超薄瀝青混凝土磨耗層研究綜述

劉繼法，張 振，孟 偉 ，李 勝，井 碩

（1.泰安市公路規(guī)劃設(shè)計院，山東 泰安 271000；2.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

引言

超薄磨耗層技術(shù)是實施厚度在15 ～25 mm 的瀝青磨耗層鋪裝技術(shù)，能夠有效迅速修復(fù)坑槽、裂縫、松散、磨光等病害，同時具有抗滑性能強(qiáng)、耐久性能好、黏結(jié)強(qiáng)度高、行車噪聲低和封水效果好等特點。由于厚度減少，可以節(jié)約造價與維護(hù)費用，大幅度降低能源及材料的消耗，屬于環(huán)境友好型道路鋪裝技術(shù)[1]。目前普遍倡導(dǎo)對路面的功能性進(jìn)行深化設(shè)計以及按需設(shè)計，超薄磨耗層不僅要符合結(jié)構(gòu)性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而且要求具有抗磨光、行車噪音低、抗老化等功能。

1 國內(nèi)外超薄磨耗層研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，由于交通量迅猛增長引起的道路病害問題頻繁出現(xiàn)，道路的養(yǎng)護(hù)需求逐漸加大。法國首先提出了超薄瀝青混凝土面層(BBUM)用于路面抗滑性能的提升與恢復(fù)。超薄磨耗層在經(jīng)濟(jì)、效率和綠色環(huán)保等方面體現(xiàn)出良好的效益，發(fā)展迅速。20 世紀(jì)80 年代出現(xiàn)了兩種新型薄層罩面技術(shù)，超薄瀝青混凝土(Ultra Thin Asphalt Concrete，UTAC)和基于同步攤鋪技術(shù)的Nova Chip 超薄磨耗層。在重交通荷載、路面等級更高的公路路面上主要應(yīng)用超薄瀝青混凝土與磨耗層[2]。20 世紀(jì)70 年代，美國研發(fā)出了一種開級配抗滑磨耗層(OPEN-Graded Friction Course，OGFC)，替代了其他路面表層養(yǎng)護(hù)技術(shù)。通過磨耗層技術(shù)的不斷發(fā)展，美國通過研究又開發(fā)出了SUP-5 和SMA-5 兩種更為先進(jìn)的薄層技術(shù)。法國的Nova Chip 超薄磨耗層具有十分優(yōu)良的抗滑性能并且降噪功能良好，空隙率一般在12%～15%之間，具有優(yōu)良的排水性能。國外對于超薄磨耗層的研究注重于抗滑性能、表面功能層性能評價以及冬季路面融雪等方面，國內(nèi)外的現(xiàn)有各種超薄磨耗層技術(shù)的實際效果沒有得到完全的驗證，沒有在國內(nèi)進(jìn)行大量實際應(yīng)用，尚需進(jìn)一步研究。

2 國內(nèi)外常見超薄磨耗層技術(shù)

國內(nèi)外常見的超薄磨耗層技術(shù)可從級配類型、應(yīng)用場景、溫度等方面進(jìn)行分類，按照級配類型可以劃分為間斷級配、開級配、連續(xù)級配。按照結(jié)構(gòu)類型可劃分為骨架密實型結(jié)構(gòu)、骨架空隙型結(jié)構(gòu)、懸浮密實型結(jié)構(gòu)。按照應(yīng)用場景可以劃分為水泥路面、舊瀝青路面、橋面鋪裝三種類型，對舊瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是超薄磨耗層的主要應(yīng)用場景。按照施工工藝可以劃分為熱拌超薄磨耗層、溫拌超薄磨耗層、冷拌超薄磨耗層三種類型，目前的超薄磨耗層普遍為熱拌合工藝。

2.1 SMA-10[3]

SMA-10 的各類路用性能都十分良好，在新舊路面中均可使用，在道路養(yǎng)護(hù)中可以快速修復(fù)路面病害，對于車轍和路面網(wǎng)狀裂縫具有優(yōu)良的修復(fù)效果，可以應(yīng)用于各類等級公路的薄層罩面，延長路面的使用壽命。

2.2 Nova Chip[4]

Nova Chip 磨耗層由具有超強(qiáng)黏結(jié)能力的改性乳化瀝青黏結(jié)層和高性能的間斷半開式級配改性熱瀝青混合料組成。Nova Chip 技術(shù)應(yīng)用于道路路面養(yǎng)護(hù)時，能夠進(jìn)一步改善路面的平整度和舒適性，并增強(qiáng)路面的使用性能和耐久性能。目前Nova Chip 產(chǎn)品的開發(fā)技術(shù)十分成熟，乳化瀝青Novabond 是專門為此技術(shù)研究出的黏層油，提高了層間的黏結(jié)能力，而且施工方面開發(fā)出了專門的機(jī)械設(shè)備。

2.3 GT-8[5]高韌超薄瀝青磨耗層

GT-8 是在Nova Chip 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的薄層罩面，采用了粗骨料空隙填充設(shè)計法（Coarse Aggregate Voids Filling Method，CAVF）設(shè)計出來的一種骨架密實型級配的新型薄層罩面。相比較于其他磨耗層，GT-8 具有更加優(yōu)良的抗滑性能、耐久性能、韌性以及抗疲勞性能，采用同步攤鋪技術(shù)。

2.4 ECA-10

ECA-10 采用熱混合料進(jìn)行鋪筑道路磨耗層，對于路面產(chǎn)生的輕微非剪切失穩(wěn)車轍的修復(fù)十分有效。ECA-10 的關(guān)鍵在于摻加一種改性劑，能夠達(dá)到瀝青的降黏效果，增加瀝青的流變性能，使得混合料能夠易于施工的攤鋪壓實。同時與Nova Chip 相比該技術(shù)不需要特殊的機(jī)械設(shè)備，采用常規(guī)施工設(shè)備，提高了施工的簡便程度。

2.5 對比分析

材料的部分技術(shù)指標(biāo)見表1。

表 1 超薄磨耗層部分技術(shù)指標(biāo)

3 超薄磨耗層用高黏瀝青

超薄磨耗層的路用性能十分依賴瀝青的黏結(jié)力，在超薄磨耗層中一般通過使用高黏改性瀝青來增加瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、耐久性等路用性能，并且能夠延長超薄磨耗層的使用壽命。高黏改性瀝青是通過基質(zhì)瀝青、改性劑、增黏劑及添加劑四種原材料組成的黏彈性材料，60 ℃動力黏度達(dá)20 000 Pa·s 以上為高黏瀝青，其基礎(chǔ)指標(biāo)見表2。

表 2 高黏瀝青基本性能指標(biāo)

3.1 熱塑性彈性體類

熱塑性彈性體的性能優(yōu)良，具有很好的韌性、彈性以及較高的強(qiáng)度，TPS、SBS、SIS 以及SEBS 等是主要的代表性產(chǎn)品。其中TPS 與SBS 是兩種應(yīng)用最為廣泛的改性劑，TPS 加入基質(zhì)瀝青中能夠顯著提升基質(zhì)瀝青的黏度以及黏彈性。TPS 制備的高黏改性瀝青可以使超薄磨耗層的路用性能產(chǎn)生明顯的提升。SBS 是應(yīng)用最為廣泛的高黏改性劑，通常與樹脂、增塑劑等成分復(fù)合制備高黏改性瀝青。SBS 具有兩相結(jié)構(gòu)，分為線型SBS 與星型SBS，線型SBS 相對分子量比較低、在瀝青中的溶解性比較好、黏度?。恍切蚐BS 分子量高、模量大，具備良好的耐高溫性能[6]。

3.2 橡膠類[7]

高黏橡膠改性瀝青通常由橡膠粉與其他改性劑進(jìn)行復(fù)合制備，橡膠粉通常由廢舊輪胎制備，橡膠高黏改性瀝青的黏彈性十分優(yōu)良，但是在低溫條件下對延度有不良影響，橡膠改性瀝青通常運(yùn)用濕法進(jìn)行制備，基質(zhì)瀝青、膠粉、穩(wěn)定劑和相溶劑融合在一起，通過加熱到高溫條件并通過高速剪切儀進(jìn)行長時間高速剪切制備，再將制備完成的高黏改性瀝青運(yùn)送到施工現(xiàn)場與集料拌合制備瀝青混合料。

3.3 納米類

高黏納米改性瀝青在瀝青方面展現(xiàn)出的強(qiáng)度和韌性十分優(yōu)良，納米材料能夠很好地與瀝青相結(jié)合，提高瀝青的黏結(jié)力，只在基質(zhì)瀝青中添加納米材料無法制備高黏瀝青，需要將納米材料與多種改性劑進(jìn)行復(fù)合改性來獲得高黏瀝青。添加納米材料還可以使路面具有特殊功能，如將二氧化鈦（TiO2）加入TPS改性劑，制備出具有光催化分解汽車尾氣的路面。

3.4 纖維類

纖維對基質(zhì)瀝青進(jìn)行高黏改性同樣需要加入其他改性進(jìn)行復(fù)合改性，單一纖維的加入并不能夠提升瀝青性能，達(dá)到磨耗層用高黏瀝青標(biāo)準(zhǔn)。纖維的加入能夠提升瀝青的附著能力、堅韌程度以及擴(kuò)張力，但纖維材料由于大多數(shù)都呈現(xiàn)棉絮狀，在進(jìn)行改性時往往易于結(jié)團(tuán)導(dǎo)致分布不均勻，影響改性效果。

4 超薄磨耗層評價方法與級配設(shè)計

評價超薄磨耗層性能主要從路用性能、高溫性能、抗裂性能、抗滑性能及耐久性等方面進(jìn)行評價[8]。

超薄磨耗層的厚度降低，導(dǎo)致磨耗層鋪裝的路面更加容易開裂，影響開裂的因素十分復(fù)雜，瀝青混合料的抗裂性能通常與其韌性相關(guān)度較高。一般采用低溫彎曲試驗、沖擊韌性試驗、半圓彎曲試驗和四點疲勞試驗對瀝青混合料的抗裂性能進(jìn)行評價，國內(nèi)磨耗層另一個重要的性能評價是其抗滑性能，磨耗層作為表面層，磨耗層的抗滑性能對于行車安全起著十分重要的作用。超薄磨耗層的抗滑性能要在設(shè)計年限內(nèi)提供足夠的表面構(gòu)造深度，來提高車輛與磨耗層之間的摩擦力，保證行車安全。超薄磨耗層表面和輪胎接觸時，兩者之間的摩擦力和相互作用是影響抗滑性能的關(guān)鍵因素，因此評價胎-路介面接觸的檢測方法也十分重要，國內(nèi)外的檢測技術(shù)主要包括：壓力板法、壓力傳感器法、壓敏膜法等。

超薄磨耗層的級配設(shè)計，根據(jù)不同的功能進(jìn)行按需設(shè)計不同的級配類型，如Nova Chip 為間斷級配，集料之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要依賴于粗集料之間的瀝青提供的“點對點”的膠結(jié)作用；GT-8 為骨架密實型結(jié)構(gòu)，能夠通過嵌擠作用提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗行車荷載，并且高用量的瀝青能夠代替一部分的細(xì)集料，增加了瀝青混合料的耐久性和抗疲勞性能；OGFC-10 為開級配，能夠為道路提供良好的透水性。

超薄磨耗層中的黏結(jié)材料起到將薄層與下承層緊密黏結(jié)的作用，黏結(jié)力是超薄磨耗層技術(shù)是否達(dá)標(biāo)的一個關(guān)鍵因素。因此，黏結(jié)層材料需要具備高黏度?，F(xiàn)在使用的黏層材料往往因黏結(jié)性能不佳，在受到軸載作用時超薄磨耗層極易產(chǎn)生推移或從原路面脫落而失去作用，黏層材料的黏結(jié)力不足是制約超薄磨耗層技術(shù)向前推進(jìn)的一個重要因素。

5 存在問題及發(fā)展趨勢

超薄磨耗層技術(shù)能夠顯著提升路面性能，同時存在需要解決的技術(shù)問題：（1）與傳統(tǒng)磨耗層相比，超薄磨耗層厚度的減少使得瀝青面層更容易產(chǎn)生疲勞開裂、水損害、推移等問題；（2）超薄磨耗層的施工工藝與傳統(tǒng)施工工藝沒有較大區(qū)別，缺乏對于層間黏結(jié)的保護(hù)，層間以及產(chǎn)生損害的地方更容易成為病害的發(fā)生位置，是超薄磨耗層結(jié)構(gòu)中的薄弱區(qū)域；（3）超薄磨耗層的級配設(shè)計主要為開級配和半開級配，大空隙更容易產(chǎn)生開裂，表面空隙也容易堵塞，在排水性能和降噪方面容易產(chǎn)生過度衰減。

超薄磨耗層技術(shù)提倡綠色環(huán)保、低碳節(jié)約，符合國家“雙減”政策，未來研究應(yīng)該著重于超薄磨耗層的力學(xué)性能分析、改性瀝青的性能提升、優(yōu)化級配設(shè)計等方面，保證超薄磨耗層路用性能的同時，降低磨耗層的厚度并使用綠色環(huán)保型材料，滿足一些重荷載以及特殊應(yīng)用環(huán)境的使用；優(yōu)化瀝青混合料的拌合工藝，降低拌合溫度，研發(fā)溫拌型超薄磨耗層，提高施工和易性，提升超薄磨耗層的生態(tài)效益，依據(jù)碳達(dá)峰、碳中和的方向進(jìn)行發(fā)展。