一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构及其施工方法与流程

1.本发明属于路面施工技术领域，涉及一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构，本发明还涉及上述纳米增韧橡胶沥青开普路面结构的施工方法。


背景技术：

2.开普封层是一种复合封层技术，它是在碎石封层上摊铺稀浆封层或微表处磨耗层，可显著提高路面平整度、抗滑性、密水性。最初主要用于小交通量的新建公路，随着橡胶沥青和乳化沥青技术的不断革新，开普封层逐步发展为橡胶沥青同步碎石封层与改性乳化沥青微表处的组合。这种组合形式一方面能更好地吸收荷载应力，大大改善面层抗反射开裂能力；另一方面又可保证路面具有优异的抗滑性、防水性和平整度。然而，目前传统橡胶沥青开普封层还存在以下不足，限制了其广泛利用：
3.(1)开普封层使用效果受施工质量影响显著，其中碎石封层的施工质量影响最为显著，有必要采用高性能沥青胶结料，确保封层石料与沥青间有足够的粘结，使其高温抗车辙性能满足使用要求。
4.(2)传统开普封层主要用作各等级公路预防性养护，典型应用案例是以碎石封层为下层充分吸收荷载应力，顶部采用微表处薄层的双层式结构，厚度一般为2.5～3.0cm。将开普封层应用于新建公路路面的案例不多，且双层式开普结构厚度较小，应力吸收能力及高温抗车辙性能受厚度限制。
5.中国专利《超薄抗裂开普封层路面结构》(申请日：20071116；申请号：cn200720188248.0；公告日：20081001；公开号：cn201125356y)公开了一种超薄抗裂开普封层路面结构，该结构共分4层，从上到下依次由微表处磨耗层、冷玛蹄脂应力吸收层、乳化沥青透层和半刚性基层构成，可减薄路面厚度,节约能源，减轻基层反射裂缝的影响，延长路面使用寿命；但该结构采用低温施工玛蹄脂，粘度不及橡胶沥青，无法保证碎石与冷玛蹄脂的可靠粘结。
6.中国专利《一种路面的开普封层》(申请日：20150128；申请号：cn201520062164.7；公告日:20151028；公开号：cn204728161u)公开了一种开普封层路面，下承层为厚10mm-12mmsbs橡胶双改性沥青碎石封层，面层为5-10mm微表处；中国专利《一种开普封层路面结构》(申请日：20161102；申请号：cn201621171872.5；公告日20170905；公开号：cn206467517u)公开了一种开普封层路面结构，由基层、乳化沥青透层、橡胶沥青碎石封层、sbs改性沥青碎石封层和微表处层组成；中国专利《预养护试验路开普封层的方法》(申请日：20150508；申请号：cn201510231122.6；公开日：20150819；公开号：cn104846715a)公开了一种预养护试验路开普封层，也以sbs橡胶双改性沥青碎石封层为下承层，之后摊铺微表处层形成整体结构；上述三项专利均以橡胶沥青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物sbs作为碎石封层胶结料，其中专利(申请号201621171872.5)采用两种不同改性沥青作为封层胶结料，需设置两种不同的沥青存储和洒布装置，施工组织较困难；且专利(申请号201520062164.7)、(申请号201510231122.6)采用sbs和橡胶粉复合改性沥青作为封层胶结
料，粘度优于冷玛蹄脂沥青，存储稳定性也较好，但sbs掺量和橡胶粉掺量对封层胶结料的高温性能和施工和易性影响很大。sbs、胶粉掺量较低时，不能保证封层结合料具有可靠的粘度和高温性能，掺量过高时胶结料粘度过大，洒布困难。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构，解决了现有技术中存在的高粘度橡胶沥青加工困难，不便于施工时洒布的问题。
8.本发明的目的还提供了一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构的施工方法。
9.本发明所采用的技术方案是，一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构，包括从下到上依次设置的底层、中间层、表层；表层采用改性乳化沥青稀浆混合料，表层铺设厚度为1cm；中间层和底层均铺设厚度为1-2cm碎石封层，碎石封层的胶结料采用聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青。
10.本发明第一种技术方案的特征还在于，
11.聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青包括基质沥青、胶粉、纳米材料，基质沥青：胶粉：纳米材料质量比为75～85:13～19:2～6的比例混合。
12.碎石封层为单粒级碎石，粒径为11～16mm，碎石毛体积密度不小于2.700t/m3，压碎值不大于26％，针片状颗粒含量不大于15％。
13.本发明所采用的第二种技术方案是，一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构的施工方法，具体按照如下步骤实施：
14.步骤1、首先按照常规方法做好下承层，对下承层表面进行清扫，扫毕洒布乳化沥青粘层油；
15.步骤2、进行底层施工；
16.步骤2.1、制备聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青；
17.步骤2.2、将步骤2.1制备的聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青洒布，洒布时保持匀速均匀洒布；
18.步骤2.3、待步骤2.2中增韧橡胶沥青洒布后及时进行集料撒布并碾压。
19.步骤3、进行中间层施工；
20.步骤4、最后进行表层施工。
21.本发明第二种技术方案的特征还在于，
22.步骤2.1具体过程为：按照基质沥青：胶粉：纳米材料质量比为75～85:13～19:2～6的比例将原材料混合，加热至180～195℃，搅拌发育50～60min，使胶粉颗粒充分融胀。
23.步骤2.2的速度为5～10km/h，温度为190℃-200℃，洒布量为1.5-1.6kg/m2；
24.步骤2.3集料采用的碎石提前预热，温度不低于50℃，撒布量18-19kg/m2，覆盖率不小于80％，碎石为单层均匀撒布，采用分幅撒布作业，纵向每幅搭接长度为10～15cm；横向接茬处应用铁板铺在本段起撒点及终点后，宽度为1.0～1.5m；碎石撒布开始后立即碾压，先用2台20t胶轮压路机碾压3遍，压路机行走速度2-3km/h，先慢后快，轮迹重叠30cm；最后采用5-8t钢轮压路机静压1遍；碾压完成1-2h后，采用滚刷式清扫机清扫浮石。
25.步骤3重复步骤2中步骤，制备的聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青进行洒布，再进行集料中的碎石撒布、碾压、清扫浮石作业完毕，进行中间层橡胶沥青碎石封层施工。
26.步骤4具体过程为：
27.步骤4.1、中间层2施工完毕2d后进行表层1施工，首先对当前路面下承层进行清扫，洒水湿润；
28.步骤4.2、选定表层1混合料集料规格、混合料级配类型并进行级配设计，结合拌和试验、湿轮磨耗试验、负荷轮粘砂试验确定最佳乳化沥青用量；在实验室确定设计配合比之后，对稀浆封层机进行标定，根据最佳乳化沥青用量确定骨料门开度和沥青泵转速；
29.步骤4.3、测量放线，利用稀浆封层机进行表层1微表处分幅摊铺施工，做好接缝处理，接缝平直，无高突现象，纵缝搭接宽度不大于8cm，接缝处不出现余料堆积或缺料现象，接缝处不平整度不得大于6mm；
30.步骤4.4、采用6-10t胶轮压路机静压2-3遍，表层1施工温度为10℃-25℃。
31.步骤4.2中混合料集料料源及规格选择5-10mm碎石、3-5mm碎石及0-3mm机制砂。
32.本发明的有益效果是：本发明采用三层式开普路面结构，中间层、底层使用聚合物基纳米复合材料增韧的低掺量橡胶沥青作为封层胶结料，粘度适宜，避免了高粘度橡胶沥青加工困难的缺陷，便于施工时洒布；聚合物基纳米增韧橡胶沥青具有更优良的高温性能，开普封层的抗车辙性能更佳，双层碎石封层既能回收利用更多固体废弃轮胎，具有较高的环保优势，本发明路面既能充分发挥橡胶沥青应力吸收能力，改善反射开裂的病害，同时表层又可保证路面优异的防水性、平整度和抗滑性，具有路用性能优良、施工快捷、经济和环保效益优良的特点，能更好地适应试验段路面与一般路段面层厚度衔接的问题，为重载车辆的通行储备更高的应力吸收能力。
附图说明
33.图1为本发明一种纳米材料增韧橡胶沥青开普路面结构横剖面图；
34.图2为本发明聚合物基碳纳米材料微观形貌图。
35.图中，1.表层，2.中间层，3.底层，4.下承层。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
37.本发明一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构，如图1所示，包括从下到上依次设置的底层3、中间层2、表层1；表层1采用改性乳化沥青稀浆混合料，表层1铺设厚度为1cm；中间层2和底层3均铺设厚度为1-2cm碎石封层，碎石封层的胶结料采用聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青，聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青包括基质沥青、胶粉、纳米材料，基质沥青：胶粉：纳米材料质量比为75～85:13～19:2～6的比例混合。
38.其中，碎石封层为单粒级碎石，粒径为11～16mm，碎石毛体积密度不小于2.700t/m3，压碎值不大于26％，针片状颗粒含量不大于15％，与基质沥青的粘附性等级不低于4级。
39.基质沥青采用a级70#道路石油沥青，25℃针入度为60～80，测量精度为
±
0.1mm，环球法测定的软化点不小于46℃，25℃延度不小于100cm。
40.胶粉细度为30～60目，掺量不大于10％，灰分不超过8％，丙酮抽出物不超过16％，炭黑不低于28％，橡胶烃不低于48％，含水量﹤1％，金属含量﹤0.03％，纤维含量﹤1％。
41.纳米材料采用将碳纳米材料预先分散在树脂中制成的功能母粒，解决纳米材料在
沥青介质中分散困难的问题，避免在生产过程中产生大量粉尘，有利于施工人员健康和环境保护，大大降低试验成本。利用低剂量聚合物基纳米材料对其进行增韧，粘度适当、成本可控、存储稳定性佳、高温抗车辙性能优良。
42.本发明一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构的施工方法，具体按照如下步骤实施：
43.步骤1、为保证开普路面与下承层4可靠粘结，在施工前须对下承层4进行彻底清扫，扫毕洒布乳化沥青粘层油，并应严格管制交通，防止污染。
44.步骤2、进行底层3施工；
45.步骤2.1、制备聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青
46.步骤2.1具体过程为：按照基质沥青：胶粉：纳米材料质量比为75～85:13～19:2～6的比例将原材料混合，加热至180～195℃，搅拌发育50～60min，使胶粉颗粒充分融胀，在此过程中保持熔融沥青温度的均匀和稳定。
47.步骤2.2、将步骤2.1制备的增韧橡胶沥青洒布，洒布时保持匀速均匀洒布，速度为5～10km/h，温度为190℃-200℃，洒布量为1.5-1.6kg/m2；
48.步骤2.3、待步骤2.2中聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青洒布后及时进行集料撒布并碾压，避免影响增韧橡胶沥青与集料间的粘结；
49.集料采用的碎石提前预热，温度不低于50℃，撒布量18-19kg/m2，覆盖率不小于80％，碎石为单层均匀撒布，采用分幅撒布作业，纵向每幅搭接长度为10～15cm，避免搭接处漏洒导致空白；横向接茬处应用铁板铺在本段起撒点及终点后，宽度为1.0～1.5m。碎石之间的最大间隙小于碎石最大粒径，不得出现重叠、漏撒、碎石滚落、弹跳的现象，局部撒布不足时人工补撒。碎石撒布开始后立即碾压，先用2台20t胶轮压路机碾压3遍，压路机行走速度2-3km/h，先慢后快，轮迹重叠30cm；最后采用5-8t钢轮压路机静压1遍；碾压完成1-2h后，采用滚刷式清扫机清扫浮石。
50.步骤3、进行中间层2施工；
51.步骤3重复步骤2中步骤，制备聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青进行洒布，再进行集料中的碎石撒布、碾压、清扫浮石作业完毕，进行中间层橡胶沥青碎石封层施工。
52.步骤4、最后进行表层1施工。
53.步骤4.1、中间层2施工完毕2d后进行表层1施工，首先对当前路面下承层进行清扫，洒水湿润；
54.步骤4.2、选定表层1混合料集料料源及规格、混合料级配类型并进行级配设计，结合拌和试验、湿轮磨耗试验、负荷轮粘砂试验确定最佳乳化沥青用量；在实验室确定设计配合比之后，对稀浆封层机进行标定，根据最佳乳化沥青用量确定骨料门开度和沥青泵转速。
55.混合料集料料源及规格选择5-10mm碎石、3-5mm碎石及0-3mm机制砂。
56.步骤4.3、测量放线，利用稀浆封层机进行表层1微表处分幅摊铺施工，做好接缝处理，接缝平直，无高突现象，纵缝搭接宽度不大于8cm，接缝处不出现余料堆积或缺料现象，接缝处不平整度不得大于6mm；
57.步骤4.4、采用6-10t胶轮压路机静压2-3遍，以改善表层1的封水性，加速表层1微表处混合料固化；表层1施工温度为10℃-25℃，雨天禁止施工，摊铺后未成形混合料遇雨时铲除。
58.摊铺完成后2h内为早期养护期，严格进行交通管制，禁止一切车辆和行人进入，待乳化沥青固化完成后即可开放交通。
59.本发明的中间层2、底层1采用聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青作为封层胶结料，胶粉掺量低，粘度适宜，避免了高粘度橡胶沥青加工困难的缺陷，便于洒布作业，同时具有更优良的高温抗车辙性能；三层式开普路面结构作为重交通等级路面面层使用，在为重载车辆通行储备更高应力吸收能力的前提下，能更好地适应与一般路段面层厚度衔接的问题。
60.实施例1
61.本实施例依托2019年甘肃省庆阳市板桥至小园子二级公路改建工程实施，以三层式开普封层结构代替原设计沥青路面下面层，实施长度100m，路面宽度8.5m。
62.施工前先准备所需原材料，包括基质沥青、废旧轮胎回收橡胶粉、纳米材料、改性乳化沥青、碎石、细集料、水泥、水等备用，并进行原材料性能检测，合格后方可进行下一步工作；并准备各结构层施工所需的机械设备，如：沥青洒布车、集料撒布机、胶轮压路机、钢轮压路机、滚刷式清扫机、稀浆封层机。
63.本实施例中增韧橡胶沥青的纳米材料采用的是将碳纳米材料预先分散在树脂中制成的功能母粒，基体树脂为高密度聚丙乙烯hdpe 5000s，有效碳纳米材料含量20wt.％，电阻率1.欧姆厘米，呈黑色圆柱状颗粒，直径约3mm，高4mm，微观形貌如图2所示；基质沥青采用sk70
#
道路石油沥青，胶粉采用为湖北某公司生产道路用废旧轮胎回收橡胶，使用低温粉碎法加工为细度为40目道路用胶粉。中间层2、底层1采用双层碎石封层能回收利用更多固体废弃轮胎，具有较高的环保优势。碎石封层撒布用集料采自庆阳市太阳山，由陕西华腾纳米科技有限公司供应，碎石规格11-16mm，为单一粒径集料。
64.表层1混合料采用bcr型改性乳化沥青拌制，ms-3型级配，改性剂为sbr胶乳，现场乳化改性。
65.本发明一种纳米增韧橡胶沥青开普路面结构的施工方法，具体按照如下步骤实施：
66.步骤1、首先对下承层4表面进行清扫，扫毕洒布乳化沥青粘层油；
67.步骤2、进行底层3施工；
68.步骤2.1、制备聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青；
69.步骤2.1具体过程为：按照基质沥青：胶粉：纳米材料质量比为75：13：2的比例将原材料混合，加热至190℃，搅拌发育1h，使胶粉颗粒充分融胀；制备的增韧橡胶沥青177℃brookfield旋转粘度不大于1.5pa.s，软化点(环球法)不小于50℃，延度(15℃)不小于20cm，弹性恢复(25℃)不小于60％。
70.步骤2.2、将步骤2.1制备的聚合物基纳米复合材料增韧橡胶沥青洒布，洒布时保持匀速均匀洒布，速度为5km/h，温度为190℃，洒布量为1.5kg/m2；
71.步骤2.3、待步骤2.2中增韧橡胶沥青洒布后及时进行集料撒布并碾压，避免影响增韧橡胶沥青与集料间的粘结；
72.集料采用的碎石提前预热，温度50℃，撒布量18kg/m2，覆盖率为80％，碎石为单层均匀撒布，采用分幅撒布作业，纵向每幅搭接长度为10cm，避免搭接处漏洒导致空白；横向接茬处应用铁板铺在本段起撒点及终点后，宽度为1.0m。碎石之间的最大间隙小于碎石最
大粒径，不得出现重叠、漏撒、碎石滚落、弹跳的现象，局部撒布不足时人工补撒。碎石撒布开始后立即碾压，先用2台20t胶轮压路机碾压3遍，压路机行走速度2km/h，先慢后快，轮迹重叠30cm；最后采用5t钢轮压路机静压1遍；碾压完成1h后，采用滚刷式清扫机清扫浮石。
73.步骤3、进行中间层2施工；
74.将步骤2制备的增韧橡胶沥青洒布，洒布时保持匀速均匀洒布，速度为10km/h，温度为200℃，洒布量为1.6kg/m2；增韧橡胶沥青洒布后及时进行集料撒布并碾压，避免影响增韧橡胶沥青与集料间的粘结；集料采用的碎石提前预热，温度为60℃，撒布量19kg/m2，覆盖率为90％，碎石为单层均匀撒布，采用分幅撒布作业，纵向每幅搭接长度为15cm，避免搭接处漏洒导致空白；横向接茬处应用铁板铺在本段起撒点及终点后，宽度为1.5m。碎石之间的最大间隙小于碎石最大粒径，不得出现重叠、漏撒、碎石滚落、弹跳的现象，局部撒布不足时人工补撒。碎石撒布开始后立即碾压，先用2台20t胶轮压路机碾压3遍，压路机行走速度3km/h，先慢后快，轮迹重叠30cm；最后采用8t钢轮压路机静压1遍；碾压完成2h后，采用滚刷式清扫机清扫浮石。
75.步骤4、最后进行表层1施工。
76.步骤4.1、中间层2施工完毕2d后进行表层1施工，首先对当前路面下承层进行清扫，洒水湿润；
77.步骤4.2、选定表层1混合料集料规格、混合料级配类型并进行级配设计，结合拌和试验、湿轮磨耗试验、负荷轮粘砂试验确定最佳乳化沥青用量；在实验室确定设计配合比之后，对稀浆封层机进行标定，根据最佳乳化沥青用量确定骨料门开度和沥青泵转速。
78.混合料集料料源及规格选择5mm碎石、3mm碎石及2mm机制砂。
79.步骤4.3、测量放线，利用稀浆封层机进行表层1微表处分幅摊铺施工，做好接缝处理，接缝平直，无高突现象，纵缝搭接宽度为8cm，接缝处不出现余料堆积或缺料现象，接缝处不平整度为6mm；
80.步骤4.4、采用6-10t胶轮压路机静压3遍，表层1施工温度为10℃-25℃，雨天禁止施工，摊铺完成后2h内为早期养护期，严格进行交通管制，禁止一切车辆和行人进入，待乳化沥青固化完成后开放交通。
81.本发明以改性乳化沥青微表处表层1、双层增韧橡胶沥青碎石封层组合，直接用作各种交通等级新建、改建公路的路面面层，为重载车辆的通行储备更高的应力吸收能力，具有路用性能优良、施工快捷、经济和环保效益优良的特点。