瀝青路面超薄罩面層的材料組成與抗滑性能

張永強(qiáng)

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引 言

瀝青路面作為一種無(wú)接縫連續(xù)式路面，以其平整度好、行車舒適、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)單、適于分期修建等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用［1］。然而，中國(guó)許多地區(qū)的瀝青路面在投入使用不久后便出現(xiàn)了磨光、裂縫、松散、車轍等引起表面功能衰減的早期病害［2］。瀝青路面表層功能衰減將降低路面的抗滑性能，而行車安全與瀝青路面的抗滑性能密切相關(guān)。瀝青路面表層摩擦系數(shù)下降導(dǎo)致車輛制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)而引發(fā)交通事故，尤其是在雨雪天氣條件下，路面抗滑系數(shù)急劇降低，交通事故更容易發(fā)生［3－4］。因此，改善瀝青路面的抗滑性能、提高行車安全是道路養(yǎng)護(hù)中首先要解決的問題。為了提高道路的服務(wù)質(zhì)量并確保車輛通行安全，常用的手段是通過(guò)加鋪超薄罩面層對(duì)瀝青路面表層功能進(jìn)行恢復(fù)［5－6］。目前，常見的瀝青路面超薄罩面層材料有Superpave－5、SMA－05、AC－05、OGFC－10、NovaChip（A／B／C）等［7－8］，最為常用的薄層罩面層材料為 SMA－05、AC－05、OGFC－10，本文對(duì)這3種混合料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性，重點(diǎn)研究3種混合料抗滑性能衰減規(guī)律，從材料組成角度分析瀝青路面超薄罩面層的抗滑性能差異。

1 超薄罩面層的材料組成

1．1 瀝青結(jié)合料制備

采用SK－90＃基質(zhì)瀝青和TPS高黏改性劑制備超薄罩面層用改性瀝青，基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

TPS改性劑購(gòu)自日本大有株氏會(huì)社，主要成分為熱塑性彈性體高聚物材料及部分增黏樹脂和增塑劑，是一種高黏度瀝青改性添加劑，其宏觀形貌如圖1所示。

圖1 TPS改性劑宏觀形貌

1．2 礦料性質(zhì)

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）的要求選用各種規(guī)格的玄武巖石料，粗集料、細(xì)集料和礦粉的技術(shù)指標(biāo)分別如表2～4所示，礦粉密度采用李氏比重瓶法測(cè)定，介質(zhì)為煤油。1＃礦料粒徑為2．36～4．75mm，2＃礦料粒徑為4．75～9．5mm。

1．3 礦料級(jí)配

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）優(yōu)選3種級(jí)配，如表5所示。

表2 粗集料的技術(shù)質(zhì)量要求

表3 細(xì)集料的技術(shù)質(zhì)量要求

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表5 礦料級(jí)配組成

1．4 最佳油石比的確定

1．4．1 AC－05混合料

初步選定油石比為5．1%、5．6%、6．1%、6．6%和7．1%，按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法確定瀝青混合料的最佳油石比，成型試件時(shí)擊實(shí)次數(shù)為雙面擊實(shí)50次，試驗(yàn)結(jié)果如表6和圖2所示。

表6 不同油石比下AC－05混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 馬歇爾指標(biāo)隨油石比的變化

由圖2可知，毛體積密度最大值、目標(biāo)空隙率中值、穩(wěn)定度最大值、瀝青飽和度中值對(duì)應(yīng)的油石比分別是5．7%、5．6%、5．4%、5．25%，取它們的平均值5．7%作為OAC1；其次，取各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值5．8%作為OAC2，最后取OAC1和OAC2的平均值作為最佳油石比，計(jì)算得到的最佳油石比為5．7%，即最佳瀝青用量為5．4%。

1．4．2 SMA－05混合料

初步選定油石比為5．4%、5．7%、6．0%、6．3%和6．6%，按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法確定瀝青混合料的最佳油石比，成型試件時(shí)擊實(shí)次數(shù)為雙面擊實(shí)50次，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同油石比下SMA－05混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中SMA混合料配合比設(shè)計(jì)方法，確定最佳油石比為6．0%，即最佳瀝青用量為5．7%。

1．4．3 OGFC－10混合料

分別選取4．6%、4．9%和5．3%三個(gè)油石比，拌制3組瀝青混合料，每個(gè)試件雙面擊實(shí)50次，按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法確定OGFC－10混合料的瀝青最佳用量，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同油石比下OGFC－10混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量。其試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 油石比驗(yàn)證結(jié)果

中國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）中要求開級(jí)配瀝青混合料的飛散損失控制在30%以下，但OGFC－10最大公稱粒徑只有9．5mm，飛散損失在20%時(shí)，OGFC－10混合料試件破壞程度非常嚴(yán)重，因此根據(jù)規(guī)范要求確定OGFC－10混合料析漏損失小于0．3%，飛散損失小于15%，結(jié)合馬歇爾物理－力學(xué)指標(biāo)結(jié)果綜合確定最佳油石比為5．3%，最佳瀝青用量為5．1%。

2 超薄罩面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

超薄罩面層作為路面的磨耗層，不僅對(duì)原有路面起著預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作用，而且直接承受著車輛荷載的磨耗作用和壓密作用［9］。在夏季高溫季節(jié)，超薄罩面層總是處于面層最高溫區(qū)，因此其高溫穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)起著重要作用，研究其高溫穩(wěn)定性非常必要［10－12］。本文采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)超薄罩面層的高溫穩(wěn)定性。分別將拌合均勻的3種瀝青混合料按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）要求成型300mm×300mm×50mm標(biāo)準(zhǔn)試件，并進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗(yàn)及動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知，3種級(jí)配類型混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，這是由于3種混合料都使用TPS高黏改性瀝青，其黏韌性、韌性較好，增強(qiáng)了混合料內(nèi)部瀝青膠漿的內(nèi)聚力，減少了高溫時(shí)集料與瀝青界面的內(nèi)聚破壞。與AC－05、OGFC－10混合料相比，SMA－05混合料車轍深度更小，動(dòng)穩(wěn)定度更高，抗車轍性能更優(yōu)。SMA－05屬于骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，混合料內(nèi)部有足夠的粗集料形成嵌擠骨架，瀝青、礦粉所組成的瀝青膠漿能合理填充到骨架空隙內(nèi)，而且膠漿具有較大的勁度模量和黏結(jié)強(qiáng)度，更有利于 SMA－5混合料高溫穩(wěn)定性的提高［13－15］。

3 超薄罩面層瀝青混合料抗滑性能的衰減

3．1 加速磨耗試驗(yàn)

采用自制的路面表層加速磨耗試驗(yàn)裝置對(duì)上述3種超薄罩面層混合料進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)，如圖3所示。該裝置基本的技術(shù)參數(shù)及功能如下。

（1）設(shè)備自重為200kg，預(yù)設(shè)加載力為50N，自動(dòng)保壓，試驗(yàn)輪外圈材質(zhì)為汽車輪胎用橡膠，胎壓范圍為0．6～0．8MPa，橡膠輪輪跡面積為13．5cm2，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為30r·min－1，三輪在試件上的輪跡圓環(huán)外環(huán)直徑為290mm，輪跡與摩擦系數(shù)測(cè)試儀（DFT）輪跡相符。

（2）通過(guò)3個(gè)橡膠輪胎在試件環(huán)道上的運(yùn)行模擬車輛輪胎在瀝青路面上的往復(fù)運(yùn)行，設(shè)定的磨耗圈數(shù)完成后儀器自動(dòng)停止，輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及輪胎負(fù)荷可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，并且通過(guò)激光數(shù)顯裝置顯示，以便模擬不同的交通條件，從而通過(guò)測(cè)試瀝青混合料的抗滑性能，研究路面表層材料的抗滑衰減規(guī)律。

（3）可模擬潮濕路面的磨耗，在磨耗過(guò)程中水淋裝置能隨儀器同時(shí)啟動(dòng)，并且通過(guò)回收泵將積水從試驗(yàn)槽中抽出，回流進(jìn)入蓄水槽中循環(huán)使用。

3．2 超薄磨耗層抗滑性能衰減趨勢(shì)分析

采用上述三輪磨耗設(shè)備對(duì)成型試驗(yàn)板進(jìn)行加速磨耗，三輪整體旋轉(zhuǎn)次數(shù)設(shè)為0、5 000、10 000、15 000、20 000、25 000、30 000；然后進(jìn)行 DFT 測(cè)試，采用摩擦系數(shù)DF60（μ）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)指的是滑移速度為60km·h－1時(shí)所得到的動(dòng)摩擦系數(shù)值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 摩擦系數(shù)隨磨耗次數(shù)的變化曲線

隨著磨耗加載次數(shù)的增加，不同級(jí)配超薄罩面層混合料抗滑性能的演變規(guī)律是一致的，即摩擦系數(shù)隨磨耗次數(shù)的增加而下降，降幅不斷趨緩至穩(wěn)定。磨耗次數(shù)為10 000～20 000時(shí)，曲線斜率變化較大，出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后超薄罩面層混合料的抗滑性能逐漸衰減至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于不同級(jí)配類型的超薄罩面層混合料，OGFC－10的摩擦系數(shù)大于SMA－05、AC－05，但隨磨耗次數(shù)增加，OGFC－10混合料摩擦系數(shù)的衰減幅度是最大的。OGFC－10礦料類型為開級(jí)配，其主要骨架結(jié)構(gòu)是集料與集料之間的嵌擠作用，粗集料較多，空隙率較大。初始時(shí)混合料的宏觀紋理較好，但大空隙率混合料表面覆蓋的瀝青膜相對(duì)較多，在荷載的作用下，集料易產(chǎn)生遷移；隨磨耗次數(shù)增多，摩擦系數(shù)的衰減幅度增大，這表明摩擦系數(shù)衰減趨勢(shì)不僅與路面紋理有關(guān)，還與混合料材料組成有關(guān)。SMA－05衰減速率始終保持較低水平，且摩擦系數(shù)初值與終值均保持較高水平，可見，在超薄罩面層長(zhǎng)期抗滑能力耐久性方面，SMA－05混合料性能較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）以TPS高黏改性瀝青為結(jié)合料，優(yōu)選3種礦料級(jí)配，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)方法確定超薄罩面層AC－05、SMA－05、OGFC－10混合料的最佳油石比分別為5．7%、6．0%和5．3%。

（2）車轍試驗(yàn)表明，SMA－05混合料抗車轍能力最優(yōu)，因其骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)使得混合料內(nèi)部粗集料形成嵌擠骨架，加之TPS高黏改性瀝青結(jié)合料良好的膠結(jié)作用，具有較大勁度模量和黏結(jié)強(qiáng)度的瀝青膠漿填充到骨架空隙中后，有利于SMA－05混合料高溫穩(wěn)定性的提高。

（3）加速磨耗試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在初始階段，OGFC－10混合料的摩擦系數(shù)大于SMA－05和AC－05，但其摩擦系數(shù)衰減速率最大，而SMA－05衰減速率始終保持在較低水平且摩擦系數(shù)較大，因此，SMA－05混合料的長(zhǎng)期抗滑性能較好。