Superlayer 超薄磨耗層在廈蓉高速?gòu)B成段的技術(shù)控制

■洪月華

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司漳州管理分公司， 漳州 363005）

廈蓉高速公路廈成線（以下簡(jiǎn)稱“廈成線”）為雙向六車道，作為連接廈門至龍巖、贛州的高速公路主干道，于2013 年通車以來(lái)，瀝青路面頻繁承受重型運(yùn)輸車輛的輪載作用，目前已出現(xiàn)部分第3 車道早期路面性能衰退現(xiàn)象，據(jù)交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年廈成線平均日交通量為45 901 輛，且重車比例占達(dá)35.3%。 該路段2020 年路面技術(shù)狀況檢測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)（路面性能檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1） 按照J(rèn)TG 5421-2018《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》 要求采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以提高路面損壞指數(shù)、車轍深度指數(shù)、路面抗滑性能指數(shù)，并有效降低行車產(chǎn)生的噪音音貝等路用功能，從而延長(zhǎng)道路服務(wù)壽命。

表1 路面性能檢測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)

1 設(shè)計(jì)方案

廈成線設(shè)計(jì)方案采用對(duì)原路面局部病害進(jìn)行處治后， 加鋪15 mm 厚Superlayer 磨耗層體系，該超薄罩面采用富瀝青用量的骨架密實(shí)型間斷級(jí)配設(shè)計(jì)， 將熱拌Superlayer 改性瀝青混合料同步鋪筑于高黏改性乳化瀝青黏層之上所形成的（15±3）mm超薄罩面。

2 磨耗層瀝青材料選擇

為解決15 mm 厚的磨耗層層間承受極大水平剪應(yīng)力和脫層問(wèn)題，Superlayer 磨耗層的黏層采用破乳速度快、固含量高、黏度大、抗剪強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良的高黏改性乳化瀝青（技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2）。同時(shí)， 為提高磨耗層的混合料低溫及疲勞抗裂性能， 采用Superlayer 高黏高彈改性瀝青作為膠結(jié)料（技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3），其設(shè)計(jì)油石比≥6.5%，軟化點(diǎn)（TR&B）≥90℃，瀝青膜厚度DA≥9 μm，再加上混合料的骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)，有效提高瀝青混合料高溫、低溫及疲勞性等綜合性能。

3 磨耗層級(jí)配設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

集料磨耗性是反映瀝青路面抗滑磨性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，加鋪超薄罩面做為路面表面層常期受外界環(huán)境的侵蝕及行車輪胎的摩擦損耗，能否有效保證路面集料在使用過(guò)程中的耐磨及耐久性能，直接關(guān)乎道路行車安全。 為提高磨耗層表面磨光磨損過(guò)程，磨耗層粗集料采用質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙、耐磨、具有良好嵌擠能力的玄武巖碎石，并以微狄法爾磨耗損失≤18%作為碎石控制所選用關(guān)鍵性指標(biāo)。

Superlayer 磨耗層采用瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中的馬歇爾設(shè)計(jì)法作為基本方法和依據(jù)，但馬氏設(shè)計(jì)法同Superpave 設(shè)計(jì)法均屬于瀝青混合料性能的平衡設(shè)計(jì)法， 因此在馬氏設(shè)計(jì)法基礎(chǔ)上同時(shí)采用CAVF 法[1]（由張肖寧教授及其團(tuán)隊(duì)從材料組成體積方面入手，提出了瀝青混合料組成設(shè)計(jì)主骨料空隙填充法）與貝雷法[2]（由美國(guó)伊利諾州交通部的羅伯特·貝雷（RobertBailey）先生提出的貝雷級(jí)配設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方法， 提出了混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中粗集料骨架嵌擠程度的確定方法， 考慮了各組成集料填充特性的級(jí)配方法及判定法則） 結(jié)合使用進(jìn)行磨耗層級(jí)配設(shè)計(jì)， 通過(guò)CAVF 法檢驗(yàn)瀝青混合料是否滿足VCAmix≤VCADRC與貝雷參數(shù)CA、FAC 與FAf等指標(biāo)范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)（表4）。

表4 Superlayer 改性瀝青混合料礦料級(jí)配范圍

3.1 CAVF 法確定級(jí)配

磨耗層采用3 種規(guī)格分別為4.75～8 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm 的玄武巖集料與石灰?guī)r礦粉作為填料。 按照體積關(guān)系，粗集料、細(xì)集料、礦粉以及瀝青用量的質(zhì)量百分率分別為qc、qf、qp、qa， 粗集料骨架緊裝空隙率及瀝青混合料設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率VCADRC、VV 之間具有如下的組成關(guān)系：

其中：γs為粗集料緊裝密度；γf和γp分別為細(xì)集料和礦粉的表觀相對(duì)密度；γa為瀝青的相對(duì)密度。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)與交通組成等因素，對(duì)混合料的設(shè)計(jì)空隙率VV、瀝青用量qa與礦粉用量qp進(jìn)行設(shè)定，將粗集料qc、細(xì)集料qf占比作為未知變量，通過(guò)上述公式（1）、（2）可以計(jì)算其變量結(jié)果。 本項(xiàng)目擬定混合料油石比為6.5%，設(shè)計(jì)空隙率VV 為4.0%，礦粉摻配比為2.0%，實(shí)測(cè)干搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率VCADRC為39.4%， 通過(guò)試驗(yàn)4.75～8 mm 與2.36～4.75 mm 配比在85∶15 是粗集料緊裝密度最優(yōu)為1.654 g/cm3，細(xì)集料表觀相對(duì)密度與礦粉表觀相對(duì)密度分別為2.991 與2.694，瀝青相對(duì)密度為1.032， 通過(guò)上述公式計(jì)算得出集料粗細(xì)比為72.5%∶26.5%。

最終， 修正后礦料級(jí)配合成百分比為4.75～8 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm： 礦粉=61.5∶11.0∶25.5∶2.0（表5），在馬氏試驗(yàn)前通過(guò)混合料體積參數(shù)[3]， 在已瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率與預(yù)估油石比下可以推算出瀝青膜厚度DA 為12.24 μm≥9 μm。

表5 礦料集料級(jí)配組成

通過(guò)借鑒SMA 設(shè)計(jì)理論， 粗集料骨架間隙率VCAmix≤VCADRC[4]評(píng)價(jià)Superlayer 改性瀝青混合料的骨架性。

3.2 貝雷法級(jí)配檢驗(yàn)貝雷法

核心思想是級(jí)配設(shè)計(jì)中由粗集料顆粒形成嵌擠，細(xì)集料進(jìn)行空隙填充，細(xì)集料的搗實(shí)體積相當(dāng)于粗集料所構(gòu)成的空隙體積。 對(duì)粗細(xì)集料關(guān)鍵篩孔的劃分按公稱最大粒徑（NMPS）的0.22 倍的接近值來(lái)確定（注：因標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸與美國(guó)略有區(qū)別，我國(guó)同濟(jì)大學(xué)著名道路專家林繡賢教授建議0.25 倍更符合我國(guó)實(shí)際情況），如表6 所示。

表6 粗細(xì)集料級(jí)配控制點(diǎn)

為檢驗(yàn)礦料料中粗集料嵌擠情況，在級(jí)配選定后貝雷法通過(guò)3 個(gè)參數(shù)對(duì)級(jí)配的骨架性是否良好進(jìn)行檢驗(yàn)：一是粗集料比（CA 比），主要目的是對(duì)粗集粗的級(jí)配進(jìn)行約束，CA 比過(guò)大則不能形成骨架結(jié)構(gòu)，若太小則容易出現(xiàn)離析；二是細(xì)集料中粗比（FAC比）， 來(lái)反映級(jí)配中細(xì)集料部份粗顆粒與細(xì)顆粒嵌擠填充情況； 三是細(xì)集料中細(xì)比 （FAf比），與FAC比類似，反映級(jí)配中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況。公式如下：

式中：PD2為公稱最大粒徑/2 的通過(guò)率（%）；PPCS為第一控制篩孔的通過(guò)率（%）；PSCS為第二控制篩孔的通過(guò)率（%）；PTCS為第三控制篩孔的通過(guò)率（%）。

計(jì)算3 個(gè)參數(shù)結(jié)果分別為CA=0.54 （0.4～0.65），F(xiàn)AC=0.51（0.4～0.6），F(xiàn)Af=0.6（0.3～0.6）。

建議CA 比控制在0.4～0.6 具有較好的骨架穩(wěn)定性；FAc比主要反映VV 及VMA 的體積特征，F(xiàn)Ac比過(guò)高時(shí)填充細(xì)集含量增大，在0.45 次方級(jí)配曲線圖形成“駝峰”曲線，級(jí)配容易敏感，高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性均差，反之，F(xiàn)Ac比過(guò)低，細(xì)集料中粗顆粒間隙體積無(wú)法足夠填充，VMA 與VV 過(guò)大將導(dǎo)致級(jí)配不均衡，容易滲水出現(xiàn)水損害，建議FAc比控制范圍為0.4～0.6；FAf比與FAc比類似，主要影響混合料的體積特征， 通常VMA 隨其減小而增大， 一般FAf比 控 制 在0.3～0.6。 貝 雷 法 經(jīng) 過(guò)HeritageResearchGroup 近10 年的內(nèi)部使用和普渡大學(xué)進(jìn)一步研究、實(shí)踐和驗(yàn)證，認(rèn)為采用該方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料具有良好的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)達(dá)到密實(shí)的效果。

3.3 馬氏體積參數(shù)與混合料性能驗(yàn)證

磨耗層瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾設(shè)計(jì)法，按照重載交通雙面擊實(shí)75 次標(biāo)準(zhǔn)成型試件，分別測(cè)試試件的體積參數(shù)（表7），進(jìn)行水穩(wěn)定性與高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性性能試驗(yàn)（表8），最終確定配合比最佳瀝青用量為6.2%（油石比為6.6%）。

表7 瀝青混合料馬氏體積指標(biāo)

表8 瀝青混合料路用性能指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明，Superlayer 瀝青混合料骨架形成嵌擠，具有較好的骨架穩(wěn)定性，同時(shí)混合料密實(shí)起到有效密水作用， 設(shè)計(jì)中采用遠(yuǎn)大于常規(guī)混合料瀝青膜厚度的設(shè)計(jì)思想， 結(jié)合Superlayer 磨耗層專用改性瀝青，有效提升瀝青混合料的抗疲勞開(kāi)裂性能。

4 超薄磨耗層應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

對(duì)加鋪15 mm 厚超薄磨耗層時(shí)及運(yùn)營(yíng)使用12 個(gè)月的檢測(cè)路面技術(shù)狀況指標(biāo)（RQI、RDI、SRI）（表9）進(jìn)行分析，加鋪后及運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月的2 次檢測(cè)國(guó)際平整度指數(shù)IRI 均為1.00 m/km， 路面行駛質(zhì)量指數(shù)為95.16，基本保持不變；車轍深度RD 由加鋪后的1.71 mm 運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月后上升至1.82 mm，路面車轍深度指數(shù)由98.29%下降至97.92%， 下降了0.37%。 路面橫向力系數(shù)由59.8 上升至66.4，路面抗滑性能指數(shù)SRI 由96.54%上升至97.15%， 上升了0.61%。 經(jīng)過(guò)12 個(gè)月的運(yùn)營(yíng)使用，路面整體性能指數(shù)較為穩(wěn)定。

表9 路面技術(shù)狀況檢測(cè)結(jié)果

對(duì)加鋪15 mm 厚超薄磨耗層后及運(yùn)營(yíng)使用12 個(gè)月的滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、層間粘結(jié)力以及行車噪音跟蹤檢測(cè)數(shù)據(jù)（表10）進(jìn)行分析：滲水系數(shù)由加鋪后180 mL/min， 運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月下降到131 mL/min；路面構(gòu)造深度加鋪后0.69 mm，運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月0.7 mm，未出現(xiàn)衰減；層間粘結(jié)的拉拔破壞力，由加鋪后0.47 MPa，運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月上升了0.24 MPa，但是檢測(cè)時(shí)溫度下降了3.2℃，故該檢測(cè)結(jié)果僅供參考。

表10 路面滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、層間粘結(jié)力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)加鋪15 mm 厚超薄磨耗層后及運(yùn)營(yíng)使用12 個(gè)月的行車噪音檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（詳見(jiàn)表11），由加鋪后66.6 dB 運(yùn)營(yíng)12 個(gè)月下降到63.8 dB，行駛輪胎碾壓使得瀝青結(jié)構(gòu)層進(jìn)一步致密，行車噪音變小，從而提高道路通行舒適度。

表11 路面噪音檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過(guò)CAVF 法確定的礦料級(jí)配能夠形成骨架嵌擠，使混合料鋪筑后達(dá)到外美內(nèi)實(shí)；貝雷法可以系統(tǒng)地評(píng)價(jià)混合料級(jí)配骨架嵌擠的情況。 但細(xì)粒式混合料的關(guān)鍵篩孔尺寸， 特別是公稱粒徑為6.7 mm 超細(xì)式混合料對(duì)粗細(xì)集料的界定還有待進(jìn)一步研究。 （2）采用CAVF 法中粗集料間隙率最小值測(cè)定方法對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果具有一定影響。（3）通過(guò)科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法， 應(yīng)用軟件的強(qiáng)大處理能力可以大大加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程的數(shù)據(jù)分析， 從而控制質(zhì)量的均質(zhì)化。