瀝青混合料性能對NovaChip超薄磨耗層工作性能影響研究

祁 睿

(甘肅省蘭州公路局，甘肅 蘭州 730030)

高速公路在養(yǎng)護過程中經(jīng)常會遇到諸如產(chǎn)生過多銑刨料、要求使用高效的養(yǎng)護方法以減小交通壓力、高速公路的安全性與行車舒適度要求高等問題，而NovaChip超薄磨耗層路面施工技術(shù)具有無需銑刨原路面、瀝青混合料與乳化瀝青同步施工、碾壓快速、降低噪音、造價相對較低等優(yōu)勢。NovaChip超薄磨耗層系統(tǒng)，是指采用專門的攤鋪設(shè)備將NovaBond乳化瀝青防水粘接層和NovaBinder斷級配混合料同步成型的高效快速養(yǎng)護方案[1-4]，其優(yōu)良性能已通過大量工程實例得到了充分的證明。NovaChip超薄磨耗層采用專用設(shè)備NovaPaver進行施工，其包含受料斗、乳化瀝青儲罐、寬度可調(diào)節(jié)的振動熨平板、傳送帶、NovaBond噴灑與計量系統(tǒng)等，能一次性完成NovaBond的噴灑、熱瀝青混合料攤鋪及熨平等工作[5-6]，并在NovaBond噴灑后快速對熱瀝青混合料進行攤鋪。用鋼輪壓路機靜壓至少兩遍后，便可使得乳化瀝青粘結(jié)層破乳，實現(xiàn)超薄熱拌瀝青混合料與原路面的充分粘結(jié)，在1 h之內(nèi)路面溫度可降至50℃，進而開放交通。

NovaChip超薄磨耗層路面施工技術(shù)符合我國國內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)發(fā)展的需求，國內(nèi)外專家學(xué)者也對此進行了一系列的研究。王軍[1]對NovaChip超薄磨耗層以試驗的方式，對其抗滑性能、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、降噪效果及配合比設(shè)計進行了研究，并對正在運營的5條高速公路進行了跟蹤觀測，觀測結(jié)果表明，超薄磨耗層在各條高速公路中的相應(yīng)性能均滿足規(guī)范要求，且能有效改善路面的平整度、抗滑性、車轍以及路面破損，降噪效果明顯，各項指標在運營5年內(nèi)都能保持較好的狀態(tài)。王宏飛[2]研究了在隧道路面的抗滑處治工程中，NovaChip超薄磨耗層各項因素對路面工作性能的影響，研究結(jié)果表明，超薄磨耗層的應(yīng)用，能夠明顯地改善路面的安全性能和行車舒適性，有效地對路面進行降噪，顯著提高路面的抗滑性能和國際平整度指數(shù)。

白志強[3]以湖南郴寧高速公路作為研究對象，介紹了NovaChip超薄磨耗層瀝青混合料對應(yīng)的配合比優(yōu)化設(shè)計過程，并取得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過多次試驗驗證及跟蹤觀測研究，發(fā)現(xiàn)超薄磨耗層的各項指標和性能均能滿足設(shè)計與使用要求。熊健等[4]測試了不同運營時間的NovaChip超薄磨耗層的路面噪音，并與其他類型的路面在此方面的區(qū)別及其影響因素進行了進一步的對比分析。研究結(jié)果表明，不同路面的抗滑系數(shù)與瀝青路面的降噪性能之間并沒有太多直接的聯(lián)系，而路面難度滲水系數(shù)及其構(gòu)造深度則與路面降噪性能之間有直接的聯(lián)系。吳喜榮[7]結(jié)合彈性破壞理論的彎曲應(yīng)變密度臨界值、彈塑性斷裂力學(xué)理論J積分的斷裂韌性和雙線型黏聚力模型的黏聚力以及裂縫張開位移四個指標，采用試驗的方式研究了三種不同類型的瀝青混合料在不同溫度條件下的抗裂性能，研究結(jié)果表明，0℃以下時，可以用彎曲應(yīng)變密度臨界值對瀝青混合料的抗裂性能進行評價，且具有較高的可靠性。

以往的研究，大多基于NovaChip超薄磨耗層自身的工作性能或工作性能的判定方式，以及材料自身的性能[5-6,8-17]，但并未對瀝青混合料性能與配合比對NovaChip超薄磨耗路用性能的影響及具體的影響程度進行研究，因此，基于對NovaChip超薄磨耗層瀝青混合料的材料性能及配合比進行控制，并將其應(yīng)用于實際工程中，經(jīng)過長時間的觀測對確定超薄磨耗層的工作性能進行研究。

1 材料質(zhì)量控制與實際級配確定

1.1 材料質(zhì)量控制

NovaChip超薄磨耗層主要原材料包括集料、瀝青、礦粉等。本研究中瀝青混合料的結(jié)合料為殼牌公司生產(chǎn)的NovaBinder專用改性瀝青，粘結(jié)料亦采采用該公司生產(chǎn)的NovaBond專用改性乳化瀝青，二者皆為該公司專門針對NovaChip系統(tǒng)所研制的新型材料。改性瀝青與改性乳化瀝青的檢測結(jié)果分別見表1與表2。

表1 NovaBinder改性瀝青性能檢測結(jié)果表

如表1所示，NovaBinder專用改性瀝青的各項指標均滿足規(guī)范要求與本項目相關(guān)的技術(shù)要求。

表2 NovaBond改性乳化瀝青性能檢測結(jié)果表

如表2所示，NovaBond改性乳化瀝青的各項指標均滿足規(guī)范要求與本項目相關(guān)的技術(shù)要求。

NovaChip超薄磨耗層要求集料中的碎石保持干凈、堅硬，且具有較好的耐久性和粘附性，本研究中所檢測的碎石指標均滿足相關(guān)規(guī)定中瀝青混合料用集料質(zhì)量相的應(yīng)要求。檢測所采用的碎石為當?shù)氐男鋷r碎石。在對集料的檢測過程中，將集料分為“細集料0-3”、“集料5-10”、“集料10-15”三個不同的測區(qū)進行檢測，其對應(yīng)的表觀相對密度、砂當量、亞甲藍值、吸水率，針片狀含量等分別進行了檢測，檢測結(jié)果表明，本研究所用碎石的各項指標與性能均滿足規(guī)范與項目的技術(shù)要求。

本研究的礦粉采用石灰石加工生產(chǎn)而成的礦粉。其所檢指標包括表觀密度、表觀相對密度、加熱安定性、含水率、親水系數(shù)、粒度范圍、外觀等均滿足規(guī)范以及實際工程中瀝青混合料用礦粉質(zhì)量相應(yīng)要求。

1.2 實際級配確定

在進行級配設(shè)計時，首先根據(jù)集料的篩分結(jié)果，初步選定三個級配，分別為級配1、級配2、級配3，三種級配的礦料比例明細表詳見表3。

表3 三種級配的礦料比例明細表

初選級配完成后，根據(jù)工程實際應(yīng)用情況選擇油石比，采用旋轉(zhuǎn)壓實100次成型試件進行試驗，單位壓力為600 kPa，用以得出試件的體積指標。成型前根據(jù)以往的研究成果與施工經(jīng)驗，先預(yù)估初始油石比為5.1%。進行試件的成型的試驗結(jié)果如表4所示。

由表3與表4可得，級配3各項指標均滿足NovaChip超薄磨耗層的設(shè)計要求。因此根據(jù)所述結(jié)果，選擇級配3為設(shè)計級配。設(shè)計級配確定之后，還需確定瀝青混合料的最佳油石比。因此，根據(jù)以往的研究結(jié)果和施工經(jīng)驗，先預(yù)估初始油石比(5.1%)然后變化±0.2%，選定4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四個逐次遞增的油石比進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，壓實次數(shù)N=100。不同油石比條件下設(shè)計級配的各項指標試驗檢測結(jié)果見表5。

表4 三種試件級配體積指標及其他指標試驗結(jié)果匯總

表5 不同油石比NovaChip C型設(shè)計級配各項指標試驗結(jié)果匯總

根據(jù)表5中4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四個油石比的各項性能檢測結(jié)果，并結(jié)合當?shù)貧夂驐l件及以往設(shè)計與施工經(jīng)驗，選取5.1%為設(shè)計油石比。

1.3 NovaChip C型瀝青混合料性能驗證

1.3.1 水穩(wěn)定性驗證

根據(jù)設(shè)計級配及油石比對瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，油石比為5.1%的超薄磨耗層混合料的抗水損害能力滿足設(shè)計要求。具體檢測結(jié)果見表6。

表6 凍融劈裂試驗結(jié)果

1.3.2 高溫穩(wěn)定性驗證

判定瀝青混合料路用性能的主要指標之一就是高溫穩(wěn)定性，室內(nèi)試驗常用的方法是車轍試驗。根據(jù)已經(jīng)選定的設(shè)計級配及油石比，在60℃±1℃，0.7 MPa±0.05 MPa的條件下進行瀝青混合調(diào)料的車轍試驗。車轍動穩(wěn)定度試驗結(jié)果見表7。

表7 車轍試驗動穩(wěn)定度

由試驗結(jié)果可知，本研究選定的NovaChip超薄磨耗層改性瀝青混合料符合高溫穩(wěn)定性規(guī)范技術(shù)要求。

1.3.3 析漏試驗驗證

超薄磨耗層的油膜厚度比普通情況較大，因此，瀝青的用量比常規(guī)要多，但是在實際工程中，瀝青的總量不能過大，必須小于礦料表面積能吸附的最大量，以避免剩余的自由瀝青出現(xiàn)上泛或合料強度下降的情況，也會對路面的構(gòu)造深度和高溫穩(wěn)定性造成一定影響。故而必須進行析漏試驗用以測定膠結(jié)料的最大瀝青用量。根據(jù)選定的設(shè)計級配與油石比，用網(wǎng)籃法進行析漏試驗。試驗條件為185℃±2℃，并將混合料在此溫度條件下保溫1 h±5 min后進行析漏試驗。試驗結(jié)果見表8。

表8 NovaChip C型析漏試驗結(jié)果

析漏試驗的結(jié)果表明，本試驗在油石比為5.1%的條件下確定的混合料，其析漏指標符合NovaChip超薄磨耗層的技術(shù)要求。

綜上，經(jīng)過試驗驗證及相關(guān)檢測，本研究所設(shè)計的NovaChip C型瀝青混合料的各項指標均滿足相關(guān)規(guī)定及施工要求，試驗所得的配合比可用于實際工程。

2 實際應(yīng)用及其工作性能

2.1 工程概況

某地高速于2002年已經(jīng)建成通車，已運營17年，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[18](JTG D50—2017)關(guān)于高速公路路面設(shè)計壽命的相關(guān)規(guī)定為，已進入路面使用壽命的中、后期。通過檢測，該路段路面使用性能PQI平均值93.93，路面損壞PCI平均值93.27，路面車轍深度RDI平均值92.93，行駛質(zhì)量RQI平均值93.73，路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI分布百分率優(yōu)占93.29，即評價為優(yōu)，以上數(shù)據(jù)充分說明該路段綜合質(zhì)量良好。然而，考慮到該路段是連接本地市區(qū)與機場的重要通道，也是該省高速公路網(wǎng)的重要組成部分，故而為了延長該路段使用壽命，降低道路維修頻率，提高路面使用性能，且該路段的路面情況與力學(xué)指標均符合NovaChip超薄磨耗層的應(yīng)用條件，在對路面實現(xiàn)高效、快速的養(yǎng)護，延長使用壽命的同時，又能減少交通延誤提高安全性能，因此，使用NovaChip超薄磨耗層技術(shù)對該路段路面進行預(yù)防性養(yǎng)護。

2.2 路面工作情況

為了更加方便研究NovaChip超薄磨耗層的預(yù)防性養(yǎng)護對現(xiàn)有路面工作性能的改善情況，本研究分為三個不同的階段對該路面的各項指標進行現(xiàn)場檢測。第一階段為預(yù)防性養(yǎng)護實施前對原路面進行檢測，第二階段為超薄磨耗層路面施工結(jié)束一周后對施工路面進行檢測，第三階段為NovaChip超薄磨耗層對原路面進行預(yù)防性養(yǎng)護施工結(jié)束并運營4個月后進行的跟蹤檢測。對路面的檢測內(nèi)容包括噪音、構(gòu)造深度、平整度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)等方面，檢測結(jié)果見表9、表10。

表9 原路面與NovaChip實施后現(xiàn)場檢測結(jié)果

表10 對比噪音檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，路面行駛噪音與原路面相比，降低了約2分貝～4分貝；同時路面平整度、抗滑性能、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)與原路面相比，均有了大幅提升。究其原因，NovaChip超薄磨耗層采用了斷級配骨架空隙結(jié)構(gòu)，空隙率較高，可以有效地降低路面行駛過程中產(chǎn)生的噪音，減少了交通噪音給周邊居民日常生活帶來的影響。此外，由于NovaChip路面較高的空隙率，且大部分為連通空隙，造成了其滲水系數(shù)大于普通密級配瀝青路面，因此路面積水可以沿著孔隙及時排除到側(cè)面，路面上很少出現(xiàn)積水，可以有效增大路面的抗滑性，提高行車安全性。

3 小 結(jié)

通過將選定的材料按照設(shè)計配合比進行試驗驗證后應(yīng)用到工程實際中，并對路面進行長期觀測后驗證了瀝青混合料性能對NovaChip超薄磨耗層的影響。試驗及觀測結(jié)果表明：

(1) 對原材料的性能進行檢測鑒定，保證原材料性能滿足實際工程的應(yīng)用后，確定了最優(yōu)級配，結(jié)合當?shù)貧夂驐l件及以往設(shè)計與施工經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該級配下最佳油石比為5.1%。

(2) 油石比為5.1%時，對瀝青混合料進行了水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、析漏試驗等各方面的驗證，試驗結(jié)果表明，該瀝青混合料性能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，可以應(yīng)用于實際工程。

(3) 將試驗確定的配合比應(yīng)用于實際工程中并進行長期的跟蹤觀測，觀測結(jié)果表明，用NovaChip超薄磨耗層對高速公路進行預(yù)防性養(yǎng)護，路面可以達到較好的降噪、防滑效果，同時實現(xiàn)對路基的保護，延長路面的使用壽命。