学说均有其合理性.图2为采用内掺18% 867 97.6 1257 >150 12 的22目胶粉分别反应10m和60m的橡胶沥青 85.4 968 1335 电镜照片， 图2不同反应时间的橡胶沥青电子显微镜照片.（两10m!(b60m加 F2 Electonm icroscope photos of asphalt uubber at different reaction tme (10m (b 60m 从图2照片可以清晰地看出橡胶沥青在高温条 载重汽车子午胎胶粉，其物理化学指标分别见表3 件下反应10m时，胶粉颗粒相对独立：而当达到 和表4. 60m时，胶粉颗粒表面与基质沥青形成凝胶体并 表3废胎胶粉物理指标 彼此相连，形成非常明显的近似网状结构.因此橡 Tab le3 Physical properties ofcnmb rubber 胶沥青的形成机理可以解释为：胶粉与基质沥青在 质量分数% 高温条件下(180℃以上)混合后，胶粉颗粒扩散到 相对密度 水分 金属量 纤维量 沥青中，同时发生物理和化学两种反应，其中胶粉颗 1.21 027 0.002 0 粒吸收沥青中的油分而溶胀，体积增大，并在一定程 度上发生脱硫反应，胶粉颗粒变得疏松而柔软，恢复 表4废胎胶粉化学成分（质量分数） 其一定的塑性和黏性，表面形成凝胶体，但胶粉颗粒 Table4 Chem ical composition of cnumb rubber 号 核心仍然存在”.该颗粒核心与基质沥青分子通过 灰分 丙酮抽出物 碳黑 檬胶烃 凝胶体相连，在胶结料中形成连续相体系，并形成近 662 1002 3286 51.42 似网状结构. 3.2橡胶沥青结合料设计 3.2.2橡胶沥青配方试验 3.21原材料 橡胶沥青的品质不仅与原材料品质有关，还与 (1)基质沥清：选用盘锦AH-90重交道路石油 原材料的配方及加工工艺有关.为保证橡胶沥青产 沥青，沥青各项指标均满足规范要求， 品质量，进行了不同胶粉掺量（质量分数）、不同反 (2)废胎胶粉：选用具有一定级配的22目废旧 应温度的配方试验，试验结果分别见表5和表6 表5不同胶粉掺量橡胶沥青技术指标 Tab les Technical ind ices of asthalt ubber wit different cnumbed rulber con ents 胶粉掺量% 25C针入度/0.1mm 软化点℃ 25℃弹性恢复% 5℃延度/m 180℃旋转黏度/(Pa3 17.5 665 57.0 77.5 17.5 2.5 185 69.5 60.6 800 163 40 19.5 600 63.0 825 130 5.8 试验方法[ T0604-2000 T0606-2000 T0662-2000 T0605-2000 手持式黏度仪 注：反应温度为190℃，反应时间为45m口

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 效果. 表 2 冲碾前后压实度检测结果 Table2 Testresultsofdensitybeforeandafterimpactcompaction 层次 /cm 检测点数 冲碾前平均 压实度 / % 冲碾后平均 压实度 / % 增幅 /% 0 ～ 80 12 90.2 98.2 8.87 80 ～ 150 12 86.7 97.6 12.57 >150 12 85.4 96.8 13.35 3 橡胶沥青生成机理及配方设计 3.1 橡胶沥青生成机理 目前橡胶沥青的生成机理即废胎胶粉与沥青之 间的相互作用机理尚存在争议, 主要存在三种理论, 包括物理共混说、网络填充说和化学共混说 . 上述学说均有其合理性 .图 2为采用内掺 18% 的 22目胶粉分别反应 10 min和 60 min的橡胶沥青 电镜照片 . 图 2 不同反应时间的橡胶沥青电子显微镜照片 .(a) 10min;( b) 60min Fig.2 Electronmicroscopephotosofasphaltrubberatdifferentreactiontime:(a) 10min;( b) 60min 从图 2照片可以清晰地看出橡胶沥青在高温条 件下反应 10 min时, 胶粉颗粒相对独立;而当达到 60 min时, 胶粉颗粒表面与基质沥青形成凝胶体并 彼此相连, 形成非常明显的近似网状结构.因此橡 胶沥青的形成机理可以解释为 :胶粉与基质沥青在 高温条件下 ( 180 ℃以上 )混合后, 胶粉颗粒扩散到 沥青中, 同时发生物理和化学两种反应, 其中胶粉颗 粒吸收沥青中的油分而溶胀, 体积增大, 并在一定程 度上发生脱硫反应, 胶粉颗粒变得疏松而柔软, 恢复 其一定的塑性和黏性, 表面形成凝胶体, 但胶粉颗粒 核心仍然存在 [ 7] .该颗粒核心与基质沥青分子通过 凝胶体相连, 在胶结料中形成连续相体系, 并形成近 似网状结构 . 3.2 橡胶沥青结合料设计 3.2.1 原材料 ( 1)基质沥青 :选用盘锦 AH--90重交道路石油 沥青, 沥青各项指标均满足规范要求 . ( 2)废胎胶粉 :选用具有一定级配的 22目废旧 载重汽车子午胎胶粉, 其物理化学指标分别见表 3 和表 4. 表 3 废胎胶粉物理指标 Table3 Physicalpropertiesofcrumbrubber 相对密度 质量分数 /% 水分 金属量 纤维量 1.21 0.27 0.002 0 表 4 废胎胶粉化学成分 (质量分数 ) Table4 Chemicalcompositionofcrumbrubber % 灰分 丙酮抽出物 碳黑 橡胶烃 6.62 10.02 32.86 51.42 3.2.2 橡胶沥青配方试验 橡胶沥青的品质不仅与原材料品质有关, 还与 原材料的配方及加工工艺有关.为保证橡胶沥青产 品质量, 进行了不同胶粉掺量 (质量分数 ) 、不同反 应温度的配方试验, 试验结果分别见表 5和表 6. 表 5 不同胶粉掺量橡胶沥青技术指标 Table5 Technicalindicesofasphaltrubberwithdifferentcrumbedrubbercontents 胶粉掺量 /% 25℃针入度 /0.1mm 软化点/℃ 25℃弹性恢复 /% 5℃延度 /cm 180℃旋转黏度 /( Pa·s) 17.5 66.5 57.0 77.5 17.5 2.5 18.5 69.5 60.6 80.0 16.3 4.0 19.5 60.0 63.0 82.5 13.0 5.8 试验方法 [ 8] T0604— 2000 T0606— 2000 T0662— 2000 T0605— 2000 手持式黏度仪 注:反应温度为 190℃, 反应时间为 45min. · 246·

第2期 李廷刚等：冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究 ·247 表6不同反应温度橡胶沥青技术指标 T ab le 6 Technical indioes of asphalt nbber at different eact ion temperaures 反应温度℃ 25C针入度/0.1mm 软化点/℃ 25C弹性恢复% 5℃C延度/m 180℃旋转黏度/(Pa号 180 67.2 61.2 75.0 128 3.5 190 69.5 60.6 800 163 4.0 200 66.0 624 81.0 157 4.0 试验方法【网 T0604-2000 T0606-2000 T0662-2000 T0605-2000 手持式黏度仪 注：胶粉掺量为18%，反应时间为45m朗 由表5可以看出，在反应温度为190℃时，胶粉 碎石 橡胶沥青 掺量分别为17.5%、18.5%和19.5%（内掺）时，橡 胶沥青指标变化较大，并呈现很强的规律性，胶粉掺 量越高，则黏度、软化点和弹性恢复增大，延度减小， 图3檬胶沥青应力吸收层结构示意图 但当掺量达到185%时橡胶沥青180℃旋转黏度就 F 3 Structre of asthalt mubber SAMI 己经达到4Pa§考虑到施工难度问题，最后确定胶 粉掺量控制在18.25%左右.表6表明，即使在胶粉 胶沥青，洒布温度约在190℃左右，洒布量控制在 掺量相同(18.5%)的情况下，反应温度对橡胶沥青 2.2k怒m左右，并确保沥青纵向衔接与己洒布部 指标也有一定影响.经综合考虑，最终选定190℃ 分重叠10m左右.洒布橡胶沥青后马上进行碎石 作为橡胶沥青的反应温度 撒布，对于橡胶沥青应力吸收层的施工而言，碎石与 3.23面层用橡胶沥青结合料技术指标 沥青的黏结程度直接影响应力吸收层的性能，因此 在经过详尽的比对试验后，路面施工中所生产 碎石在洒布之前进入拌和站进行了预裹覆处理（油 的橡胶沥青技术指标见表7. 石比为0.5%)，便于粗集料与洒布橡胶沥青的黏 表7面层混合料用橡胶沥青技术指标 结，碎石撒布量为10~12kg2.粗集料撒布之后 Tab 7 Technicalindexes of asphalt rubber used fr premx 及时用重型胶轮压路机紧跟粗集料撒布车进行碾压 检测项目 检测结果 试验方法 1~2次，碾压后再将多余的碎石清扫干净90. 25℃针入度/01m 59.5 T0604-2000 5橡胶沥青混合料 5℃延度/m 140 T0605-2000 软化点C 61.5 T0606-2000 5.1橡胶沥青混凝土面层厚度设计 180℃旋转黏度/(Pa号 3.1 T061-2000 橡胶沥青是一种性能良好的路面沥青混凝土的 质量变化% -019 T0610-2000 结合料.根据国外经验，橡胶沥青与普通沥青或者 残留针入度比% 887 T0604-2000 其他品种的改性沥青相比，可以在减薄橡胶沥青面 残留延度比% 965 T0605-2000 层厚度的情况下获得同样的路面抗疲劳和抗开裂效 果.文献[1山]分别从结构强度和抵抗反射裂缝两个 4橡胶沥青应力吸收层 方面给出了橡胶沥青路面与普通沥青路面厚度的对 应关系，见表g四 橡胶沥青应力吸收层(AR-SAM)是一种在喷 葫芦岛滨海公路原设计沥青面层为两层，分别 洒橡胶沥青类结合料后，立即撒铺一定粒径的粗集 为3m密级配细粒式改性沥青混凝土(AC10○ 料，经碾压而形成的薄层，其结构见图3由于橡胶 面层和4m密级配中粒式沥青混凝土(AC-16F下 沥青胶粉与基质沥青在高温条件下(180℃以上)混 面层，共7四无应力吸收层.试验方案改为橡胶沥 合后，胶粉颗粒扩散到沥青中，同时发生物理和化学 青面层加橡胶沥青应力吸收层.根据表6无论从结 两种反应，使其具有一定的塑性和黏性，从而具有减 构强度的角度还是从抵抗反射裂缝的角度，更改后 震防噪、吸收应力（降低应力集中）、减少反射裂缝、 的橡胶沥青面层可设计为4m密级配中粒式橡胶 防水和层间黏结等多种特殊的优良功能 沥青混凝土，但考虑到地方的材料质量和施工能力， 橡胶沥青应力吸收层洒布之前，对基层进行清 从保守的角度考虑将橡胶沥青面层设计为5四 理，确保基层干燥、整洁，无尘土、杂物或油污.由于 52橡胶沥青混合料性能 橡胶沥青黏度较大，因此使用专用洒布设备喷洒橡 混合料正式生产之前，首先进行了混合料的目

第 2期 李廷刚等:冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究 表 6 不同反应温度橡胶沥青技术指标 Table6 Technicalindicesofasphaltrubberatdifferentreactiontemperatures 反应温度 /℃ 25℃针入度 /0.1mm 软化点/℃ 25℃弹性恢复 /% 5℃延度 / cm 180℃旋转黏度 /( Pa·s) 180 67.2 61.2 75.0 12.8 3.5 190 69.5 60.6 80.0 16.3 4.0 200 66.0 62.4 81.0 15.7 4.0 试验方法 [ 8] T0604— 2000 T0606— 2000 T0662— 2000 T0605— 2000 手持式黏度仪 注:胶粉掺量为 18.5%, 反应时间为 45min. 由表 5可以看出, 在反应温度为 190 ℃时, 胶粉 掺量分别为 17.5%、18.5%和 19.5%(内掺 )时, 橡 胶沥青指标变化较大, 并呈现很强的规律性, 胶粉掺 量越高, 则黏度、软化点和弹性恢复增大, 延度减小, 但当掺量达到 18.5%时橡胶沥青 180℃旋转黏度就 已经达到 4 Pa·s.考虑到施工难度问题, 最后确定胶 粉掺量控制在 18.25%左右 .表 6表明, 即使在胶粉 掺量相同 ( 18.5%)的情况下, 反应温度对橡胶沥青 指标也有一定影响.经综合考虑, 最终选定 190 ℃ 作为橡胶沥青的反应温度 . 3.2.3 面层用橡胶沥青结合料技术指标 在经过详尽的比对试验后, 路面施工中所生产 的橡胶沥青技术指标见表 7. 表 7 面层混合料用橡胶沥青技术指标 Table7 Technicalindexesofasphaltrubberusedforpremix 检测项目 检测结果 试验方法 25℃针入度 /0.1mm 59.5 T0604— 2000 5℃延度 /cm 14.0 T0605— 2000 软化点 /℃ 61.5 T0606— 2000 180℃旋转黏度 /( Pa·s) 3.1 T0611— 2000 质量变化 /% -0.19 T0610— 2000 残留针入度比 /% 88.7 T0604— 2000 残留延度比 /% 96.5 T0605— 2000 4 橡胶沥青应力吸收层 橡胶沥青应力吸收层 ( AR--SAMI)是一种在喷 洒橡胶沥青类结合料后, 立即撒铺一定粒径的粗集 料, 经碾压而形成的薄层, 其结构见图 3.由于橡胶 沥青胶粉与基质沥青在高温条件下 ( 180 ℃以上 )混 合后, 胶粉颗粒扩散到沥青中, 同时发生物理和化学 两种反应, 使其具有一定的塑性和黏性, 从而具有减 震防噪 、吸收应力 (降低应力集中 ) 、减少反射裂缝 、 防水和层间黏结等多种特殊的优良功能. 橡胶沥青应力吸收层洒布之前, 对基层进行清 理, 确保基层干燥、整洁, 无尘土 、杂物或油污 .由于 橡胶沥青黏度较大, 因此使用专用洒布设备喷洒橡 图 3 橡胶沥青应力吸收层结构示意图 Fig.3 StructureofasphaltrubberSAMI 胶沥青, 洒布温度约在 190 ℃左右, 洒布量控制在 2.2 kg·m -2左右, 并确保沥青纵向衔接与已洒布部 分重叠 10 cm左右 .洒布橡胶沥青后马上进行碎石 撒布, 对于橡胶沥青应力吸收层的施工而言, 碎石与 沥青的黏结程度直接影响应力吸收层的性能, 因此 碎石在洒布之前进入拌和站进行了预裹覆处理 (油 石比为 0.5%), 便于粗集料与洒布橡胶沥青的黏 结, 碎石撒布量为 10 ～ 12 kg·m -2 .粗集料撒布之后 及时用重型胶轮压路机紧跟粗集料撒布车进行碾压 1 ～ 2次, 碾压后再将多余的碎石清扫干净 [ 9--10] . 5 橡胶沥青混合料 5.1 橡胶沥青混凝土面层厚度设计 橡胶沥青是一种性能良好的路面沥青混凝土的 结合料.根据国外经验, 橡胶沥青与普通沥青或者 其他品种的改性沥青相比, 可以在减薄橡胶沥青面 层厚度的情况下获得同样的路面抗疲劳和抗开裂效 果.文献[ 11] 分别从结构强度和抵抗反射裂缝两个 方面给出了橡胶沥青路面与普通沥青路面厚度的对 应关系, 见表 8 [ 11] . 葫芦岛滨海公路原设计沥青面层为两层, 分别 为 3 cm密级配细粒式改性沥青混凝土 ( AC--10C) 面层和 4 cm密级配中粒式沥青混凝土 ( AC--16F)下 面层, 共 7 cm, 无应力吸收层.试验方案改为橡胶沥 青面层加橡胶沥青应力吸收层.根据表 6, 无论从结 构强度的角度还是从抵抗反射裂缝的角度, 更改后 的橡胶沥青面层可设计为 4 cm密级配中粒式橡胶 沥青混凝土, 但考虑到地方的材料质量和施工能力, 从保守的角度考虑将橡胶沥青面层设计为 5 cm. 5.2 橡胶沥青混合料性能 混合料正式生产之前, 首先进行了混合料的目 · 247·

。248 北京科技大学学报 第33卷 标配合比设计，根据石料情况，以间断级配、骨架结 石，细集料采用石灰岩石屑和天然砂.该级配与文 构为原则，优化混合料的实际级配，最终确定矿料的 献[12]中推荐的ARAC-16型橡胶沥青混凝土级配 设计级配见表9其中粗集料采用当地产石灰岩碎 中值基本能够很好的吻合，见图4 表8橡胶沥青路面与普通密级配沥青路面厚度对应关系 Tab leg Thickness equivalence be ween aspha It mubber and conventional dense graded astha lt 密级配普通沥青 橡胶沥青混凝土面层厚度m 橡胶沥青混凝土面层十应力吸收层厚度/m 混凝土面层厚度m 结构强度 反射裂缝 结构强度 反射裂缝 45 30 30 60 30 30 75 45 45 30 90 45 45 30 105 60 60 45 30 120 65 45 135 45AR+45AC 60 150 45AR+60AC 60 表9目标配合比设计矿料级配 Tab leo Sime grading of objectivem ixing design 筛孔尺寸m 19.000 1600013200 9500 4750 2360 1.180 0600 03000150 0075 通过率% 97.8 90.6 787 56.9 31.3 21.2 15.8 124 9.2 7.1 5.9 随后采用表干法进行设计，以空隙率为控制指 10O 80 ◆葫芦岛滨海路目标级配 标，设计目标空隙率为4%，同时提出矿料间隙率不 ●一推荐级配 芝60 小于145%的要求，通过马歇尔试验确定橡胶沥青 140 混合料最佳油石比为66%，对应的马歇尔试验结 20 果和沥青混合料性能指标见表10由表10结果可 19200016.00013.2009.5004.7502.3601.l800.6000.3000.1500.075 以看出，橡胶沥青混合料目标配合比设计以及混合 筛孔尺寸m 料高低温性能等各试验结果均符合规范要求. 图4目标配合比设计矿料级配与推荐级配 F4 Sone grading curve of dbjectivemixing design and proposed 6结论 gmding orve (I)现场工程试验测试结果表明，对淤泥质软 表10檬胶沥青混合料性能试验结果 Tabe 10 Test results of asphalt nbber premx prpe nies 稳定度/ 流值/ 空隙率/ 饱和度/ 残留稳定度/ 冻融劈裂试验 车撒试验动 试验项目 N 0 1 mm % % % 残留强度比% 稳定度（次·mnrl) 试验结果 9.6 339 48 730 962 812 3468 标准范围 ≥&0 20-50 3-5 65-75 ≥猫 ≥80 >3000 弱地基上的填石路基进行冲击碾压加固是动力压密 面层作为抗滑、耐磨以及起保护作用的功能层，通 和动力固结双重作用结果，冲击碾压技术因其独特 过对橡胶沥青不同反应时间的电镜照片分析表明， 的作用机理，可以获得较常规振动压实设备更优、更 橡胶沥青的形成是胶粉与基质沥青在高温条件下 深的压实效果，从而增加道路荷载的分布深度，提高 (180℃以上)混合后，胶粉颗粒扩散到沥青中，同时 路基的整体强度，有利于行车荷载沿路基更大深度 发生物理和化学两种反应.胶粉颗粒吸收沥青中的 方向上的分布 油分而溶胀，体积增大，并在一定程度上发生脱硫反 (2)根据半刚性路面的结构特点，可以将沥青 应，胶粉颗粒变得疏松而柔软，表面形成凝胶体，使

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 标配合比设计, 根据石料情况, 以间断级配 、骨架结 构为原则, 优化混合料的实际级配, 最终确定矿料的 设计级配见表 9.其中粗集料采用当地产石灰岩碎 石, 细集料采用石灰岩石屑和天然砂 .该级配与文 献[ 12]中推荐的 ARAC--16型橡胶沥青混凝土级配 中值基本能够很好的吻合, 见图 4. 表 8 橡胶沥青路面与普通密级配沥青路面厚度对应关系 Table8 Thicknessequivalencebetweenasphaltrubberandconventionaldensegradedasphalt 密级配普通沥青 混凝土面层厚度 /mm 橡胶沥青混凝土面层厚度 /mm 橡胶沥青混凝土面层 +应力吸收层厚度/mm 结构强度 反射裂缝 结构强度 反射裂缝 45 30 30 — — 60 30 30 — — 75 45 45 30 — 90 45 45 30 — 105 60 60 45 30 120 65 — 45 — 135 45AR+45AC — 60 — 150 45AR+60AC — 60 — 表 9 目标配合比设计矿料级配 Table9 Stonegradingofobjectivemixingdesign 筛孔尺寸 /mm 19.000 16.000 13.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075 通过率 /% 97.8 90.6 78.7 56.9 31.3 21.2 15.8 12.4 9.2 7.1 5.9 图 4 目标配合比设计矿料级配与推荐级配 Fig.4 Stonegradingcurveofobjectivemixingdesignandproposed gradingcurve 随后采用表干法进行设计, 以空隙率为控制指 标, 设计目标空隙率为 4%, 同时提出矿料间隙率不 小于 14.5%的要求, 通过马歇尔试验确定橡胶沥青 混合料最佳油石比为 6.6%, 对应的马歇尔试验结 果和沥青混合料性能指标见表 10.由表 10结果可 以看出, 橡胶沥青混合料目标配合比设计以及混合 料高低温性能等各试验结果均符合规范要求 . 6 结论 ( 1) 现场工程试验测试结果表明, 对淤泥质软 表 10 橡胶沥青混合料性能试验结果 Table10 Testresultsofasphaltrubberpremixproperties 试验项目 稳定度 / kN 流值 / 0.1 mm 空隙率/ % 饱和度 / % 残留稳定度 / % 冻融劈裂试验 残留强度比/% 车辙试验动 稳定度 /(次·mm-1 ) 试验结果 9.6 33.9 4.8 73.0 96.2 81.2 3 468 标准范围 ≥8.0 20 ～ 50 3 ～ 5 65 ～ 75 ≥85 ≥80 >3 000 弱地基上的填石路基进行冲击碾压加固是动力压密 和动力固结双重作用结果 .冲击碾压技术因其独特 的作用机理, 可以获得较常规振动压实设备更优、更 深的压实效果, 从而增加道路荷载的分布深度, 提高 路基的整体强度, 有利于行车荷载沿路基更大深度 方向上的分布. ( 2) 根据半刚性路面的结构特点, 可以将沥青 面层作为抗滑 、耐磨以及起保护作用的功能层 .通 过对橡胶沥青不同反应时间的电镜照片分析表明, 橡胶沥青的形成是胶粉与基质沥青在高温条件下 ( 180 ℃以上 )混合后, 胶粉颗粒扩散到沥青中, 同时 发生物理和化学两种反应.胶粉颗粒吸收沥青中的 油分而溶胀, 体积增大, 并在一定程度上发生脱硫反 应, 胶粉颗粒变得疏松而柔软, 表面形成凝胶体, 使 · 248·