超薄抗滑磨耗層（TFC）設(shè)計(jì)及路用性能研究

李小鵬 南京道潤(rùn)交通科技有限公司

韓亞進(jìn) 東南大學(xué)

瀝青路面作為我國(guó)高速公路的主要路面形式，具有行駛舒適、便于維修等優(yōu)點(diǎn)。隨著道路通車年限的延長(zhǎng)，在車輛荷載及環(huán)境條件的作用下，路表功能性能逐漸降低，抗滑性能不足、平整度下降等路表功能型病害逐漸凸顯。為此，以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)為主的養(yǎng)護(hù)措施，越來(lái)越多的被用于改善原路面的路表功能性能。常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，包括：微表處、稀漿封層、碎石封層及薄層罩面等。微表處及稀漿封層在使用過(guò)程中，行車噪聲過(guò)大，嚴(yán)重降低了駕乘人員的乘車舒適性；碎石封層最為一種灑布型表處層，容易出現(xiàn)剝落等病害，較少用于路面上封層；而薄層罩面，性能較為出色，但僅用于改善路面抗滑性能不足等功能型病害，經(jīng)濟(jì)型稍差。

為此，本文研究了一種乳化瀝青類、單粒徑超薄抗滑磨耗層（Thin friction course，簡(jiǎn)稱TFC），TFC是將乳化瀝青、集料及水泥充分拌合后，利用專用的施工機(jī)械攤鋪于原路面表面，成型厚度僅為5mm。作為一種新型表處層，需要確定TFC各材料的合理配比，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)體工程確定TFC的路用性能。

1.材料

1.1 乳化瀝青

TFC選用高性能乳化瀝青作為膠結(jié)料，其性能如表1所示。

表1 乳化瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

1.2 集料及水泥

TFC選用集料為單粒徑3-5mm玄武巖集料，TFC中選用水泥作為活性填料，水泥規(guī)格為普通硅酸鹽PO42.5級(jí)。

2.試驗(yàn)方法

TFC選用單粒徑集料，成型之后，表面開(kāi)口孔隙較多，因而其性能主要受剝落性能制約。為評(píng)價(jià)TFC的抗剝落性能，本文采用濕輪磨耗試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并確定乳化瀝青、水泥等材料的合理配比。

2.1 TFC成型

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》，TFC濕輪磨耗試件的成型，主要包括以下步驟，如圖1所示。

圖1 TFC室內(nèi)成型步驟

（1）準(zhǔn)備直徑為31cm的圓形油毛氈，并在油毛氈表面刷粘層油；（2）將集料、水泥、乳化瀝青依次分別置于拌鍋中，攪拌均勻；（3）將拌合好的TFC混合料，倒在油毛氈上，并借助厚度為5mm的模具，將混合料攤平；（4）將攤鋪好的TFC試件，置于60℃烘箱中養(yǎng)生24h。

圖2 濕輪磨耗試驗(yàn)步驟

圖3 實(shí)驗(yàn)板法

圖4 乳化瀝青用量對(duì)TFC剝落率的影響

圖5 水泥用量對(duì)TFC剝落率的影響

表2 路用性能檢測(cè)結(jié)果

圖6 TFC施工流程

2.2 濕輪磨耗試驗(yàn)

將養(yǎng)生好的TFC試件從烘箱中取出，冷卻至室溫后，置于25℃水中保持1h，隨后進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)。如圖2所示。

3.TFC材料配比研究

TFC主要由集料、乳化瀝青及水泥三種材料拌合而成，其中集料用量由實(shí)驗(yàn)板法確定，乳化瀝青及水泥用量由濕輪磨耗試驗(yàn)確定。

3.1 集料用量的確定

本文研究的TFC厚度僅為單石厚度，即集料僅為一層，因此采用修正的Kearby設(shè)計(jì)法，亦即實(shí)驗(yàn)板法來(lái)確定集料的用量。首先準(zhǔn)備30cm＊30cm＊0.5cm的方形鋼板，將TFC用的3-5mm玄武巖集料平鋪在鋼板上，并保證鋼板表面均被集料覆蓋，且集料顆粒無(wú)上下重疊。隨后稱取鋼板被完全覆蓋，所需的集料重量，并換算為單個(gè)濕輪磨耗試件的重量。如圖3所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)板法的測(cè)試結(jié)果，單個(gè)濕輪磨耗試件所需集料重量為480g。

3.2 乳化瀝青用量確定

根據(jù)課題組研究經(jīng)驗(yàn)，將乳化瀝青用量定為集料用量的8%、10%、12%、14%及16%。分別測(cè)試不同乳化瀝青用量對(duì)應(yīng)的TFC試件剝落率，如圖4所示。

根據(jù)圖4，可以發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青用量的增加能夠顯著降低TFC的剝落率。尤其是當(dāng)乳化瀝青用量由集料用量的8%增長(zhǎng)為10%時(shí)，TFC的剝落率由15%降低為4%，降幅顯著。這種由于乳化瀝青用量帶來(lái)的TFC剝落率的降低，主要是由于瀝青膜增厚導(dǎo)致的。當(dāng)乳化瀝青用量為集料用量的8%時(shí)，集料之間的瀝青膜厚度較薄，當(dāng)乳化瀝青用量為集料用量10%時(shí)，集料之間的瀝青膜厚度達(dá)到臨界值，在此厚度下，集料之間的粘結(jié)性能相對(duì)較好，粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較高。而當(dāng)乳化瀝青用量進(jìn)一步上升時(shí)，TFC剝落率的改善幅度逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)上述結(jié)果，本文認(rèn)為TFC中乳化瀝青用量應(yīng)大于10%。

表3 TFC試驗(yàn)段檢測(cè)結(jié)果

3.3 水泥用量的確定

為研究水泥用量對(duì)TFC抗剝落性能的影響，并確定水泥的用量，本文將水泥的摻量分別定為集料用量的0%、1%、2.5%、4%及5.5%，分別測(cè)定不同水泥摻量對(duì)應(yīng)的TFC試件的剝落率，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5，可以發(fā)現(xiàn)，隨著水泥用量的增加，TFC的剝落率顯著降低，當(dāng)水泥摻量由集料用量的0%增加為5.5%時(shí)，TFC試件的剝落率由4.5%降低為2%。這種由于水泥用量的增加而導(dǎo)致的TFC抗剝落性能的改善，主要?dú)w因于水泥的硬化作用。水泥的硬化作用，會(huì)使乳化瀝青殘留物-水泥膠漿的強(qiáng)度顯著提升，從而增強(qiáng)集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。因而，水泥用量較多的TFC試件，其抵抗磨耗作用的能力也得到了提升，最終表現(xiàn)為TFC剝落率的降低。根據(jù)上述結(jié)果，本文認(rèn)為水泥的用量不小于1%。

3.4 TFC性能驗(yàn)證

基于上述研究結(jié)果，選用集料質(zhì)量為480g，乳化瀝青用量為集料用量的10%，水泥用量為集料的1%，成型TFC試件。本文為驗(yàn)證此方案下TFC的路用性能，分別測(cè)試了TFC的擺式摩擦系數(shù)及構(gòu)造深度指標(biāo)，并與常規(guī)SMA-13及AC-13檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中三種路面的路用性能檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，TFC的擺值與SMA-13相當(dāng)，明顯大于AC-13。而TFC的構(gòu)造深度同樣優(yōu)于SMA-13，并顯著大于AC-13。該結(jié)果表明，TFC具有良好的抗滑性能，有利于提供車輛良好的摩阻力，保障行車的安全性。此外，較大的構(gòu)造深度，能夠降低行車噪聲，提高駕乘人員的行車舒適性，同時(shí)能夠在雨天及時(shí)排除積水，進(jìn)一步提高行車安全。

4.工程案例

為驗(yàn)證TFC的實(shí)際路用表現(xiàn)，本課題選擇江蘇鎮(zhèn)江句容S243省道進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑。

4.1 施工流程

TFC作為一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，僅適用于原路面結(jié)構(gòu)性能完好、僅存在功能型病害的路段，因此在施工之前應(yīng)首先對(duì)原路面的結(jié)構(gòu)性病害進(jìn)行處置。TFC施工主要包括以下步驟：

（1）利用森林滅火器對(duì)原路面上的雜物、灰塵進(jìn)行吹除；（2）利用粘層油灑布車，灑布高粘乳化瀝青粘層油；（3）利用專用的攤鋪機(jī)械，進(jìn)行TFC的拌和及攤鋪；（4）待TFC強(qiáng)度基本形成后，利用雙鋼輪壓力機(jī)進(jìn)行靜壓。如圖6所示。

4.2 TFC使用效果

在TFC施工后，對(duì)TFC的路用性能進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，包括構(gòu)造深度指標(biāo)及擺值指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中的路用性能檢測(cè)結(jié)果，TFC路段的構(gòu)造深度及擺值均明顯大于未養(yǎng)護(hù)路段，且施工后5個(gè)月，其各項(xiàng)指標(biāo)仍然優(yōu)于未養(yǎng)護(hù)路段。

5.結(jié)論

本文基于超薄抗滑磨耗層TFC，研究了TFC各材料用量對(duì)其剝落性能的影響，確定了適宜的材料用量范圍，在此基礎(chǔ)上，分別測(cè)定了室內(nèi)及試驗(yàn)段TFC的路用性能，得到以下結(jié)論：

（1）乳化瀝青用量的增加能夠明顯降低TFC的剝落率，尤其是當(dāng)乳化瀝青用量由8%增加為10%時(shí)，改善效果最顯著；

（2）水泥用量的增加同樣能夠改善TFC的抗剝落性能；

（3）為保證TFC良好的抗剝落性能，乳化瀝青用量不應(yīng)低于10%，水泥用量不宜低于1%；

（4）TFC的構(gòu)造深度及擺值均明顯大于常規(guī)路面，表現(xiàn)出了較好的路用性能。