公路養護中超薄磨耗層配比設計及路用性能分析

尉北蘭

(內蒙古烏海市公路養護中心，內蒙古 烏海 016000)

1 原材料選擇

瀝青質量的好壞直接影響瀝青路面的通行能力及耐久性。超薄磨耗層作為路面最上層的結構，長期受到車輛、行人及自然環境的影響，其瀝青材料需要具有較好的包裹性、附著性及抗剝落性[1-4]。因此，試驗選擇軟化點及60 ℃粘度指標較高的改性瀝青作為超薄磨耗層的瀝青材料，技術指標如表1所示。

表1 超薄磨耗層瀝青技術指標

選取的粗集料表面應當光潔，具有一定的粗糙度、強度及耐磨性能，因此盡量采用玄武巖、輝綠巖等磨光值高的石料作為超薄磨耗層的粗集料。粗集料的性能參數如表2所示。

表2 粗集料的性能參數

礦粉的使用除了可以讓瀝青在其表面形成具有較強附著力的薄膜之外，還能增加瀝青集料與集料間的附著作用，同時起到填充多余孔隙的效果。因此，作為路面超薄磨耗層的礦粉可經石灰巖或巖漿中等憎水性石料獲取。經試驗，選取石灰巖研磨后得到的表面清潔的礦粉。依據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40-2018)中對礦粉的各項要求，兼顧瀝青路面的特點，確定出瀝青路面超薄磨耗層對礦粉的參數要求，具體各項指標和檢測結果如表3所示。

表3 礦粉技術指標

2 級配與配合比設計

瀝青路面超薄混凝土厚度偏低，集料以小粒徑為主[5]。若以連續型密級配的細粒式瀝青混凝土作為主要材料，則其抗滑性能、構造深度等難以滿足路用性能的需要。為此，試驗選用粗集料斷級配密實型的瀝青混凝土作為主要材料，在分析了瀝青路面超薄混凝土的基礎上，通過馬歇爾試驗，得出最優的級配曲線，礦料級配區間如表4所示。

試驗結果表明，集料設計均滿足相關技術指標的要求。試驗中集料的級配組成為：Ⅰ型(0～4.75 mm)，Ⅱ型(4.75～9.5 mm)，Ⅲ型(9.5～13.2 mm)加上礦粉的組合，礦料級配組成如表5所示。

表4 礦料級配區間

表5 礦料級配組成

試驗分為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%等五組油石比類別，每組選取5個試件，擊實80次成型后，通過馬歇爾試驗確定配合比方案。試驗結果如表6所示。

表6 瀝青混凝土超薄層馬歇爾試驗結果

由表6分析確定最佳油石比為4.3%，并通過進一步試驗得到對應油石比情況下瀝青混合料的技術參數，如表7所示。

表7 油石比4.3%混合料技術參數

試驗采用貝雷法設計瀝青混合料級配，通過搗實試驗和孔隙率計算，合成符合要求的級配，再通過路用性能試驗，確定最佳級配如表8所示。

通過成型SGC試件測得不同級配在不同油石比下的空隙率，綜合各試驗結果，油石比為4.3%時，級配1的綜合路用性能最佳。4.3%油石比下的級配1與級配2混合料漢堡車轍曲線如圖1所示。

表8 合成級配

圖1 4.3%油石比下的級配1與級配2混合料漢堡車轍曲線

在進行瀝青路面超薄層混合料設計時，為滿足其路用性能的需求，在設計過程中，應采用粒徑較小、具有一定粗糙度及長壽命、抗剝落能力強的原材料。并有針對性地進行級配及配合比優化，確定出最佳方案。

3 路用性能研究

3.1 高溫穩定性

溫度是影響瀝青混合料性能的關鍵因素，隨著溫度的升高，瀝青混合料粘性逐漸增加，在外部條件作用下，受到剪力的影響，容易導致車轍的形成，極大地影響了行車的穩定性與舒適性。試驗采用車轍試驗對瀝青路面超薄層的混合料進行高溫穩定性分析，試驗結果如表9所示。

表9 車轍試驗技術指標

從表9中的分析結果可知，當試驗溫度為60 ℃，采用5%～6%油石比的情況下，瀝青路面超薄層所用混合料的動穩定度均值為3 684次/mm，滿足相關規范的技術要求。

3.2 抗凍性能試驗

《公路工程抗凍設計與施工技術指南》中對瀝青表層混凝土抗凍性能作出如下規定，如表10所示。

表10 抗凍性能指標

試件分成常溫組和真空組。常溫組在室內環境下進行，另一組采用真空飽水，先在16 ℃中放置18 h，隨后取出試件，放置于60 ℃水中恒溫24 h，最后在25 ℃水中恒溫放置2 h，加載速率為50 mm/min。經過測試和計算后，試驗結果如表11所示。

表11 抗凍性試驗結果

試驗結果表明，該超薄層瀝青混合料的抗凍性參數滿足相關規范對極端天氣下的路用抗凍融性的要求，可在極端氣候地區采用。

3.3 滲水性能

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20-2011)，利用道路路面滲水儀對制備完畢的瀝青路面超薄層混合料的滲水系數進行分析。

試驗時統計水面從100 ml下降至500 ml所需的時間，當所需時間過長，也可采取統計3 min之內通過的水量的計算方式。計算公式如公式(1)

(1)

式中：Cw為路面滲水系數，ml/min；V1為第一次讀數時的水量刻度(通常為100 ml，ml)；V2為第二次讀數時的水量刻度(通常為500 ml，ml)；t1為第一次讀數時的時刻，s；t2為第二次讀數時的時刻，s。

瀝青超薄磨耗層滲水性能試驗結果為92.6 ml·min-1，表明磨耗層瀝青混合料試件滲水系數滿足試驗規程相關要求，具有較好的排水性能，可以滿足路用需求。

3.4 抗滑性能

影響道路抗滑性能的主要因素有兩個。(1)集料本身的微觀構造。(2)在宏觀結構上體現為路表的構造深度。

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20-2011)測試瀝青路面超薄層試件表面的構造深度。

測量數據按公式(2)進行計算

(2)

式中：TD為瀝青混合料表面構造深度，mm；V為砂的體積(25 cm3)；D為攤平砂的平均直徑，mm。

構造深度試驗檢測結果如表12所示。

表12 構造深度試驗檢測結果

表12試驗結果表明：瀝青路面超薄層試件平均構造深度為1.17 mm，大于1.00 mm，具有良好的抗滑性能，能夠保障車輛的安全行駛。

4 結 語

通過超薄磨耗層在公路瀝青路面養護中的應用進行研究，得出以下結論。

(1)瀝青路面超薄磨耗層可滿足相關規范要求，延長道路使用年限，有效提升道路通行能力。

(2)超薄磨耗層瀝青混合料級配和油石比需通過路用性能試驗確定，保證路用性能最優化。

(3)溫度是影響瀝青混合料性能的關鍵因素，超薄層瀝青混合料的抗凍性參數滿足相關規范對極端天氣下的路用抗凍融性的要求，可作為極端氣候地區時采用。