超薄磨耗層高粘瀝青混合料配合比設計及性能評價

石定開

（廣東惠清高速公路有限公司,廣東廣州510960）

高等級路面對道路材料的功能性與使用壽命都有較高要求,處于運營狀態下的道路不可避免的受到車輛與環境的影響,功能性會有所下降。預防性養護能在一定程度上恢復路面使用性能,但是選擇的技術或材料不當也會導致難以達到預期效果。超薄罩面層技術采用同步攤鋪施工方法,為現有路面加鋪一層較薄的功能層,修補路面的裂縫與輕微沉陷病害,恢復道路的使用性能,具有路用性能好、使用壽命長、施工較簡便等特點,近年來在道路預防性養護工作中受到推廣[1-2]。本文對三種超薄磨耗層高粘瀝青混合料進行研究,開展混合料的配合比設計,通過試驗評價并對比各類型超薄磨耗層瀝青混合料的性能。

1 原材料

1.1 集料

用于瀝青混凝土的集料應當具備表面粗糙、干燥潔凈、無雜質、無風化的要求,同時具備一定的抗沖擊、抗變形和耐磨耗能力。試驗采用輝綠巖作為集料,集料規格為5～10 mm碎石、3～5 mm碎石、0～3 mm石屑,具體性能見表1。

表1 試驗所用粗細集料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse and fine aggregates used in the test

1.2 填料

試驗用礦粉為堿性石灰巖制成,應干燥清潔、無雜質。表2所示為礦粉基本性能。

表2 試驗所用礦粉基本性能Table 2 Basic properties of mineral powder used in the test

1.3 瀝青

（1）高粘瀝青

瀝青的性能對超薄磨耗層混合料有至關重要的影響。超薄磨耗層位于路表,承受惡劣的荷載與環境影響,同時超薄磨耗層集料的公稱粒徑較小,因此要求選用的瀝青具備抗剝落能力強、包裹性好等特點[3-4]。試驗選用殼牌生產的特種高粘度改性瀝青,具體性能參數見表3。

表3 試驗用高粘瀝青性能參數Table 3 Performance parameters of high viscosity asphalt for test

（2）乳化瀝青

在超薄瀝青磨耗層混合料中,乳化瀝青起粘結劑作用,促使原路面與罩面層粘結為整體,避免磨耗層與舊路面過早出現脫皮、推移等病害。試驗選用的乳化瀝青具體性質見表4,各項性能均滿足國標要求。

表4 試驗所用特種復合改性乳化瀝青性能Table 4 Performance of special compound modifi ed emulsifi ed asphalt used in the test

2 混合料配合比設計

2.1 級配設計方法

試驗對UTAC、Novachip以及OGFC三種超薄瀝青混凝土進行研究,以CAVF法（主骨料空隙填充法）來設計混合料集配曲線。考慮到超薄磨耗層的集料公稱粒徑較小,在9.5mm與4.75mm粒徑間增加7mm瀝青作為混合料最大公稱粒徑控制級配[5]。

2.2 粗細集料分界篩孔的確定

粗細集料的分界篩孔確定是開展CAVF法級配設計的前提。試驗采用的最大公稱粒徑是7mm,需要通過試驗確定分界篩孔。試驗測定了不同質量分數下、不同粒徑檔集料的粗骨料間隙率VCAdrc,結果表明：4.75～7 mm檔與2.36～4.75 mm檔對集料VCAdrc值的影響為,隨著含量的增加VCAdrc值呈現出先下降后上升的變化,原因在于起骨架作用的粗集料存在最大密實狀態的值,當其質量分數增加到接近單一粒徑狀態時,集料的粗骨料間隙率會明顯增大；1.18～2.36 mm檔粒徑的集料對間隙率的相關性系數僅為0.1534,影響較小；VCAdrc值隨著0.6～1.18 mm檔集料的質量分數增加而持續降低,表現出填充作用。因此,試驗采用1.18mm作為粗細集料的分界篩孔。

2.3 三種瀝青混合料級配設計

由于采用CAVF法進行瀝青混合料級配設計的過程類似,本文僅以UTAC-7為例進行介紹。為了增加密級配瀝青路面的構造深度與抗滑性能,本次UTAC-7采用間斷級配。粗集料的比例為9.5～7 mm：7～4.75 mm：4.75～2.36 mm：2.36～1.18 mm=10：30：60：0,細集料起填充作用,按福勒級數設計級配曲線,最后將粗細集料的級配進行擬合。表5為三種超薄磨耗層混合料的篩孔通過率。

表5 三種超薄磨耗層瀝青混合料的級配組成Table 5 Gradation composition of three ultra-thin wear layer asphalt mixtures

2.4 三種瀝青混合料瀝青用量的確定

（1） UTAC-7最佳瀝青用量確定

參考相關文獻[6-8],以5.8%作為假定的瀝青用量為基準,以0.3%作為間隔,成型馬歇爾試件,測定混合料體積參數。測定結果顯示：毛體積密度、目標空隙率、穩定度最大值等指標對應的油石比均為5.8%,則OAC1=5.8%,又OACmax=6.4%,OACmin=5.2%,則OAC2=5.8%,計算得OAC=5.8%,即UTAC-7瀝青混合料的最佳油石比為5.8%。

（2）Novachip-B最佳瀝青用量確定

參考殼牌超薄磨耗層Novachip施工指南,對于半開級配Novachip以目標空隙率和最佳瀝青膜厚度作為油石比的確定依據[9-10]。本次試驗的設計目標空隙率取10%,最佳瀝青膜厚度選擇10μm,同樣假定基準瀝青用量為5.8%,以0.3%為間隔制作馬歇爾試件,通過體積法計算空隙率。最終試驗確定當油石比在5.0%～5.3%時,通過體積法計算得混合料空隙率、瀝青膜厚度與目標值接近,因此,選擇以5.1%作為Novachip-B的最佳瀝青用量。

（3）OGFC-7最佳瀝青用量確定

對于開級配磨耗層OGFC-7,通常采用析漏飛散試驗確定其最佳瀝青用量。以5.8%作為基準瀝青用量,間隔取0.3%,成型5組馬歇爾試件,得到的試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出,析漏曲線與飛散曲線的拐點位于4.7%油石比處,表明混合料的油石比在4.7%附近時,飛散損失與析漏損失的變化速率存在較大差異,此時空隙率為20%左右,接近目標空隙率。因此,OGFC-7磨耗層混合料的最佳油石比取4.7%。

圖1 各指標與油石比的關系Fig. 1 Relationship between each index and the ratio of oil to stone

3 超薄磨耗層高粘瀝青混合料性能評價

3.1 高溫穩定性

采用車轍試驗評價各超薄磨耗層瀝青混合料的高溫穩定性,結果見表6。計算三種混合料的動穩定度值分別為3325、4500、3150,均滿足規范中3000次的要求,具備較好的高溫穩定性。三種超薄磨耗層混合料的高溫穩定性排序為Novachip-B＞ UTAC-7＞ OGFC-7。

表6 瀝青混合料車轍試驗結果Table 6 Rutting test results of asphalt mixture

3.2 低溫抗裂性

采用三點小梁彎曲試驗評價三種混合料的低溫性能,得到如圖2所示的彎拉應變、彎拉強度、勁度模量與溫度變化的關系圖。

圖2 各指標隨溫度變化情況Fig. 2 Variation of each index with temperature

從圖2可以看出,三種混合料的應力應變具有相同的趨勢,彎拉應變隨溫度增長而增加,彎拉強度曲線存在峰值點,對應脆化點溫度。三種混合料的彎拉破壞強度差異較小,相比之下UTAC-7彎拉應變較大,比Novachip-B、OGFC-7混合料的低溫抗變形能力更強。

3.3 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價各混合料的水穩定性,圖3所示為各混合料的殘留穩定度情況與凍融劈裂強度比值情況。浸水馬歇爾試驗結果表明,三種磨耗層混合料的殘留穩定度均能達到規范的要求。相比之下,Novachip-B型的殘留穩定度值較高,具備較好的水穩定性。從凍融劈裂試驗結果來看,Novachip-B的強度比明顯高于UTAC-7和OGFC-7,原因在于UTAC-7的空隙率小導致水凍脹的自由空間少,應力較大使混合料內形成大量微裂縫,降低了材料力學性能；而OGFC-7混合料的空隙過大,導致空隙內填充大量水,自由空間不足影響了混合料凍脹后的力學性能。

圖3 各混合料水穩定性試驗情況Fig. 3 Water stability test of each mixture

3.4 抗滑性能

本次試驗采用構造深度和擺值指標評價混合料路面的抗滑性能。通過手工鋪砂法測定三種超薄磨耗層瀝青路面的構造深度,結果如圖4所示。三種混合料路面的構造深度均滿足規范0.55mm的要求,不同類型瀝青路面的構造深度差別較大,其中OGFC-7的構造深度要明顯高于另外兩種混合料路面,原因在于OGFC路面具有較大的空隙率。

圖4 各混合料抗滑性能試驗情況Fig. 4 Sliding resistance test of each mixture

擺值試驗能夠評價路面在潮濕狀態的抗滑性。三種路面的擺值均能滿足規范中的45BPN要求,其中Novachip-B的擺值比UTAC-7、OGFC-7大,原因在于：UTAC-7路面構造深度較淺,在路面潮濕狀態下提供的阻力面積有限；OGFC-7雖然構造深度較深,但是接觸點較少；而Novachip-B路面的粗細集料比例合理、構造深度適中,橡膠片與試件的接觸點較多、有效接觸面積較大,所以擺值較大。

4 結論

本文對密集配UTAC-7、半開級配Novachip-B、開級配OGFC-7三種超薄磨耗層高粘瀝青混合料的配合比、瀝青用量進行了研究,對三種混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、抗滑性能等進行了評價與對比。結果表明,三種瀝青混合料的路用性能均能滿足規范要求。相比之下,Novachip-B的高溫性能最好,UTAC-7的低溫抗開裂能力較強,Novachip-B水穩定性較好,OGFC-7的構造深度最大,Novachip-B的擺值較高。