超薄磨耗層相關(guān)研究
——小粒徑骨架密實(shí)型級(jí)配構(gòu)造深度研究

周驍琛

（上海城建日瀝特種瀝青有限公司，上海市201417）

0 引言

瀝青路面在通車(chē)使用一段時(shí)間后，路表面的粗糙度或構(gòu)造深度將會(huì)衰減，縱向平整度、橫向平整度會(huì)降低。特別是高度渠化交通的高速公路，將影響道路的行車(chē)使用及安全性能。在未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性病害的情況下，恢復(fù)改善高速公路的表面功能，并在一定程度上，增加高速公路的使用壽命，則需采用一定的預(yù)養(yǎng)護(hù)措施。

常用的預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)為：微表處、稀漿封層、開(kāi)普封層、霧封層、碎石封層、薄層罩面等等。但在高速公路、高等級(jí)公路對(duì)路面的功能性及使用壽命的高要求下，使得有些預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的使用效果并不佳。超薄磨耗層技術(shù)，因其較高的路用性能、較長(zhǎng)的使用壽命越來(lái)越受到推崇。

超薄磨耗層雖然有其他預(yù)養(yǎng)護(hù)工法比擬不上的性能優(yōu)勢(shì)，但其本質(zhì)上仍然是一層功能層，非結(jié)構(gòu)層。原路面若有結(jié)構(gòu)性損傷，則不適合進(jìn)行薄層加罩。薄層通常為熱拌薄層混合料+乳化瀝青粘層油的組合結(jié)構(gòu)。粘層油必須要有夠高的粘結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，才能使薄層避免受到層間損壞。薄層鋪裝厚度一般為0.8～2.5 cm。這是因?yàn)椤稙r青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)熱拌熱鋪密級(jí)配瀝青混合料，瀝青層一層的壓實(shí)厚度不宜小于集料公稱(chēng)最大粒徑的2.5～3倍，對(duì)SMA和OGFC等嵌擠型混合料不宜小于公稱(chēng)最大粒徑的2～2.5倍，故超薄磨耗層的級(jí)配一般選擇小粒徑級(jí)配，級(jí)配最大公稱(chēng)粒徑基本為10 mm以下。

超薄磨耗層作為功能層，雖然不似結(jié)構(gòu)層需要很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗變形能力，但表面層所需要的抗滑抗噪特性則極為需要。另外作為表面層也需避免出現(xiàn)水損害，骨料松散等早期破壞。這也就意味著薄層混合料的性能仍然有一定的要求，部分性能的要求甚至要高于普通的瀝青混合料，故薄層混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)仍然需要通過(guò)精心的研究。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1.1 德國(guó)

德國(guó)在上世紀(jì)60年代中期，因?yàn)橐朔缆返目管?chē)轍問(wèn)題，將原有的澆注式類(lèi)型路面改進(jìn)成SMA類(lèi)型路面。其很好地解決了瀝青路面的一些早期病害（如車(chē)轍，水損害），同時(shí)其較大的表面紋理又保證了其抗滑性，使得其快速在全世界應(yīng)用開(kāi)來(lái)。如今德國(guó)SMA級(jí)配最大公稱(chēng)粒徑為5 mm、8 mm、11 mm3種，且較多地使用到小粒徑級(jí)配進(jìn)行薄層SMA鋪裝。鋪裝厚度為2～3 cm，可以說(shuō)薄層SMA鋪裝在德國(guó)及部分周邊國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。

1.2 美國(guó)

美國(guó)的薄層鋪裝歷史較久遠(yuǎn)，從20世紀(jì)50年代使用開(kāi)級(jí)配磨耗層OGFC，厚度1.5～2 cm，改進(jìn)了碎石封層的一些問(wèn)題，諸如碎石飛散等。在1992美國(guó)從法國(guó)引進(jìn)了專(zhuān)用的設(shè)備，鋪筑了Novachip超薄磨耗層。其為粗集料斷級(jí)配類(lèi)型，空隙率小于OGFC，為 13%～18%，鋪筑厚度為 1～2 cm，其逐漸成為美國(guó)路面修復(fù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最優(yōu)推薦方案。到了2002年，美國(guó)已有26個(gè)州使用了Novahip超薄罩面技術(shù)。級(jí)配范圍見(jiàn)表1所列。

表1 Novachip 9.5級(jí)配范圍一覽表

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)薄層罩面研究起步較晚，在上世紀(jì)80年代的時(shí)候，我國(guó)鋪設(shè)了很多厚度僅為2 cm的熱拌瀝青混合料罩面。因?yàn)r青品質(zhì)及級(jí)配問(wèn)題，這種薄層類(lèi)型的路面往往構(gòu)造深度低，路用性能也不理想。

2003年我國(guó)引進(jìn)Novachip專(zhuān)用設(shè)備在廣韶高速公路的車(chē)轍病害維修中鋪筑了2 km的試驗(yàn)路。然后在河南的安新路、廣東的河惠路及京珠高速公路粵境南段均有Novachip的應(yīng)用路段。近些年，浙江與北京高速也有了大規(guī)模應(yīng)用。廣東華南理工大學(xué)虞將苗教授在成熟的NOVACHIP技術(shù)體系上再進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了厚度僅為1cm的超薄瀝青路面，還使用了高粘高彈瀝青及SBS改性乳化瀝青保證了混合料的耐久性。凌天清教授開(kāi)發(fā)了低噪聲橡膠瀝青薄層罩面，其厚度為1.5 cm，使用了開(kāi)級(jí)配設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的排水抗噪特性。東南大學(xué)倪富健教授也研究了ECA易密實(shí)混凝土，為間斷級(jí)配類(lèi)型，在江西及浙江高速公路大規(guī)模應(yīng)用，并且應(yīng)用情況良好.

總結(jié)下來(lái)，在吸收了國(guó)外的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)之后，并且在早期的挫折教訓(xùn)之后，我國(guó)逐漸對(duì)薄層加罩有了很多的認(rèn)識(shí)，研發(fā)了很多不錯(cuò)的產(chǎn)品。若按級(jí)配分類(lèi)的話，可分為：間斷級(jí)配SMA、AC、ECA、SAC，連續(xù)級(jí)配 AC，開(kāi)級(jí)配 NOVACHIP、OGFC等等。這些級(jí)配有不同的特點(diǎn)，有不同的性能優(yōu)勢(shì)。前文已提出超薄磨耗層作為功能層，所要體現(xiàn)的關(guān)鍵性能（抗滑，抗飛散等），有更高的要求。故級(jí)配的選擇應(yīng)遵循這些關(guān)鍵性能而定。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 不同級(jí)配薄層混合料性能比較

前文已經(jīng)介紹了國(guó)內(nèi)外薄層混合料。現(xiàn)選出不同粒徑不同級(jí)配的混合料進(jìn)行比較，用特種SBS改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，對(duì)SMA-10,ECA-10,OGFC-10,NOVACHIP-10,AC-10,SMA-5,AC-5,OGFC-5進(jìn)行性能比較。幾種混合料空隙率與穩(wěn)定度見(jiàn)表2所列。

從表2可以看出：-5類(lèi)型級(jí)配穩(wěn)定度略高于-10類(lèi)型級(jí)配，空隙率較大的開(kāi)級(jí)配類(lèi)型穩(wěn)定度越低。

（1）高溫穩(wěn)定性：用車(chē)轍試驗(yàn)比較各薄層級(jí)配高溫穩(wěn)定性,見(jiàn)圖1所示。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

從圖1中可以看出，-5級(jí)配比他同類(lèi)型的-10級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度低，而間斷級(jí)配與開(kāi)級(jí)配類(lèi)型要比連續(xù)級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度高，其中ECA-10動(dòng)穩(wěn)定最高，其增加了6.7 mm篩孔控制，增多了粗集料比例，使其比同為間斷級(jí)配SMA類(lèi)型的動(dòng)穩(wěn)定度還要高。

（2）水穩(wěn)定性：用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比比較，見(jiàn)圖2所示。

從圖2中可以看出，混合料抗水損性能各級(jí)配都能大于75%，且雖然空隙率較低的AC與SMA類(lèi)型混合料最優(yōu)，但是也相差不大。抗水損性能與石料品質(zhì)及瀝青膜厚也有非常大的關(guān)系，不僅僅受級(jí)配類(lèi)型的影響。故在優(yōu)良的瀝青及石料下，混合料的水穩(wěn)定性都能得到保證。

抗飛散損失：用肯塔堡飛散損失率比較，見(jiàn)圖3所示。

圖2 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖3 肯塔堡分散損失率實(shí)驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

從圖3中可以看出，混合料肯塔堡飛散損失率與級(jí)配的空隙率關(guān)系很大，開(kāi)級(jí)配的混合料抗飛散損失率較差。粒徑變小后，抗飛散損失率有了一定的減少。

（3）抗滑性能：用構(gòu)造深度比較，見(jiàn)圖4所示。

圖4 構(gòu)造深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

從圖4中可以看出，開(kāi)級(jí)配類(lèi)混合料構(gòu)造深度最高，間斷級(jí)配構(gòu)造深度優(yōu)于連續(xù)級(jí)配，粒徑變小后構(gòu)造深度也隨之降低。

分析如下：

（1）粒徑變小，混合料高溫性能與構(gòu)造深度變小，肯塔堡反散損失下降。

（2）間斷級(jí)配在高溫穩(wěn)定性及構(gòu)造深度上優(yōu)于連續(xù)級(jí)配。開(kāi)級(jí)配抗飛散能力較弱，故容易發(fā)生骨料飛散。從結(jié)果上來(lái)看，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合性能優(yōu)秀，但是當(dāng)使用小粒徑級(jí)配時(shí)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造深度仍不足。

綜上所述，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)綜合性能最為優(yōu)秀，但是構(gòu)造深度不足，需優(yōu)化。而級(jí)配設(shè)計(jì)中各篩孔通過(guò)率，油石比，纖維參量等等都會(huì)對(duì)混合料的構(gòu)造深度產(chǎn)生影響，故研究這些因素中哪一個(gè)能顯著影響混合料的構(gòu)造深度，找到關(guān)鍵的控制點(diǎn)，從而能夠改進(jìn)小粒徑骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)造深度不足的弱點(diǎn)。

3.2 級(jí)配篩孔通過(guò)率與構(gòu)造深度的關(guān)系研究

建立正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表，采用4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm篩孔通過(guò)率作為影響因素，每個(gè)因素采用三個(gè)水平值。水平值以骨架密實(shí)級(jí)配SMA-10級(jí)配中值為基礎(chǔ)，4.75 mm通過(guò)率選用（42±3）%，2.36 mm通過(guò)率選用（25±3）%，0.075 mm通過(guò)率選用（10±1.5）%。

以固定油石比，纖維成型混合料，然后測(cè)量構(gòu)造深度。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 構(gòu)造深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果一覽表

進(jìn)行極差分析后，證明2.36 mm篩孔為3種篩孔中最顯著影響構(gòu)造深度的因素。其降低一定的百分點(diǎn)，構(gòu)造深度有明顯的提高，故在做薄層級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，為得到更佳的構(gòu)造深度，優(yōu)先調(diào)整2.36 mm篩孔通過(guò)率是最可行的辦法。

增加額外篩孔，研究粗集料級(jí)配組成變化對(duì)構(gòu)造深度的影響。

增加6.7 mm篩孔與8 mm篩孔，調(diào)整6.7 mm，8 mm篩孔，固定其他篩孔通過(guò)率，觀察構(gòu)造深度變化，見(jiàn)表4所列。

表4 額外篩孔對(duì)構(gòu)造深度的影響一覽表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，8 mm及6,7 mm通過(guò)率的改變，在固定關(guān)鍵篩孔2.36 mm通過(guò)率時(shí)，對(duì)構(gòu)造深度幾乎沒(méi)有影響。

3.3 纖維摻量與構(gòu)造深度的關(guān)系研究

纖維摻量對(duì)構(gòu)造深度的影響，見(jiàn)圖5所示。

圖5 纖維對(duì)構(gòu)造深度的影響曲線圖

由圖5可以看出，纖維變化對(duì)構(gòu)造深度影響不大，增加纖維摻量反而使構(gòu)造深度有略微提高，但是纖維摻量的增多幾乎不對(duì)空隙率造成影響，故可能是纖維作為瀝青吸收劑，吸收了一部分瀝青，而使表面構(gòu)造深度增大。

3.4 油石比與構(gòu)造深度的關(guān)系研究

油石比對(duì)構(gòu)造深度的影響，見(jiàn)圖6所示。

圖6 油石比對(duì)構(gòu)造深度的影響曲線圖

從圖6中可以看出，油石比與構(gòu)造深度無(wú)明顯關(guān)系。

原因是隨著關(guān)鍵篩孔通過(guò)率固定，則空隙率不會(huì)隨油石比少量變化而有明顯變化，若加入的油量沒(méi)有因過(guò)量而發(fā)生泛油，則不會(huì)對(duì)構(gòu)造深度有太大的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)各級(jí)配性能試驗(yàn)比較，了解到小粒徑級(jí)配類(lèi)型中，開(kāi)級(jí)配抗飛散能力較差，連續(xù)級(jí)配構(gòu)造深度過(guò)低，而間斷級(jí)配類(lèi)型，骨架密實(shí)性結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)秀。

（2）骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)類(lèi)型使用在小粒徑級(jí)配中，其作為表面功能層，構(gòu)造深度不足，需進(jìn)行改進(jìn)。

（3）以小粒徑骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)型級(jí)配SMA-10級(jí)配曲線為例，研究各篩孔通過(guò)率對(duì)構(gòu)造深度的影響過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)2.36 mm篩孔通過(guò)率為最顯著影響構(gòu)造深度的因素。稍微降低關(guān)鍵篩孔通過(guò)率，可對(duì)構(gòu)造深度有明顯的改善。

（4）額外的篩孔控制，油石比變化，纖維摻量變化并不對(duì)構(gòu)造深度有較明顯影響。