濕熱環(huán)境下高速公路超薄磨耗層配合比設(shè)計(jì)及抗滑性能分析

林昌順

（貴陽(yáng)市城市發(fā)展投資集團(tuán)股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

0 引言

在瀝青路面尚未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞之前，通過(guò)養(yǎng)護(hù)能夠提高路面的平整度，從而提升行車的舒適性；提高路面的抗滑性能，保證行車安全。路面抗滑性能指標(biāo)主要包括橫向摩擦系數(shù)和路面構(gòu)造深度。當(dāng)前研究濕熱環(huán)境下影響超薄瀝青混凝土抗滑性能因素的研究成果較多，但多數(shù)為依托室內(nèi)試驗(yàn)開展研究，還需經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)剖析濕度、溫度的具體影響及其程度?；诖?，文章結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)濕熱環(huán)境下高速公路超薄磨耗層配合比設(shè)計(jì)及抗滑性能進(jìn)行以下探討。

1 工程概況

某高速公路位于南方省份，地處江南，屬亞熱帶氣候，全長(zhǎng)37.45km，設(shè)計(jì)為雙向四車道，速度100km/h，部分路段速度為120km/h。該公路所處環(huán)境多雨較濕潤(rùn)。本文依托該項(xiàng)目，分析并優(yōu)化濕熱環(huán)境下AC－8超薄磨耗層配比，通過(guò)研究濕度、溫度兩個(gè)變量，研究其影響超薄磨耗層抗滑性能情況。

2 增設(shè)超薄磨耗層的作用

超薄瀝青磨耗層是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種主要的預(yù)養(yǎng)護(hù)方式，是在不增加路面結(jié)構(gòu)承載力的前提下，對(duì)出現(xiàn)功能性損害的路面采取特殊的施工工藝，以達(dá)到改進(jìn)路面功能狀況的一種較經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)護(hù)措施。

（1）超薄瀝青磨耗層是采用細(xì)粒式、斷級(jí)配瀝青混合料與乳化瀝青相結(jié)合攤鋪而成的一種路面結(jié)構(gòu)，其厚度小于3cm，是一種具有良好抗滑功能的瀝青罩面層。超薄瀝青磨耗層與石屑封層、稀漿封層、微表處等罩面相比，具有強(qiáng)度高、表面紋理豐富、抗滑性能好等優(yōu)點(diǎn)。

（2）超薄瀝青磨耗層施工速度快，施工后可立即通車，并可以在一定程度上調(diào)整原路面的平整度，提高路面的排水性能。

（3）超薄磨耗層骨料粒徑均勻，空隙率大，具有一定降噪功能，很多國(guó)家將超薄瀝青磨耗層作為降噪面層。根據(jù)相關(guān)持續(xù)性研究成果還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于路面非結(jié)構(gòu)性損害、較為淺顯的車轍、抗滑性不足等瀝青路面常見病害，超薄磨耗層技術(shù)能夠很好地解決以上問(wèn)題；超薄磨耗層在我國(guó)的一些高速公路瀝青路面上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但針對(duì)南方氣候條件下的特定地區(qū)應(yīng)用較少。

3 原材料

超薄磨耗層作為路面結(jié)構(gòu)層的最上層，直接與車輪和外界接觸，又因?yàn)槠鋲簩?shí)后的厚度薄且混合料為骨架空隙型。粗集料含量占到混合料總量的70%～80%，是通過(guò)粗集料之間相互嵌擠作用形成的骨架結(jié)構(gòu)。所以超薄磨耗面層集料的各項(xiàng)指標(biāo)通常要高于其他面層的指標(biāo)。因此在對(duì)原材料的選用上會(huì)有更高層次的要求來(lái)保證工程質(zhì)量。

3.1 瀝青

本項(xiàng)目使用SBS（1-C 級(jí)）瀝青作為超薄磨耗層，表1為檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2 集料

超薄面層粗集料需采用玄武巖或輝綠巖，玄武巖的體積密度為2.8～3.3g/cm3，其壓縮強(qiáng)度很大，可達(dá)300MPa以上，其比重比一般花崗巖、石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖都高。玄武巖是建設(shè)公路、鐵路所用石料中最好的材料，具有抗壓性好、壓碎值小、抗腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、瀝青黏附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。瀝青混合料受集料特性的影響，會(huì)對(duì)其路用性能造成影響，因此設(shè)計(jì)瀝青混合料時(shí)應(yīng)重視選擇的集料。本項(xiàng)目使用的瀝青混凝土集料質(zhì)量性能應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，使用的粗集料規(guī)格為5～10mm英安巖碎石；細(xì)集料在瀝青混合料中占比較小，但對(duì)混合料的性能影響非常明顯。細(xì)集料采用機(jī)制砂或石屑，細(xì)集料應(yīng)干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)、顆粒級(jí)配要滿足施工標(biāo)準(zhǔn)要求，并與瀝青有良好的黏結(jié)能力。因?yàn)槭規(guī)r分布地域廣泛，巖性均一，易開采加工。本項(xiàng)目選擇細(xì)集料規(guī)格為0～5mm石灰?guī)r機(jī)制砂。

3.3 礦粉

礦粉是超薄磨耗層混合料的重要組成部分。粗集料相互之間的黏結(jié)力一方面來(lái)自包裹在集料表面高黏、高彈的改性瀝青本身，另一方面來(lái)自礦粉與改性瀝青交互作用形成的瀝青膠結(jié)料。礦粉的主要作用機(jī)理：一是堿性礦粉能與瀝青之間產(chǎn)生化學(xué)吸附作用；二是礦粉的比表面積大，與瀝青混合攪拌后減小了瀝青潤(rùn)滑性，使摩阻力增大。本項(xiàng)目選用的是石灰?guī)r石料磨細(xì)的礦粉，各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，得出其表觀密度為2.754g/cm3，規(guī)范要求為2.5g/cm3，滿足施工要求。

3.4 原材料試驗(yàn)環(huán)境

對(duì)原材料進(jìn)行試驗(yàn)，充分模擬南方濕熱環(huán)境，設(shè)定濕度介于40%～60%，設(shè)定溫度介于20～30℃。

4 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層配比設(shè)計(jì)及性能分析

4.1 礦料級(jí)配組成要求

表2所示為本項(xiàng)目瀝青混凝土礦料級(jí)配情況。

表2 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8的礦料級(jí)配

4.2 礦料級(jí)配合成計(jì)算

瀝青混凝土礦料級(jí)配使用水洗法開展篩分試驗(yàn)，得出篩分試驗(yàn)結(jié)果及級(jí)配；根據(jù)實(shí)際需求，本項(xiàng)目設(shè)定級(jí)配如下：粗集料∶細(xì)集料∶礦粉＝61∶30∶9。礦料級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8的礦料級(jí)配曲線

4.3 馬歇爾試驗(yàn)

表3 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8馬歇爾試驗(yàn)曲線

4.4 路用性能試驗(yàn)

通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)和車轍試件，分析6.35%油石比的混合料情況，表4 及表5 所示為具體試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)表中數(shù)據(jù)可知，細(xì)粒式瀝青混凝土各指標(biāo)滿足規(guī)范要求，目標(biāo)配合比選擇粒徑5～10mm 碎石為粗集料，0～5mm機(jī)制砂為細(xì)集料及礦粉，具體比例為61∶30∶9。

表4 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8車轍試驗(yàn)結(jié)果

表5 細(xì)粒式瀝青混凝土AC－8凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

5 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層抗滑性能分析

5.1 溫度和濕度對(duì)抗滑性能的影響

選擇濕度、溫度兩個(gè)變量，各設(shè)置6 種不同的濕度、溫度環(huán)境，在設(shè)定環(huán)境中養(yǎng)護(hù)試塊，對(duì)AC－8 混合料的構(gòu)造深度進(jìn)行測(cè)定。共制作試塊48 個(gè)，即單一變量設(shè)試塊4 個(gè)。表6 所示為不同濕度、溫度環(huán)境下混合料的構(gòu)造深度。

根據(jù)表6所示的數(shù)據(jù)可知，無(wú)論是濕度還是溫度均會(huì)對(duì)混合料的構(gòu)造深度造成影響。相同濕度環(huán)境下，試件構(gòu)造深度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度增加，構(gòu)造深度降低，50℃環(huán)境下的構(gòu)造深度比1℃環(huán)境下的構(gòu)造深度低0.37mm，分析數(shù)據(jù)可知，溫度對(duì)試件構(gòu)造深度有一定影響，但影響力較低。相同溫度環(huán)境下，濕度與試件構(gòu)造深度呈正相關(guān)關(guān)系，即濕度越小，試件構(gòu)造深度越小，但變化幅度不斷縮小，濕度為零及濕度81%以上，構(gòu)造深度均小于0.05，可知濕度對(duì)試件構(gòu)造深度影響較低。

表6 不同溫度、濕度下AC-8混合料構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果

5.2 油石比對(duì)抗滑性能的影響

在高濕度、高溫度環(huán)境下，會(huì)對(duì)瀝青面層油石比造成較大影響，降低路面構(gòu)造深度。

對(duì)不同油石比混合料進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，制備單個(gè)混合料試件3個(gè)，對(duì)其構(gòu)造深度進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)施輪碾試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后根據(jù)輪跡切割為矩形，對(duì)其構(gòu)造深度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)比前后構(gòu)造深度。根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算深度殘留率。表7所示為不同油石比下構(gòu)造深度殘留情況。

表7 AC-8混合料油石化-構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表7中數(shù)據(jù)可知，油石比不同則存在不同的試件構(gòu)造深度殘留，油石比對(duì)試件殘留率有所影響。油石比增加，深度殘留顯著降低。同時(shí)可知，油石比越大，對(duì)超薄磨耗層性能越有利，可有效提升其抗滑性，因此在具體施工中應(yīng)嚴(yán)格控制油石比。經(jīng)本項(xiàng)目試驗(yàn)，可使用6.35%的油石比。

5.3 提高瀝青路面抗滑性能的措施

根據(jù)該高速公路具體情況，本文認(rèn)為采取以下三項(xiàng)措施，可全面提升瀝青路面抗滑性能。

（1）根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合油石比情況實(shí)施調(diào)整，經(jīng)施工實(shí)踐表明，油石比可適當(dāng)降低。

（2）優(yōu)選瀝青。根據(jù)試驗(yàn)情況看，使用I-D 級(jí)改性瀝青制備超薄磨耗層。

（3）改善黏附性。瀝青路面受車輛荷載作用，輪胎接觸范圍的瀝青量不斷增加，影響了路面抗滑性。鑒于此，本文認(rèn)為需將瀝青和集料間的黏附性進(jìn)一步提升。

6 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可知，在濕熱環(huán)境下，高速公路超薄磨耗層目標(biāo)配合比選擇粒徑5～10mm 碎石為粗集料，0～5mm 機(jī)制砂為細(xì)集料及礦粉，具體比例為61∶30∶9，油石比最佳為6.35%。

（1）混合料深度受濕度、溫度的影響。相同濕度下，溫度與試件構(gòu)造深度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度降低，試件構(gòu)造深度提升；相同溫度下，濕度與構(gòu)造深度呈正相關(guān)關(guān)系，即增加溫度，構(gòu)造深度增大；

（2）構(gòu)造深度殘留率受油石比影響，二者存在典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即增加油石比，構(gòu)造深度殘留率降低。因此在使用超薄磨耗層的過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制油石比；

（3）瀝青路面油石比在濕度、熱度較高環(huán)境下呈現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，提高了瀝青路面構(gòu)造深度衰減率?？蓮挠褪?、高品質(zhì)瀝青、集料間黏附性三方面采取措施，將超薄磨耗層的抗滑性能不斷提升。