瀝青纖維薄層罩面技術(shù)組成材料及配合比設(shè)計(jì)研究

劉劍剛??

【摘要】針對(duì)瀝青纖維薄層罩面技術(shù)組成材料及性能要求進(jìn)行深入探討，深入分析纖維瀝青封層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及罩面類型的選擇，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了瀝青纖維薄層罩面技術(shù)材料選擇及配合比設(shè)計(jì)，為瀝青纖維增強(qiáng)封層原材料優(yōu)選和組成設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】瀝青纖維;薄層罩面;材料選擇;配合比設(shè)計(jì)

Thin asphalt overlay technology fiber composition of materials and Mix Design Research

Liu Jian-gang

（Pingdingshan Highway Administration Central LaboratoryPingdingshanHenan467000）

【Abstract】In depth for a thin layer of asphalt overlay technology fiber composition of the material and performance requirements， in-depth analysis of the structural characteristics of fiber asphalt seal coat and overlay type of selection， on this basis， the system analyzes the thin asphalt overlay technology fiber material selection and mix design for asphalt sealing layer of fiber reinforced materials selection and design optimization of the composition provides a theoretical basis and technical support.

【Key words】Pitch fibers;Thin overlay;Material selection;Mix Design

1. 引言

薄層罩面是指適于鋪筑介于傳統(tǒng)的磨耗層（如40～50mm的瀝青混凝土、SMA或多孔瀝青等）和石屑封層（如6～14mm的表面處治或稀漿封層）之間的材料[1]。厚度一般為15～30mm，在一定程度上可以調(diào)整原路面的不平整度，但它必須鋪在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠的下承路面上。據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFP98～137的定義[2]，非常薄面層（BBTM）的厚度為20～25mm;超薄面層（BBUM）的厚度為15～25mm。薄層罩面具有延長(zhǎng)路面壽命、改善行駛質(zhì)量、增加抗滑性和降低噪音等性能，且施工方便、厚度薄、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，它逐漸發(fā)展成為一種很有前途的高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)罩面型式[3]。

2. 薄層罩面的選取

薄層罩面瀝青混合料的種類很多，常用的有密實(shí)瀝青混凝土（AC）、開級(jí)配磨耗層（OGFC）、瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）、多碎石瀝青混凝土（SAC），對(duì)罩面層混合料類型的選擇是罩面中需要解決的重要技術(shù)問題。

2.1密實(shí)瀝青混凝土（AC）面層。

AC通常是連續(xù)型密級(jí)配，屬于密實(shí)——懸浮結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)空隙率一般為3～5%，這種混合料中含有大量細(xì)料，粗料數(shù)量較少，且相互間沒有接觸，不能形成骨架，粗集料在混合料中呈懸浮狀態(tài)，易離析，施工時(shí)易于壓實(shí)。這種混合料粘結(jié)力較高、內(nèi)摩阻力較小，故這種面層受瀝青性質(zhì)影響較大，高溫穩(wěn)定性較差，在高溫、重載交通、渠化交通的作用下路面出現(xiàn)車轍的幾率較大，水穩(wěn)定性、抗滑性能等方面較差，比較容易損壞。

2.2開級(jí)配磨耗層（OGFC）面層。

OGFC（Open Graded Friction Courses）是指用大空隙瀝青混凝土鋪筑的能迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)層內(nèi)部排走路表雨水，具有防滑、抗車轍及降低噪音，減少濺水和水霧等功能的面層，也有國(guó)家稱其為透水瀝青面層（PA）或多空隙瀝青混凝土表面層（PAWC），這種面層混凝土屬于骨架——空隙結(jié)構(gòu)，壓實(shí)后一般具有 18～25%的空隙率，具有良好的表面特性，抗滑和高溫穩(wěn)定性能較好，缺點(diǎn)是空隙率較大使瀝青老化加快，影響路面耐久性，加之路面空隙易被灰塵、污物堵塞，從而影響路面的預(yù)期功能，目前在美、日等國(guó)家使用較多，我國(guó)現(xiàn)在這種技術(shù)還不成熟，沒有大范圍推廣。

2.3瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）面層。

SMA（Stone Mastic Asphalt）是上世紀(jì) 60 年代初德國(guó)為減少帶釘輪胎對(duì)于路面的磨耗而開發(fā)出的一種斷級(jí)配骨架——密實(shí)型瀝青混凝土。SMA 同常規(guī)混凝土相比有“三多一少”的特點(diǎn)，即粗集料、礦粉和瀝青含量多，細(xì)集料含量少。SMA 兼顧了路用性能的各個(gè)方面，如：抗轍槽能力強(qiáng)、抗滑性能好、抗磨耗能力強(qiáng)、老化慢、早期裂縫少、耐久性好。因此，在我國(guó)得到大力推廣，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

2.4多碎石瀝青混凝土（SAC）面層。

（1）SAC 屬于一種斷級(jí)配骨架密實(shí)型混凝土。使用經(jīng)驗(yàn)表明，在礦料顆粒組成變異性較小的情況下，SAC 空隙率小，可以提供良好的摩擦系數(shù)、表面構(gòu)造深度及抗轍槽能力。SAC 自1988 年至今在高速公路上已鋪筑了1500 多公里，使用中也暴露了一些問題，主要是有些路段通車后出現(xiàn)了明顯的早期水損壞，一些路段上程度不同地發(fā)生泛油現(xiàn)象，使表面構(gòu)造深度明顯下降，抗滑能力減小[4]。

（2）通過對(duì)常用幾種混合料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn) SMA 的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐疲勞性能和抗滑性能都要優(yōu)于 SAC;SMA 路面的抗滑能力、抗疲勞性、耐水損害的能力都要優(yōu)于AC;OGFC 的高溫性能及抗滑、降噪等各種表面功能有所提高，但是以犧牲路面的耐久性和抗裂性能為代價(jià)，且這種技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用受到限制。基于上述分析比較，最終選擇 SMA-10作為纖維增強(qiáng)封層的薄層罩面進(jìn)行研究。

3. 組成材料選取

3.1瀝青結(jié)合料。

薄層罩面 SMA 混合料對(duì)瀝青結(jié)合料的質(zhì)量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要，有較高的粘度，符合一定的要求，以保證有足夠的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。在我國(guó)，要求必須采用符合“重交通道路瀝青技術(shù)要求”[5]，但并不強(qiáng)制要求使用改性瀝青。由于SMA瀝青用量較多，易引起泛油，故多采用稠度較大（較硬）一些瀝青。薄層瀝青罩面具有較大的空隙，與一般的瀝青混凝土相比，更易受日光、空氣、水等的影響，因此要求使用的瀝青對(duì)集料有耐久性的包裹力、高粘附性，同時(shí)還要有較強(qiáng)的抗剝離性，能以較厚的薄膜包裹集料等各種高性能，因此一般采用軟化點(diǎn)和粘度指標(biāo)較高的改性瀝青。本文選用 SBS 改性瀝青，其各項(xiàng)指標(biāo)見表 1。

3.2集料。

3.2.1粗集料。

從 SMA 成型機(jī)理可知，它之所以有較高的高溫穩(wěn)定性，是基于含量較多的粗集料之間的嵌擠作用，嵌擠作用的好壞在很大程度上取決于集料石質(zhì)的堅(jiān)韌性、顆粒形狀和棱角性。用于薄層罩面 SMA 的粗集料應(yīng)均勻、潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，并且有足夠的強(qiáng)度、耐磨耗性、抗凍性、耐腐蝕性、抗沖擊性、耐磨光性、抗破碎性以及與瀝青良好的粘附性，必須符合抗滑表層混合料的技術(shù)要求，必須嚴(yán)格限制集料的扁平顆粒含量[6];所使用的碎石不能用顎板式軋石機(jī)破碎，要用捶擊式或錘式碎石機(jī)破碎。粗集料最好玄武巖或花崗巖等硬質(zhì)石料，且要保證與瀝青具有較好的粘附性。本文選用玄武巖，為了減小試驗(yàn)誤差，所用碎石全部采用單一粒徑并水洗后備用，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E42-2005）》對(duì)各粒徑碎石進(jìn)行試驗(yàn)，粗集料（粒徑≥2.36mm）各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3.2.2細(xì)集料。

細(xì)集料在 SMA 中占很少比例，但對(duì)其性能影響卻不小，天然砂、石屑和機(jī)制砂都可用于混合料，但性能差別很大。天然砂經(jīng)過多年的風(fēng)化、搬運(yùn)，一般比較堅(jiān)硬，耐久性較好，但顆粒基本上是球形顆粒，與瀝青粘附性差，對(duì)高溫抗車轍能力不利;石屑是破碎石料時(shí)的下腳料，其中扁平顆粒含量較高，且強(qiáng)度較差，故要限制其使用;機(jī)制砂有良好的棱角性和嵌擠性能，對(duì)提高高溫穩(wěn)定性有利。細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化和雜質(zhì)。本論文采用玄武巖機(jī)制砂，為了減少顆粒級(jí)配不穩(wěn)定帶來的誤差，所用機(jī)制砂全部采用單一粒徑并水洗烘干后備用。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E42-2005）》進(jìn)行試驗(yàn)，其各粒徑主要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

3.2.3填料。

填料通常指礦粉，有時(shí)還用水泥、消石灰、粉煤灰替代礦粉。礦粉在瀝青混合料中的作用至關(guān)重要，瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對(duì)粗、細(xì)集料產(chǎn)生粘附作用。礦粉必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料磨細(xì)得到，礦粉應(yīng)干燥、潔凈、不含雜質(zhì)[7]。本文采用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E42-2005）》進(jìn)行試驗(yàn)，其質(zhì)量要求如表 4所示。

表3細(xì)集料質(zhì)量要求

3.3纖維。

在 SMA 混合料中一般摻加纖維作為穩(wěn)定劑，NCAT 的研究表明，摻加纖維防止瀝青析漏的功效比聚合物改性瀝青的效果要好的多[8]，纖維的主要作用有：加筋作用、分散作用、吸附及吸收瀝青的作用、穩(wěn)定作用和增粘作用。本研究采用松散的絮狀木質(zhì)素纖維作為穩(wěn)定劑，它是天然木材經(jīng)過化學(xué)處理得到的有機(jī)纖維，在通常條件下是化學(xué)上非常穩(wěn)定的物質(zhì)，不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕，具有無毒、無味、無污染、無放射性的優(yōu)良品質(zhì)，不影響環(huán)境，對(duì)人體無害，屬綠色環(huán)保產(chǎn)品，這是其它礦物質(zhì)素纖維所不具備的，且比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，得到了廣泛應(yīng)用。木質(zhì)素纖維的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見表 5。

表5木質(zhì)素纖維試驗(yàn)結(jié)果

3.4薄層罩面的配合比設(shè)計(jì)。

（1）瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)主要包括礦料級(jí)配與最佳瀝青用量的確定兩部分。SMA配合比設(shè)計(jì)主要包括集料骨架和瀝青瑪蹄脂填充料的設(shè)計(jì)。不同的礦料級(jí)配構(gòu)成不同的骨架結(jié)構(gòu)，SMA 屬于骨架——密實(shí)型結(jié)構(gòu)，這種瀝青混合料具有較高的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力，強(qiáng)度構(gòu)成主要來源于瀝青結(jié)合料的粘結(jié)力和集料間的內(nèi)摩阻力，故SMA在集料和瀝青結(jié)合料的選用上有一定的要求[9]。在級(jí)配的選擇上，由于薄層罩面的特殊性，SMA-10級(jí)配范圍在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）基礎(chǔ)上稍作調(diào)整（LSMA），增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄層罩面類型的級(jí)配范圍見表6。

表6SMA-10級(jí)配范圍

（3）因此，采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 SMA 瀝青混合料的最佳油石比為6.0%，并采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料性能進(jìn)行檢驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8析漏、飛散試驗(yàn)結(jié)果

（4）由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，其析漏、飛散指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，故最終確定 SMA瀝青混合料最佳油石比為6.0%。

（5）瀝青路面的路用性能主要包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗滑性等。只有保證路面具有優(yōu)良的路用性能，才能使路面經(jīng)久耐用、運(yùn)行安全和舒適。薄層罩面SMA-10的路用性能試驗(yàn)結(jié)果如表9。

表9薄層罩面SMA-10的路用性能試驗(yàn)結(jié)果

t： minor-fareast;mso-hansi-font-family：Calibri;mso-hansi-theme-font：minor-latin'>，增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄層罩面類型的級(jí)配范圍見表6。

表6SMA-10級(jí)配范圍

（6）由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，路用性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，因此，薄層罩面的配合比設(shè)計(jì)滿足要求。

4. 小結(jié)

（1）通過對(duì)常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時(shí)對(duì)薄層罩面 SMA-10 的原材料進(jìn)行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

（2）通過對(duì)薄層罩面SMA進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及路用性能檢驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定SMA-10的級(jí)配范圍和瀝青用量。

（3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術(shù)材料優(yōu)選及組成設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]長(zhǎng)安大學(xué)、陜西省公路局.瀝青路面抗滑表層技術(shù)研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]劉少偉等.五種方案薄層瀝青混凝土罩面試驗(yàn)段的比較分析和評(píng)價(jià)[C].中國(guó)公路學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2005.

[4]沙慶林.瀝青面層的技術(shù)狀況和發(fā)展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]張玉富，楊瑞華，許志鴻.SMA 和 SAC 的路用性能比較[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級(jí)配組成及路用性能的研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設(shè)計(jì)與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛?cè)釓?fù)合式路面界面層強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2009.4（6）：1～3.

[基金項(xiàng)目]河南省2013年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（132102210464）：瀝青路面纖維增強(qiáng)封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

[文章編號(hào)]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡(jiǎn)介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事公路工程技術(shù)工作。

4. 小結(jié)

?? （1）通過對(duì)常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時(shí)對(duì)薄層罩面 SMA-10 的原材料進(jìn)行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

?? （2）通過對(duì)薄層罩面SMA進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及路用性能檢驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定SMA-10的級(jí)配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術(shù)材料優(yōu)選及組成設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

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[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級(jí)配組成及路用性能的研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設(shè)計(jì)與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

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[基金項(xiàng)目]河南省2013年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（132102210464）：瀝青路面纖維增強(qiáng)封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

[文章編號(hào)]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡(jiǎn)介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事公路工程技術(shù)工作。

4. 小結(jié)

?? （1）通過對(duì)常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時(shí)對(duì)薄層罩面 SMA-10 的原材料進(jìn)行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

?? （2）通過對(duì)薄層罩面SMA進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及路用性能檢驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定SMA-10的級(jí)配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術(shù)材料優(yōu)選及組成設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

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[6]姜景全，劉剛.高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)罩面層混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級(jí)配組成及路用性能的研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面設(shè)計(jì)與鋪筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陳李峰.剛?cè)釓?fù)合式路面界面層強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2009.4（6）：1～3.

[基金項(xiàng)目]河南省2013年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（132102210464）：瀝青路面纖維增強(qiáng)封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

[文章編號(hào)]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡(jiǎn)介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事公路工程技術(shù)工作。

4. 小結(jié)

?? （1）通過對(duì)常用薄層罩面類型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析選擇 SMA 混合料作為薄層罩面類型。 同時(shí)對(duì)薄層罩面 SMA-10 的原材料進(jìn)行研究分析，瀝青、礦料均滿足要求。

?? （2）通過對(duì)薄層罩面SMA進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及路用性能檢驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定SMA-10的級(jí)配范圍和瀝青用量。

?? （3）成果為纖維瀝青薄層罩面技術(shù)材料優(yōu)選及組成設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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[7]李小松，用于薄層罩面的 AC-10 瀝青混凝土級(jí)配組成及路用性能的研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.6.

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[基金項(xiàng)目]河南省2013年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（132102210464）：瀝青路面纖維增強(qiáng)封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

[文章編號(hào)]1619-2737（2014）10-20-816

[作者簡(jiǎn)介] 劉劍剛（1973-），男，籍貫：河南平頂山人，職稱：高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事公路工程技術(shù)工作。