超薄磨耗層瀝青混合料材料組成設計與養護應用研究

為研究超薄磨耗層瀝青混合料的路用性能與應用效果，文章設計Ⅰ型超薄磨耗層瀝青混合料，確定瀝青混合料最佳油石比，并通過車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗、肯塔堡飛散試驗等探究了超薄磨耗層瀝青混合料的路用性能，分析了超薄磨耗層瀝青混合料與下臥層之間的層間粘結性，同時依托南寧繞城高速公路開展了超薄磨耗層瀝青混合料的工程應用研究。結果表明：Ⅰ型超薄磨耗層瀝青混合料路用性能均滿足設計/規范要求；超薄磨耗層瀝青混合料與下臥層之間抗剪性能最優時，推薦乳化瀝青用量為0.7 kg/m2；超薄磨耗層瀝青混合料能夠修復路面功能性病害，具有良好的應用效果，在瀝青路面預防性養護工程中具有廣闊的應用前景。

超薄磨耗層；瀝青混合料；路用性能；層間粘結；養護應用

U416.02A110313

作者簡介：

黃志勇（1983—），高級工程師，主要從事高速公路工程建設與養護管理工作。

0" 引言

我國交通運輸領域道路建養方面已經從以建設為主向建養并重方面轉移，未來將面臨龐大的養護任務［1］。然而，我國在道路養護方面資金上存在嚴重缺口。因此，如何在道路全壽命周期范圍內有效地使用有限的養護資金是道路建養技術人員思考的重要問題［2］。與傳統銑刨重鋪養護技術相比，超薄磨耗層技術施工的瀝青混合料厚度薄、施工速度快、所需原材料用量低，能夠有效地修復路面表層功能性病害，且具有良好的抗滑性能與經濟效益［3-5］。超薄磨耗層是采用細粒式、斷級配的瀝青混合料，并結合乳化瀝青直接攤鋪在原路面表面的一種路面結構［6-8］。由于超薄磨耗層的材料組成較為簡單，能夠調整路面平整度以及抗滑性能，提高道路排水能力［9］。因此，研究超薄磨耗層瀝青混合料材料組成設計，論證其在預防性養護工程中的應用效果具有十分重要的意義。本文以廣西南寧繞城高速公路“三優一快”項目中超薄磨耗層預防性養護技術應用為例，從超薄磨耗層瀝青混合料材料組成設計、路用性能及層間粘結性能研究、施工工藝及應用效果評價方面進行分析，以期為相關工程中使用超薄磨耗層瀝青混合料進行養護提供參考。

1" 試驗材料與方法

1.1" 原材料

超薄磨耗層瀝青混合料原材料包括：高黏瀝青、集料、礦粉。高黏瀝青技術指標測試結果見表1。集料通常為玄武巖，規格為0～3 mm、3～6 mm，兩種集料與礦粉級配測試結果見表2，密度試驗結果見表3。此外，超薄磨耗層施工過程中還需改性乳化瀝青用于提高磨耗層與原路面之間的粘結性，改性乳化瀝青性能測試結果見表4。

1.2" 級配設計

根據《瀝青路面超薄磨耗層施工技術規范》（DB33/T 2113-2018），采用Ⅰ型級配范圍，設計超薄磨耗層級配如圖1所示，設計級配基本位于設計級配范圍內的中線位置。

1.3" 油石比的確定

根據圖1中設計的超薄磨耗層級配，分別采用5.2%、5.5%、5.8%、6.1%四種油石比，進行超薄磨耗層瀝青混合料的制備，并成型馬歇爾試件。超薄磨耗層瀝青混合料制備過程中，高黏瀝青的加熱溫度為175 ℃，玄武巖集料加熱溫度為190 ℃，拌和溫度為170 ℃，成型溫度為165 ℃。試驗采用小馬歇爾試件，雙面擊實次數為50次。此外，通過測試瀝青混合料最大理論密度、試件馬歇爾指標以及力學指標，計算試件的體積參數，并結合《瀝青路面超薄磨耗層施工技術規范》（DB33/T 2113-2018）中關于配合比設計的技術要求（見表5），確定超薄磨耗層瀝青混合料最佳油石比。

1.4" 試驗方法

1.4.1" 路用性能試驗

為評價超薄磨耗層瀝青混合料路用性能，采用設計級配下的瀝青混合料最佳油石比，結合車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗、肯塔堡飛散試驗、單軸貫入試驗、半圓彎曲抗裂試驗、摩擦系數與構造深度試驗、滲水試驗，評價瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、低溫抗裂性能、抗剪性能、抗裂開性能、抗滑性能以及透水性能，試驗方法參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）。

1.4.2" 層間粘結性能試驗

為探究超薄磨耗層與下臥層之間的層間粘結性能，設計SMA-13瀝青混凝土下臥層，乳化瀝青采用0.5 kg/m2、0.7 kg/m2和0.9 kg/m2三個用量，采用斜剪試驗以及拉拔試驗評價層間粘結性能。

斜剪試驗方法參照《道橋用防水涂料》（JC/T 975-2005）中剪切強度測試方法，分別在25 ℃以及60 ℃試驗條件下，將成型后的試件放入斜剪試驗儀中，采用10 mm/min的速率進行加載，直到試件剪切面破壞，采集并計算剪切強度用于分析層間粘結性能。

拉拔試驗是將成型后的復合粘結材料試件用環氧樹脂將試件固定在夾具上，在25 ℃試驗條件下通過上夾具施加拉應力，直至試件上下層完全分離，采集并計算拉拔強度用于分析層間粘結性能。

2" 試驗結果分析與討論

2.1" 最佳油石比確定

根據上述四種油石比，分別進行馬歇爾試驗，測試不同油石比下超薄磨耗層瀝青混合料馬歇爾指標與馬歇爾穩定度指標，結果見表6。根據表6中測試結果，并結合表5中馬歇爾配合比設計技術要求，考慮到超薄磨耗層需要具有較高的抵抗剝落的能力，采用滿足馬歇爾指標設計要求的油石比上限作為最佳油石比，確定瀝青混合料的最佳油石比為5.5%。

根據初步確定的瀝青混合料最佳油石比，進行謝倫堡瀝青析漏試驗結合料損失試驗，得到結合料損失率為0.05%，滿足設計要求。因此，按照圖1中級配設計方案，確定超薄磨耗層瀝青混合料最佳油石比為5.5%。

2.2" 瀝青混合料路用性能

根據超薄磨耗層瀝青混合料最佳油石比，成型試件并測試路用性能，結果見表7。由表7可見，設計超薄磨耗層瀝青混合料路用性能均滿足設計/規范要求，可用于生產實踐。

2.3" 層間粘結性能

通過斜剪試驗，得到不同乳化瀝青用量、測試溫度情況下超薄磨耗層瀝青混合料與下臥層剪切強度結果見表8。由表8可知，隨著乳化瀝青用量增加，超薄磨耗層瀝青混合料與下臥層之間的剪切強度層先增加后降低的趨勢，說明過多的乳化瀝青使用對層間粘結不利，將會導致游離的瀝青增加，瀝青混合料與下臥層之間更容易流動。然而，乳化瀝青用量較少時，瀝青混合料與下臥層之間無法得到有效粘結，導致剪切強度較低。此外，試驗溫度越高時，剪切強度越低，說明較高的外部環境溫度對超薄磨耗層與下臥層之間的層間粘結不利。根據剪切強度測試結果，建議超薄磨耗層施工過程中乳化瀝青用量為0.7 kg/m2。

通過層間拉拔試驗，得到不同乳化瀝青用量下超薄磨耗層瀝青混合料與下臥層之間拉拔強度結果見表9。由表9可知，隨著乳化瀝青用量增加，拉拔強度呈增加的趨勢，但拉拔強度的增長率逐漸降低。

綜合考慮剪切試驗以及拉拔試驗測試結果，建議超薄磨耗層瀝青混合料施工過程中乳化瀝青用量為0.7 kg/m2。

3" 工程應用

為研究超薄磨耗層瀝青混合料的使用效果，2022年11月于G7201南寧繞城高速公路上行K31+000～K32+000段進行了設計材料組成的超薄磨耗層瀝青混合料的工程應用。施工過程中采用同步攤鋪工藝，施工段超薄磨耗層典型厚度為15～16 mm，為排水型路面結構，施工速度為12～18 m/min。

3.1" 施工流程

超薄磨耗層瀝青混合料施工流程包括施工準備、瀝青混合料拌和、運輸、攤鋪與碾壓、完成施工開放交通。

3.1.1" 施工準備

施工準備階段需要準備瀝青混合料所包含的各種材料，并對原路面病害進行預處理。

3.1.2" 超薄磨耗層瀝青混合料拌和

超薄磨耗層瀝青混合料拌和基本在拌和站中制備，拌和站中各檔材料應有相應的儲存場地及防水通風措施。拌和瀝青混合料前需要進行計量校定工作。拌和過程中需要嚴格控制材料的添加順序，加熱與拌和溫度以及拌和時間等參數，確保拌和后的瀝青混合料出料溫度、級配滿足設計要求且瀝青混合料較為均勻，沒有花白料的情況。一旦拌和過程中出現任何問題，需及時調整，在滿足設計要求后再進行大規模生產，之后運輸至施工現場。

3.1.3" 運輸階段

根據攤鋪的工程量計算所需混合料生產數量，結合超薄磨耗層較高的攤鋪速度，為防止出現攤鋪料不足情況，建議采用4臺以上運輸車。瀝青混合料運輸過程中需要在車廂中涂刷隔離劑，并采用車頭→車尾→車中的裝料方式避免離析。混合料運輸過程中需要有良好的保溫措施，如加蓋篷布等，并安排專人檢測混合料的溫度，對溫度不滿足要求的情況通過提高出料溫度以及進一步加強保溫措施的方式改善。對于混合料溫度未達到施工標準的，嚴禁施工。

3.1.4" 攤鋪與碾壓階段

攤鋪前應檢查熨平板溫度是否滿足設計要求，并調整兩側螺旋布料器轉速相同，控制螺旋布料器中混合料的高度約為布料器的2/3，并根據實際需求控制夯錘及振動頻率。

攤鋪過程中，建議一次性攤鋪成型，若兩臺攤鋪機同時施工時需控制搭接寬度及搭接距離，保證路面平整度。

碾壓過程中采用雙鋼輪壓力機，首先靜壓1～2遍，之后振動壓實4～6遍，最后靜壓收面1遍。碾壓過程中嚴禁壓路機在成型的道路上掉頭與停車，在碾壓結束前嚴禁車輛通過。

3.1.5" 完成施工開放交通

待碾壓后路面溫度＜50 ℃即可開放交通，在開放交通前應布設標志標線，保障行車的安全性。

3.2" 施工效果評價

為評價超薄磨耗層瀝青混合料的施工效果，分別為處治后行車道平整度、車轍、橫向力系數SFC、破損等指標進行了檢測，并統計了2023年第一季度與第二季度試驗段路面技術狀況指數（PQI）、路面損壞狀況指數（PCI）、路面行駛質量指數（RQI）、路面車轍深度指數（RDI）、路面抗滑性能指數（SRI），結果見表10。由表10可知，超薄磨耗層在經歷兩個季度使用后PQI、PCI、RQI、RDI、SRI降低幅度分別為0.44%、0.00%、0.01%、0.30%、3.77%，可見超薄磨耗層除抗滑性能衰減較為顯著外（仍在要求范圍內，且在較高的水平），其他指標衰減較小，說明超薄磨耗層養護技術施工效果較好。

為進一步評價超薄磨耗層瀝青混合料抗滑性能，經測試獲取激光構造深度結果，見后頁表11。由表11可知，超薄磨耗層瀝青混合料使用過程中會面臨抗滑性能衰減問題，衰減在0.1～0.2 mm。雖然使用過程中超薄磨耗層瀝青混合料面臨抗滑性能衰減問題，但是在經歷兩個季度使用后，其構造深度結果依然滿足＞0.6 mm的要求。因此，這種抗滑性能衰減認為是可接受的。

總體來說，研究設計的超薄磨耗層瀝青混合料構造深度大、抗滑能力好，可有效減少雨天水漂、水霧現象。同時，根據施工后的路況檢測指標，超薄磨耗層罩面解決了提高抗滑系數的同時還提高路面平整度，具有廣闊的應用前景。

4" 結語

通過室內試驗以及工程驗證，發現超薄磨耗層瀝青混合料設計成排水型結構時，其路用性能均滿足設計要求，具有較高的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及抗滑性能等。通過測試確定改性乳化瀝青用量為0.7 kg/m2時，瀝青混合料與下臥層具有最優的層間粘結性能。通過工程驗證，發現超薄罩面瀝青混合料在兩個季度使用后依然具有較優的路面技術狀況指數。因此，超薄罩面瀝青混合料在進行瀝青路面預防性養護方面具有良好的研究與應用價值。

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20240416