細粒式密級配超薄磨耗層設計及工程應用分析

李蓬偉,閆澤南,駱俊暉,梁文浩

(1.廣西荔玉高速公路有限公司,廣西 南寧530022;2.廣西北投交通養護科技集團有限公司,廣西 南寧530200;3.廣西平宣高速公路有限公司,廣西 南寧530022)

0 引言

隨著公路行業的不斷發展,路網功能日益完善、服務水平顯著提高,使公路養護任務急劇加重,養護范圍和難度不斷增大,我國逐漸從注重公路建設過渡到建養并重的階段[1]。超薄磨耗層作為一種功能型表面層預防性養護技術,能夠有效預防和修復路面輕微病害、減緩路面性能衰減、延長使用壽命,同時具有改善路面抗滑性能、提高降噪能力、施工簡便等優點[2]。在保證路面具有與傳統瀝青罩面相同使用性能的前提下,超薄磨耗層能將厚度減薄至25 mm以內,可節約造價與成本30%～40%,社會經濟效益明顯,具有廣闊的發展前景[3-5]。

現階段,國內使用較多的超薄磨耗層級配類型有SMA-10、NovaChip、GT-8高韌超薄磨耗層、OGFC抗滑表層等,以上超薄磨耗層由于實施時需使用專用設備、材料要求和價格較高、單位面積平均造價高等原因限制了其推廣使用。另外,開級配或半開級配超薄罩面相較于密級配而言耐久性會大大折減,更容易產生開裂破壞,而且由于空隙率較大,表面空隙容易被雜物堵塞,從而影響降噪和排水性能[6-7]。

基于此,本文針對當前超薄磨耗層存在的技術需求問題,通過材料和配合比設計優化,進行了細粒式密級配瀝青混合料設計以及路用性能驗證,并通過工程實際應用,提出配套施工工藝及相關參數,驗證實際路用效果,以期為南方多雨地區提供一種性能優異的密級配超薄抗滑罩面的選擇,為超薄磨耗層理論研究與實踐應用提供參考。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

本文以三種改性瀝青作為超薄磨耗層的備選瀝青,并分別對三種瀝青進行相關性能檢測試驗,試驗結果見表1。從表1可以看出,1#SBS改性瀝青和2#SBS改性瀝青高溫性能差異不大,均高于橡膠改性瀝青,但1#SBS改性瀝青低溫抗裂性能較2#SBS改性瀝青好。比較兩種SBS改性瀝青運動黏度后認為,2#SBS改性瀝青黏度過高,會導致施工和易性差和能源消耗增加,1#SBS改性瀝青各項性能均在技術標準合理范圍內,高低溫性能均較優,可作為超薄磨耗層瀝青最優選。

表1 三種改性瀝青技術指標檢測結果表

粗集料選用5～10 mm英安巖碎石,技術指標檢測結果見表2。細集料選用0～5 mm石灰巖機制砂。填料為石灰巖磨細得到的礦粉。

表2 粗集料主要技術指標檢測結果表

1.2 配合比設計

1.2.1 礦料級配組成

本文在進行瀝青混合料結構類型選擇時,采取細粒式、密實型級配的設計思路,優先選擇骨架密實結構:通過增加碎石含量提供微觀紋理、粗集料斷級配設計提供宏觀構造;通過控制細集料含量、增強密實效果來減小孔隙率,以保證混合料具有足夠的粘結能力、水溫穩定性和耐老化性。選用的密實型超薄磨耗層礦料級配為AC-8型,目標配合比為6%,增設7.2 mm方孔篩作為最大公稱粒徑控制篩孔。通過水洗法確定的AC-8超薄磨耗層瀝青混合料篩分結果及目標配合比礦料合成級配見表3。圖1為礦料合成級配曲線。

圖1 礦料級配曲線圖

表3 AC-8瀝青混合料礦料級配合成計算表

1.2.2 瀝青含量的確定

超薄磨耗層作為路面結構中的表面功能層,對抗滑性、水穩定性和耐久性提出了更高的要求。本文提出一種基于路用性能與抗滑性能均衡的超薄磨耗層瀝青混合料設計方法,即通過開展馬歇爾試驗得到瀝青混合料中礦料嵌擠最緊密狀態(礦料間隙為最小)時的油石比OAC1;開展析漏試驗獲得析漏損失率-油石比曲線拐點對應的油石比OAC2;結合輪碾試驗和人工鋪砂法獲得試件構造深度殘留率(輪碾后試件構造深度占輪碾前的比率),滿足抗滑性能衰減要求時最大油石比OAC3;綜合OAC1、OAC2、OAC3和設計空隙率確定最佳油石比和瀝青含量。

1.2.2.1 馬歇爾試驗

以0.4%為間隔選取5個不同的油石比分別成型馬歇爾試件。細粒式密級配超薄磨耗層AC-8馬歇爾試驗結果見表4和下頁圖2。由表4和圖2可計算得到:瀝青混合料最緊密嵌擠狀態對應的油石比OAC1為6.79%。

(a)毛體積密度與油石比

表4 AC-8馬歇爾試驗結果表

1.2.2.2 析漏試驗

以0.4%為間隔成型8種不同油石比的瀝青混合料試件,分別進行析漏試驗,所得析漏損失率與油石比擬合曲線如圖3所示。從圖3數據可知,AC-8瀝青混合料析漏損失率與油石比曲線出現陡增拐點位置對應的油石比OAC2為7.0%。

圖3 AC-8瀝青混合料析漏試驗結果曲線圖

1.2.2.3 抗滑耐久性試驗

評價路面結構層抗滑性能的指標主要有路面摩擦系數、構造深度(表面紋理深度)和橫向力系數等[8]。由于構造深度測試方法簡單快捷、應用廣泛,因此選擇該指標作為細粒式密級配超薄磨耗層瀝青混凝土設計的抗滑指標。

本文采用的評價超薄磨耗層抗滑耐久性試驗具體流程為:(1)檢測不同油石比標準馬歇爾試件的構造深度TD1;(2)采用定制夾具固定試件后放在輪碾儀下進行一定條件下的往返碾壓試驗,測量輪碾后的表面構造深度TD2;(3)以構造深度殘留率TDR=TD2/TD1表征試件在車輛荷載反復作用下的抗滑性能衰減情況。同樣以0.4%為間隔選取5個不同油石比開展抗滑耐久性試驗,試驗結果如表5所示。

表5 AC-8抗滑耐久性試驗結果表

從表5數據可以看出,隨著油石比的增加,試件構造深度衰減率逐漸降低,說明瀝青含量越小時路面結構層具有更好的抗滑耐久性。本文以70%構造深度殘留率對應的油石比作為抗滑耐久性能的控制點,可得到OAC3為6.0%。

1.2.2.4 確定最佳油石比

根據前文提到的最佳瀝青含量確定方法,以OAC1、OAC2、OAC3綜合確定AC-8瀝青混凝土的最佳油石比OAC為6.6%。

1.3 路用性能評價

1.3.1 抗水損性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中T 0709-2011和T 0729-2000相關規定對油石比為6.6%的AC-8瀝青混合料開展浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。所得試驗結果如表6和表7所示。

表6 浸水馬歇爾試驗結果表

表7 凍融劈裂試驗結果表

由表6和表7可知,細粒式密級配AC-8瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別為94.7%和99.3%,均不低于85%、80%的技術要求,表明該混合料具有較好的水穩定性能。

1.3.2 高溫穩定性

按照規范對油石比為6.6%的AC-8瀝青混合料試件開展60 ℃車轍試驗,試驗結果如表8所示。由表8可知,6.6%油石比的AC-8瀝青混合料動穩定度結果為6 642.8次/mm,大于規范要求的3 000次/mm。此外,三組試件動穩定度結果的變異系數為18.6%,滿足試驗規程中≤20%的規定,證明該混合料的高溫抗變形能力良好。

表8 車轍試驗結果表

1.3.3 低溫抗裂性

秀容川再不能鎮定了，他把螞蟻、蟲子這段連看了兩遍，心想：“這不是寫我嗎？我小時候，就有這事兒。難道我真是秀容月明的兒子？”

為探究AC-8型瀝青混合料低溫抗裂性能,按照規范對其進行小梁三點彎曲試驗。所得試驗結果如表9所示。

表9 低溫彎曲試驗結果表

由表9可知,AC-8瀝青混合料低溫彎拉破壞應變為3 012με,滿足規范規定的≥2 500με的要求,說明AC-8瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

廣西某高速公路全長180 km,為雙向四車道,設計時速為120 km/h。道路沿線氣候溫和、雨量充沛、濕度較大,年平均降雨量可達1 344 mm。自2005年12月建成通車以來,交通量逐年增長,年平均增長率達20%,且交通組成中大貨車占比較高。隨著服役年限的增加和交通荷載的影響,該高速公路瀝青路面出現了不同程度的損壞,主要包括麻面掉粒、輕微車轍、坑槽、縱橫向裂縫等病害,亟須進行養護維修。

2.2 超薄磨耗層施工

2.2.1 原路面病害處治

由于超薄磨耗層無法作為結構補強層為原路面提供強度支持,因此在鋪筑前需對原路面進行彎沉檢測,若路面強度不符合要求時,應采取注漿加固或銑刨回填等補強措施。另外,在超薄磨耗層施工前需對原路面存在的局部病害進行處治。對于寬度<3 mm、僅出現于表面層的裂縫可不作處理,但是必須確保防水粘結層瀝青灑布時將裂縫完全覆蓋;對于寬度為3～5 mm、出現在整個瀝青面層和基層表面的裂縫,可采取灌縫后粘貼抗裂貼的處治措施;對于寬度>5 mm、貫穿整個面層和基層的裂縫,應采取銑刨回鋪原瀝青混凝土至原路標高的措施;對于深度>1 cm的輕微車轍可不作處理;對于存在深度為1.0～2.5 cm的中度車轍應采取銑刨方式處治,銑刨深度根據車轍深度確定。

(1)進行瀝青混合料拌和時,SBS改性瀝青溫度控制在160 ℃～175 ℃,集料溫度控制在190 ℃～205 ℃,完成攪拌后混合料的出廠溫度保持在175 ℃～185 ℃。溫度超過195 ℃時應將混合料廢棄。

(2)由于超薄磨耗層厚度較薄,攤鋪速度較快,為避免出現供料中斷的情況,需保證有三臺以上運料車在攤鋪機前方等候卸料。裝料前應在車廂內涂抹隔離劑,并按照車頭、車尾、中部的順序分三次進行裝料,避免裝料過程中出現離析。

(3)運料車行駛過程中保持勻速,不得突然剎車或轉向,且應采取保溫、防雨措施,全程采用篷布覆蓋車頂?；旌狭系竭_施工現場后,派專人通過車廂測溫孔檢測混合料到場溫度,超過施工溫度要求時,應嚴禁使用。

2.2.3 攤鋪與碾壓

(1)攤鋪前將熨平板溫度預熱至≥100 ℃,并按照施工要求調整熨平板高度和振動頻率。攤鋪過程中保證攤鋪機勻速、平穩、不間斷地運行,不得任意快速攤鋪,再停下來待料。

(2)超薄磨耗層的壓實采取初壓、復壓、終壓結合的方式進行,初壓為鋼輪壓路機靜壓前進,弱振返回一遍;復壓時鋼輪壓路機來回振動碾壓三遍、輪胎壓路機揉搓碾壓三遍;最后采用鋼輪壓路機靜壓收光一遍即可完成碾壓工序。

2.3 施工質量檢測

根據《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450-2019)對碾壓完成后的超薄磨耗層開展構造深度、摩擦系數、滲水系數及平整度現場試驗檢測,檢測結果如下頁表10所示。從表10路面現場測試結果可知,AC-8型超薄磨耗層各項指標均滿足技術規范,具有良好的抗滑、防滲性能以及平整度。

表10 超薄磨耗層現場測試結果表

3 結語

本文采用斷級配骨架密實結構對AC-8瀝青混合料進行配合比設計,并開展路用性能和工程實例應用研究,得出以下結論:

(1)通過提高碎石含量和采用斷級配設計思想優化AC-8瀝青混合料礦料組成結構,保證了AC-8瀝青混合料具有良好的短期抗滑性能和長期抗滑性能。

(2)在密實型級配的設計思想下,超薄磨耗層混合料的設計空隙率僅為6%左右,可有效防止雨水下滲,改善瀝青路面水穩定性。

(3)基于性能均衡的配合比設計方法得到的AC-8超薄磨耗層瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩性均滿足規范要求,且抗滑性能衰減得到了較好的控制。

(4)通過對工程實例開展工后質量檢測,表明AC-8超薄磨耗層具有良好的防滲性能、抗滑性能及平整度。