超薄磨耗層在莆永高速的應(yīng)用及路用性能分析

■唐志敏

（1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福州 350002；2.福建省高速公路工程重點實驗室，福州 350001）

瀝青路面因通車快、具有良好的抗滑性等優(yōu)點逐步發(fā)展為高速公路的主流路面結(jié)構(gòu)形式[1-2]。 但隨道路業(yè)的快速發(fā)展，路面的養(yǎng)護需求變得越來越迫切[3]。 超薄磨耗層可預(yù)防并修復(fù)路面的早期病害，并延長路面壽命[4]。 因此，許多學(xué)者對超薄磨耗層的設(shè)計和路用性能進行了研究，并分析了超薄磨耗層在養(yǎng)護工程中的優(yōu)點和缺點[5]。 龍宇洲[6]通過分析混合料不同級配特點、攪拌站生產(chǎn)工藝，對超薄磨耗層的目標配合比、瀝青組合類型進行了優(yōu)選，并通過試驗對其各項路用性能指標進行了驗證分析。 馮志強[5]研究了超薄磨耗層溫拌橡膠瀝青混合料的各項性能，結(jié)果表明超薄磨耗層溫拌橡膠瀝青混合料的抗滑、排水性能優(yōu)于SBS 改性瀝青混合料，而層間抗剪強度與SBS 改性瀝青混合料相差較小，綜合性能較優(yōu)。 殷俊等[7]基于能量等效原理建立了小粒徑排水型抗滑超薄磨耗層混合料擊實功與壓實功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而確定了碾壓遍數(shù)等現(xiàn)場參數(shù)。 李運華等[8]對Novachip 超薄磨耗層的路用性能進行了測試，結(jié)果表明Novachip 超薄磨耗層不僅能阻斷原道路面層與外界的直接接觸，且能有效提高路面的降噪能力、抗滑性能、抗水損害性能。 李正中等[9]對超薄磨耗層材料UWM-10 進行了設(shè)計， 并對其路用性能進行分析， 結(jié)果表明UWM-10 具有良好的抗滑性能，且構(gòu)造深度衰減程度小于傳統(tǒng)的超薄鋪裝材料。 Geng 等[10]在UWM-10 的基礎(chǔ)上，采用多鏈聚烯烴改性劑對混合料進行改性，并對改性后材料的高溫、低溫及耐濕性進行評估，結(jié)果表明改性后材料比普通超薄磨耗層有更好的路用性能。 劉洋[11]采用核-殼結(jié)構(gòu)的抗凝冰材料結(jié)合超薄磨耗層混合料進行主動除冰雪技術(shù)和預(yù)防性養(yǎng)護措施的研究，結(jié)果表明基于緩釋型抗凝冰超薄磨耗層具有良好的耐磨抗滑性和抗凝冰性能。

總體而言，許多學(xué)者研究了超薄磨耗層在瀝青路面的設(shè)計和路用性能，但仍缺乏超薄磨耗層的具體工程應(yīng)用實例及其性能分析。 因此，本研究結(jié)合莆永高速莆田段的超薄磨耗層工程實例，對超薄磨耗層在預(yù)防性養(yǎng)護應(yīng)用及其路用性能進行分析，從而研究超薄磨耗層在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護的效果，為其他區(qū)域高速公路的超薄磨耗層工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 原路面工程概況

莆永高速公路莆田段全長87.679 km，其中新建里程64.096 km，該段公路于2012 年通車。 路面結(jié)構(gòu)為4.5 cm AC-16C+5.5 cm AC-20C+16 cm ATB-25+12 cm 級配碎石下基層+32 cm 3%水泥穩(wěn)定碎石基層。 選取的試驗道路路段已出現(xiàn)路面輕微破損，平整度、橫向力系數(shù)降低等狀況，且通車至今路段未進行大、中修。 本次超薄磨耗層試驗路路段樁號為BK73+300-BK71+400，設(shè)計的磨耗層厚度為1.5/1.2 cm。

2 原材料

原材料主要包括瀝青、粗細集料、填料和改性乳化瀝青，依照JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》[12]對粗細集料及填料進行性能測試，測試結(jié)果分別見表1～4。其中，粗細集料的外觀堅硬、無風(fēng)化、無雜質(zhì)。 依照JTG E20-2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[13]對改性乳化瀝青性能進行了測試，結(jié)果見表5，其性能需滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]的相應(yīng)技術(shù)指標要求。

表1 高粘改性瀝青的主要技術(shù)指標

表2 粗集料的主要技術(shù)指標

表3 細集料的主要技術(shù)指標

表4 填料的主要技術(shù)指標

表5 改性乳化瀝青的主要技術(shù)指標

3 混合料設(shè)計

3.1 目標配合比

3.1.1 級配設(shè)計

對粗細集料進行篩分，并根據(jù)篩分得到的結(jié)果合成目標級配，混合料的級配曲線見圖1。

圖1 混合料初始級配曲線

3.1.2 油石比確定

采用馬歇爾擊實儀成型試件，擊實溫度175℃，擊實次數(shù)為75 次。 然后，根據(jù)設(shè)計得到的級配采用5 種油石比成型試件， 成型試件的混合料體積特性見表6，混合料性能需滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]中對混合料的性能要求。根據(jù)表6 的試驗結(jié)果， 以混合料的油石比為橫坐標，馬歇爾試件的各項指標為縱坐標，繪制得到混合料各項指標與油石比的關(guān)系見圖2。

圖2 目標配合比混合料各項指標與油石比的關(guān)系

表6 目標配合比的混合料體積特性

由圖2 知， 空隙率隨油石比增加逐漸減少，礦料間隙率隨油石比增加先減少后增大，穩(wěn)定度隨油石比增加先增大后減小，流值隨油石比增加逐漸增大。 而小孔隙率混合料具有更好的耐老化性與耐久性，即瀝青用量存在最佳用量，瀝青用量較多時會向混合料底部流動，從而形成封層，既浪費瀝青又無法提高強度。 因此，通過混合料的空隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度和流值綜合分析，初步確定油石比為7.5%（瀝青含量為6.98%），并采用該油石比拌和混合料進行混合料的性能試驗，性能試驗結(jié)果見表7。由表7 可知，在該油石比和設(shè)計級配下，得到的混合料各項性能均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]的要求。

表7 目標配合比混合料在最佳瀝青用量的性能驗證

3.2 生產(chǎn)配合比

3.2.1 級配設(shè)計

對粗細集料進行篩分，并根據(jù)篩分得到的結(jié)果合成生產(chǎn)級配，級配曲線見圖3。 由圖3 可知，生產(chǎn)配合比的級配曲線與目標配合比的級配曲線基本重合，表明生產(chǎn)配合比的級配曲線設(shè)計具有較好的可靠性。

圖3 混合料最終級配曲線

3.2.2 油石比確定

油石比取目標配合比最佳瀝青用量及±0.3 用量進行試驗，根據(jù)馬歇爾試驗成型試件，混合料的體積特性見表8。 依據(jù)表8 繪制生產(chǎn)配合比下混合料各項指標和油石比的關(guān)系，結(jié)果見圖4。生產(chǎn)配合比下的混合料油石比確定方法同目標配合比混合料的油石比確定方法一致，由圖4 最后確定生產(chǎn)配合比混合料的油石比為7.5%。 為進一步驗證該配合比的混合料性能是否滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]的要求，進行了瀝青混合料的性能試驗，結(jié)果見表9。 由表9 可知，該生產(chǎn)配合比的混合料性能能夠滿足規(guī)范要求。

表8 生產(chǎn)配合比的混合料體積特性

圖4 生產(chǎn)配合比混合料各項指標與油石比的關(guān)系

表9 最佳瀝青用量下的性能驗證試驗結(jié)果

4 路用性能分析

本研究將設(shè)計得到的混合料進行鋪筑， 測試BK71+400～BK73+300 段鋪筑該薄層罩面混合料前后瀝青路面的各項性能， 從而分析其路用性能的變化。

4.1 行駛質(zhì)量指數(shù)

采用多功能檢測車檢測試驗路路段施工前后的路面行駛質(zhì)量指數(shù)，結(jié)果見圖5。 由圖5 可知，瀝青路面經(jīng)過超薄磨耗層混合料的施工后，路面行駛質(zhì)量指數(shù)均有不同程度的提高，平均每百米提高了0.424，表明超薄磨耗層可改善瀝青路面的行駛質(zhì)量。

圖5 施工前后路面行駛質(zhì)量指數(shù)

4.2 車轍深度指數(shù)

為評價超薄磨耗層混合料對原路面的車轍改變情況，采用車轍深度指數(shù)評價超薄磨耗層混合料鋪筑前后的試驗路路段車轍病害變化情況，結(jié)果見圖6。由圖6 可知，經(jīng)過超薄磨耗層混合料施工后的瀝青路面車轍深度指數(shù)均出現(xiàn)了下降，車轍深度指數(shù)平均每百米降低了2.464， 表明經(jīng)過加鋪超薄磨耗層的瀝青路面車轍病害整體可得到較大改善。

圖6 施工前后路面車轍深度指數(shù)

4.3 抗滑性能

為分析加鋪超薄磨耗層混合料對瀝青路面抗滑性能的影響，通過橫向力系數(shù)評價超薄磨耗層混合料鋪筑前后瀝青路面抗滑性能的變化情況，結(jié)果見圖7。 由圖7 可知，加鋪超薄磨耗層混合料后，瀝青路面的橫向力系數(shù)均出現(xiàn)較大的提高，通過計算發(fā)現(xiàn)加鋪超薄磨耗層混合料的瀝青路面橫向力系數(shù)較原路面平均每百米提高了21.65， 表明超薄磨耗層可提高瀝青路面的抗滑性。

圖7 施工前后路面橫向力系數(shù)測試結(jié)果

4.4 防水性能

瀝青路面投入運營后，集料表面的瀝青會在雨水、車輛的共同作用下不斷脫落而造成路面空隙增大。 瀝青路面增大的空隙經(jīng)雨水沖水易造成水損害。 為分析超薄磨耗層對瀝青路面防水性能的影響，依據(jù)JTG 3450-2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[15]，采用路面滲水儀檢測瀝青路面超薄磨耗層施工前后的滲水系數(shù)大小。 試驗過程見圖8（a），結(jié)果見圖8（b）。 由圖8（b）可知，試驗段加鋪超薄磨耗層混合料后的滲水系數(shù)較施工前的滲水系數(shù)均有較大的降低。 通過計算可知，鋪筑超薄磨耗層瀝青路面的滲水系數(shù)較原路面平均每百米降低了49.7%，結(jié)果表明超薄磨耗層有利于提高瀝青路面的防水性能。

圖8 滲水試驗

4.5 降噪性能

瀝青路面長期使用后的粗細集料易裸露在路表面，經(jīng)過車輛碾壓后路面會產(chǎn)生較大的噪音。 為分析超薄磨耗層對瀝青路面噪音的影響，采用精密聲級計分別檢測原路面的噪音值和加鋪超薄磨耗層試驗段的噪音值，檢測車的車速為80 km/h，每隔5 s 讀取一個測值，試驗結(jié)果見表10。由表10 可知，加鋪超薄磨耗層路面不同測點的噪音值均低于原路面的噪音值，通過計算發(fā)現(xiàn)超薄磨耗層的噪音值較原路面的噪音值降低了1.27 dB， 結(jié)果表明鋪筑超薄磨耗層可有效降低瀝青路面的噪音污染。

表10 路面噪音檢測結(jié)果

5 結(jié)論

為分析超薄磨耗層的應(yīng)用效果，本研究將設(shè)計得到的超薄磨耗混合料鋪筑至莆永高速瀝青路面，測試施工前后路面的各項性能，得到以下結(jié)論：（1）根據(jù)馬歇爾試驗方法確定了該超薄磨耗瀝青混合料的最佳油石比為7.5%；（2）超薄磨耗層施工后的瀝青路面行駛質(zhì)量指數(shù)平均每百米提高了0.424，較大程度提高了瀝青路面的行車質(zhì)量；（3）超薄磨耗層施工后的瀝青路面車轍深度指數(shù)平均每百米降低了2.464，原路面的車轍病害得到了較大的改善；（4）加鋪超薄磨耗層后瀝青路面的橫向力系數(shù)較原路面平均每百米提高了21.65， 使瀝青路面的抗滑性能得到較大的提高；（5）鋪筑超薄磨耗層的瀝青路面滲水系數(shù)較原路面平均降低了49.7%，表明超薄磨耗層有利于改善原瀝青路面的防水性能；（6）超薄磨耗層的噪音值較原路面平均降低了1.27 dB，可有效降低路面噪音，從而減小道路噪音對周圍居民生活的影響。