瀝青纖維薄層罩面技術組成材料及配合比設計研究

劉劍剛??

【摘要】針對瀝青纖維薄層罩面技術組成材料及性能要求進行深入探討，深入分析纖維瀝青封層的結構特點及罩面類型的選擇，在此基礎上，系統分析了瀝青纖維薄層罩面技術材料選擇及配合比設計，為瀝青纖維增強封層原材料優選和組成設計優化提供理論依據及技術支撐。

【關鍵詞】瀝青纖維;薄層罩面;材料選擇;配合比設計

Thin asphalt overlay technology fiber composition of materials and Mix Design Research

Liu Jian-gang

（Pingdingshan Highway Administration Central LaboratoryPingdingshanHenan467000）

【Abstract】In depth for a thin layer of asphalt overlay technology fiber composition of the material and performance requirements， in-depth analysis of the structural characteristics of fiber asphalt seal coat and overlay type of selection， on this basis， the system analyzes the thin asphalt overlay technology fiber material selection and mix design for asphalt sealing layer of fiber reinforced materials selection and design optimization of the composition provides a theoretical basis and technical support.

【Key words】Pitch fibers;Thin overlay;Material selection;Mix Design

1. 引言

薄層罩面是指適于鋪筑介于傳統的磨耗層（如40～50mm的瀝青混凝土、SMA或多孔瀝青等）和石屑封層（如6～14mm的表面處治或稀漿封層）之間的材料[1]。厚度一般為15～30mm，在一定程度上可以調整原路面的不平整度，但它必須鋪在結構強度足夠的下承路面上。據法國標準NFP98～137的定義[2]，非常薄面層（BBTM）的厚度為20～25mm;超薄面層（BBUM）的厚度為15～25mm。薄層罩面具有延長路面壽命、改善行駛質量、增加抗滑性和降低噪音等性能，且施工方便、厚度薄、造價低等優點，它逐漸發展成為一種很有前途的高等級公路養護罩面型式[3]。

2. 薄層罩面的選取

薄層罩面瀝青混合料的種類很多，常用的有密實瀝青混凝土（AC）、開級配磨耗層（OGFC）、瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）、多碎石瀝青混凝土（SAC），對罩面層混合料類型的選擇是罩面中需要解決的重要技術問題。

2.1密實瀝青混凝土（AC）面層。

AC通常是連續型密級配，屬于密實——懸浮結構，設計空隙率一般為3～5%，這種混合料中含有大量細料，粗料數量較少，且相互間沒有接觸，不能形成骨架，粗集料在混合料中呈懸浮狀態，易離析，施工時易于壓實。這種混合料粘結力較高、內摩阻力較小，故這種面層受瀝青性質影響較大，高溫穩定性較差，在高溫、重載交通、渠化交通的作用下路面出現車轍的幾率較大，水穩定性、抗滑性能等方面較差，比較容易損壞。

2.2開級配磨耗層（OGFC）面層。

OGFC（Open Graded Friction Courses）是指用大空隙瀝青混凝土鋪筑的能迅速從結構層內部排走路表雨水，具有防滑、抗車轍及降低噪音，減少濺水和水霧等功能的面層，也有國家稱其為透水瀝青面層（PA）或多空隙瀝青混凝土表面層（PAWC），這種面層混凝土屬于骨架——空隙結構，壓實后一般具有 18～25%的空隙率，具有良好的表面特性，抗滑和高溫穩定性能較好，缺點是空隙率較大使瀝青老化加快，影響路面耐久性，加之路面空隙易被灰塵、污物堵塞，從而影響路面的預期功能，目前在美、日等國家使用較多，我國現在這種技術還不成熟，沒有大范圍推廣。

2.3瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）面層。

SMA（Stone Mastic Asphalt）是上世紀 60 年代初德國為減少帶釘輪胎對于路面的磨耗而開發出的一種斷級配骨架——密實型瀝青混凝土。SMA 同常規混凝土相比有“三多一少”的特點，即粗集料、礦粉和瀝青含量多，細集料含量少。SMA 兼顧了路用性能的各個方面，如：抗轍槽能力強、抗滑性能好、抗磨耗能力強、老化慢、早期裂縫少、耐久性好。因此，在我國得到大力推廣，技術已經比較成熟。

2.4多碎石瀝青混凝土（SAC）面層。

（1）SAC 屬于一種斷級配骨架密實型混凝土。使用經驗表明，在礦料顆粒組成變異性較小的情況下，SAC 空隙率小，可以提供良好的摩擦系數、表面構造深度及抗轍槽能力。SAC 自1988 年至今在高速公路上已鋪筑了1500 多公里，使用中也暴露了一些問題，主要是有些路段通車后出現了明顯的早期水損壞，一些路段上程度不同地發生泛油現象，使表面構造深度明顯下降，抗滑能力減小[4]。

（2）通過對常用幾種混合料進行對比分析，發現 SMA 的高溫穩定性、低溫抗裂性、耐疲勞性能和抗滑性能都要優于 SAC;SMA 路面的抗滑能力、抗疲勞性、耐水損害的能力都要優于AC;OGFC 的高溫性能及抗滑、降噪等各種表面功能有所提高，但是以犧牲路面的耐久性和抗裂性能為代價，且這種技術在我國的推廣應用受到限制。基于上述分析比較，最終選擇 SMA-10作為纖維增強封層的薄層罩面進行研究。

3. 組成材料選取

3.1瀝青結合料。

薄層罩面 SMA 混合料對瀝青結合料的質量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要，有較高的粘度，符合一定的要求，以保證有足夠的高溫穩定性和低溫抗裂性。在我國，要求必須采用符合“重交通道路瀝青技術要求”[5]，但并不強制要求使用改性瀝青。由于SMA瀝青用量較多，易引起泛油，故多采用稠度較大（較硬）一些瀝青。薄層瀝青罩面具有較大的空隙，與一般的瀝青混凝土相比，更易受日光、空氣、水等的影響，因此要求使用的瀝青對集料有耐久性的包裹力、高粘附性，同時還要有較強的抗剝離性，能以較厚的薄膜包裹集料等各種高性能，因此一般采用軟化點和粘度指標較高的改性瀝青。本文選用 SBS 改性瀝青，其各項指標見表 1。

3.2集料。

3.2.1粗集料。

從 SMA 成型機理可知，它之所以有較高的高溫穩定性，是基于含量較多的粗集料之間的嵌擠作用，嵌擠作用的好壞在很大程度上取決于集料石質的堅韌性、顆粒形狀和棱角性。用于薄層罩面 SMA 的粗集料應均勻、潔凈、干燥、無風化、無雜質，并且有足夠的強度、耐磨耗性、抗凍性、耐腐蝕性、抗沖擊性、耐磨光性、抗破碎性以及與瀝青良好的粘附性，必須符合抗滑表層混合料的技術要求，必須嚴格限制集料的扁平顆粒含量[6];所使用的碎石不能用顎板式軋石機破碎，要用捶擊式或錘式碎石機破碎。粗集料最好玄武巖或花崗巖等硬質石料，且要保證與瀝青具有較好的粘附性。本文選用玄武巖，為了減小試驗誤差，所用碎石全部采用單一粒徑并水洗后備用，依據《公路工程集料試驗規程（JTG E42-2005）》對各粒徑碎石進行試驗，粗集料（粒徑≥2.36mm）各項常規指標試驗結果見表2。

3.2.2細集料。

細集料在 SMA 中占很少比例，但對其性能影響卻不小，天然砂、石屑和機制砂都可用于混合料，但性能差別很大。天然砂經過多年的風化、搬運，一般比較堅硬，耐久性較好，但顆粒基本上是球形顆粒，與瀝青粘附性差，對高溫抗車轍能力不利;石屑是破碎石料時的下腳料，其中扁平顆粒含量較高，且強度較差，故要限制其使用;機制砂有良好的棱角性和嵌擠性能，對提高高溫穩定性有利。細集料應潔凈、干燥、無風化和雜質。本論文采用玄武巖機制砂，為了減少顆粒級配不穩定帶來的誤差，所用機制砂全部采用單一粒徑并水洗烘干后備用。依據《公路工程集料試驗規程（JTG E42-2005）》進行試驗，其各粒徑主要指標試驗結果如表3 所示。

3.2.3填料。

填料通常指礦粉，有時還用水泥、消石灰、粉煤灰替代礦粉。礦粉在瀝青混合料中的作用至關重要，瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對粗、細集料產生粘附作用。礦粉必須采用石灰巖或巖漿巖中的強基性巖石等憎水性石料磨細得到，礦粉應干燥、潔凈、不含雜質[7]。本文采用石灰巖磨細礦粉，依據《公路工程集料試驗規程（JTG E42-2005）》進行試驗，其質量要求如表 4所示。

表3細集料質量要求

3.3纖維。

在 SMA 混合料中一般摻加纖維作為穩定劑，NCAT 的研究表明，摻加纖維防止瀝青析漏的功效比聚合物改性瀝青的效果要好的多[8]，纖維的主要作用有：加筋作用、分散作用、吸附及吸收瀝青的作用、穩定作用和增粘作用。本研究采用松散的絮狀木質素纖維作為穩定劑，它是天然木材經過化學處理得到的有機纖維，在通常條件下是化學上非常穩定的物質，不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕，具有無毒、無味、無污染、無放射性的優良品質，不影響環境，對人體無害，屬綠色環保產品，這是其它礦物質素纖維所不具備的，且比較經濟實惠，得到了廣泛應用。木質素纖維的質量檢測結果見表 5。

表5木質素纖維試驗結果

3.4薄層罩面的配合比設計。

（1）瀝青混合料配合比設計主要包括礦料級配與最佳瀝青用量的確定兩部分。SMA配合比設計主要包括集料骨架和瀝青瑪蹄脂填充料的設計。不同的礦料級配構成不同的骨架結構，SMA 屬于骨架——密實型結構，這種瀝青混合料具有較高的粘結力和內摩阻力，強度構成主要來源于瀝青結合料的粘結力和集料間的內摩阻力，故SMA在集料和瀝青結合料的選用上有一定的要求[9]。在級配的選擇上，由于薄層罩面的特殊性，SMA-10級配范圍在《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）基礎上稍作調整（LSMA），增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄層罩面類型的級配范圍見表6。

表6SMA-10級配范圍

（3）因此，采用馬歇爾試驗設計方法 SMA 瀝青混合料的最佳油石比為6.0%，并采用謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗對瀝青混合料性能進行檢驗，其試驗結果見表8。

表8析漏、飛散試驗結果

（4）由上述檢驗結果可知，其析漏、飛散指標均滿足規范要求，故最終確定 SMA瀝青混合料最佳油石比為6.0%。

（5）瀝青路面的路用性能主要包括高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、抗滑性等。只有保證路面具有優良的路用性能，才能使路面經久耐用、運行安全和舒適。薄層罩面SMA-10的路用性能試驗結果如表9。

表9薄層罩面SMA-10的路用性能試驗結果

t： minor-fareast;mso-hansi-font-family：Calibri;mso-hansi-theme-font：minor-latin'>，增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄層罩面類型的級配范圍見表6。

表6SMA-10級配范圍

（6）由上述試驗結果可知，路用性能指標均滿足規范要求，因此，薄層罩面的配合比設計滿足要求。

4. 小結

（1）通過對常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進行對比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時對薄層罩面 SMA-10 的原材料進行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

（2）通過對薄層罩面SMA進行馬歇爾試驗及路用性能檢驗進行配合比設計，確定SMA-10的級配范圍和瀝青用量。

（3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術材料優選及組成設計優化提供理論依據及技術支撐。

參考文獻

[1]長安大學、陜西省公路局.瀝青路面抗滑表層技術研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]劉少偉等.五種方案薄層瀝青混凝土罩面試驗段的比較分析和評價[C].中國公路學會學術年會論文集.2005.

[4]沙慶林.瀝青面層的技術狀況和發展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]張玉富，楊瑞華，許志鴻.SMA 和 SAC 的路用性能比較[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養護罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級配組成及路用性能的研究[D]西安：長安大學碩士學位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設計與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛柔復合式路面界面層強度特性試驗研究[J].現代交通技術，2009.4（6）：1～3.

[基金項目]河南省2013年科技發展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術工作。

4. 小結

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?? （2）通過對薄層罩面SMA進行馬歇爾試驗及路用性能檢驗進行配合比設計，確定SMA-10的級配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術材料優選及組成設計優化提供理論依據及技術支撐。

參考文獻

[1]長安大學、陜西省公路局.瀝青路面抗滑表層技術研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]劉少偉等.五種方案薄層瀝青混凝土罩面試驗段的比較分析和評價[C].中國公路學會學術年會論文集.2005.

[4]沙慶林.瀝青面層的技術狀況和發展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]張玉富，楊瑞華，許志鴻.SMA 和 SAC 的路用性能比較[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養護罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級配組成及路用性能的研究[D]西安：長安大學碩士學位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設計與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛柔復合式路面界面層強度特性試驗研究[J].現代交通技術，2009.4（6）：1～3.

[基金項目]河南省2013年科技發展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術工作。

4. 小結

?? （1）通過對常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進行對比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時對薄層罩面 SMA-10 的原材料進行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

?? （2）通過對薄層罩面SMA進行馬歇爾試驗及路用性能檢驗進行配合比設計，確定SMA-10的級配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術材料優選及組成設計優化提供理論依據及技術支撐。

參考文獻

[1]長安大學、陜西省公路局.瀝青路面抗滑表層技術研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]劉少偉等.五種方案薄層瀝青混凝土罩面試驗段的比較分析和評價[C].中國公路學會學術年會論文集.2005.

[4]沙慶林.瀝青面層的技術狀況和發展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]張玉富，楊瑞華，許志鴻.SMA 和 SAC 的路用性能比較[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養護罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級配組成及路用性能的研究[D]西安：長安大學碩士學位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設計與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛柔復合式路面界面層強度特性試驗研究[J].現代交通技術，2009.4（6）：1～3.

[基金項目]河南省2013年科技發展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術工作。

4. 小結

?? （1）通過對常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進行對比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時對薄層罩面 SMA-10 的原材料進行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

?? （2）通過對薄層罩面SMA進行馬歇爾試驗及路用性能檢驗進行配合比設計，確定SMA-10的級配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術材料優選及組成設計優化提供理論依據及技術支撐。

參考文獻

[1]長安大學、陜西省公路局.瀝青路面抗滑表層技術研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]劉少偉等.五種方案薄層瀝青混凝土罩面試驗段的比較分析和評價[C].中國公路學會學術年會論文集.2005.

[4]沙慶林.瀝青面層的技術狀況和發展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]張玉富，楊瑞華，許志鴻.SMA 和 SAC 的路用性能比較[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養護罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級配組成及路用性能的研究[D]西安：長安大學碩士學位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設計與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛柔復合式路面界面層強度特性試驗研究[J].現代交通技術，2009.4（6）：1～3.

[基金項目]河南省2013年科技發展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

[文章編號]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術工作。