超薄磨耗瀝青混合料設(shè)計(jì)方法與施工控制研究

■詹 軍

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004;2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

1 引言

福建省地區(qū)高溫多雨，目前，高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)多采用抗水損害較好的密級(jí)配瀝青混合料，但是，該類型路面降雨后存在表面水膜，會(huì)降低路面抗滑能力，對(duì)行車安全造成隱患。因此，研究推廣一種針對(duì)交通量大、路面性能要求高的高等級(jí)路面解決方案勢(shì)在必行。

超薄磨耗層采用一臺(tái)攤鋪機(jī)械將間斷級(jí)配的大空隙熱拌改性瀝青混合料直接鋪筑在同步噴灑改性乳化瀝青的粘結(jié)層上，厚度一般為10～25mm，其主要應(yīng)用于高等級(jí)瀝青路面或水泥路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和輕微病害的矯正性養(yǎng)護(hù)，也可以作為新建道路的表面磨耗層。超薄磨耗層施工采用一臺(tái)攤鋪機(jī)械同步完成乳化瀝青灑布與改性瀝青混合料的攤鋪，乳化瀝青的破乳主要是利用熱瀝青混合料的高溫將乳化瀝青中的水汽化來完成，同時(shí)部分破乳后的乳化瀝青還將隨汽化作用向上提升，并填充超薄磨耗層下部的空隙，使超薄磨耗層下部具有防水、封閉裂縫的作用，而上部具有抗滑、耐磨、排水、降噪的作用。

2 超薄磨耗設(shè)計(jì)方法的研究

2.1 設(shè)計(jì)方法概述

超薄磨耗層的配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮使用要求、原路面狀況、交通量、氣候條件等因素，選擇適當(dāng)?shù)某∧ズ膶宇愋停_定施工方案。由于超薄磨耗瀝青混合料細(xì)集料很少，模量要遠(yuǎn)低于普通瀝青混凝土，因此，建議采用高粘高彈改性瀝青提高抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度。參考日本排水性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，超薄磨耗層考慮與瀝青路面結(jié)構(gòu)采用同樣的荷載擴(kuò)散率和抗疲勞率，由于超薄磨耗層的厚度較小，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中只是作為路面磨耗層，不計(jì)算其對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。超薄磨耗層瀝青混合料設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照J(rèn)TG F40-2004 熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)三階段設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。超薄磨耗層混合料配合比采用混合料體積設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，理論上，試件的成型方法應(yīng)該盡可能模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的成型方式，根據(jù)相關(guān)調(diào)查，超薄磨耗層的壓實(shí)要求較低，一般采用9～12t 的雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2～3 遍即可，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件比馬歇爾擊實(shí)成型試件更接近于現(xiàn)場(chǎng)施工的壓實(shí)瀝青混合料的實(shí)際情況，因此，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件。按照骨架嵌擠狀態(tài)必須滿足壓實(shí)混合料的粗集料間隙率VCA 小于粗集料干搗VCA 的原則進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。

2.2 配合比設(shè)計(jì)流程

由于目前的超薄磨耗瀝青混合料采用高粘瀝青，采用表面常數(shù)法來計(jì)算瀝青最佳用量將不再合適，因此增加采用析漏和飛散試驗(yàn)結(jié)果來綜合確定瀝青的最佳用量。增加低溫性能試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)流程見圖1。

2.3 目標(biāo)空隙率的設(shè)定

空隙率對(duì)排水性能有著重要的影響，空隙率太小會(huì)限制排水功能，空隙率太大會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力以及耐久性造成影響。空隙率的選擇應(yīng)在透水性與結(jié)構(gòu)承載力以及耐久性之間平衡。參考美國(guó)ATPB 的使用經(jīng)驗(yàn)，ATPB 混合料的空隙率在15%～25%之間。日本OGFC 推薦方案，OGFC 混合料的空隙率在17%～22%。根據(jù)大量的室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，結(jié)合超薄磨耗層的實(shí)際厚度，超薄磨耗層的空隙率應(yīng)控制在大于10%。

圖1 配合比設(shè)計(jì)流程

2.4 級(jí)配的選擇

超薄磨耗層礦料級(jí)配采用間斷級(jí)配，必須具有相互嵌擠的粗集料骨架，形成石-石嵌擠結(jié)構(gòu)。超薄磨耗層作為薄層罩面厚度一般10mm～25mm，攤鋪厚度宜為最大公稱粒徑的2.0～2.5 倍?？紤]到不同的使用要求，超薄磨耗層按照公稱最大粒徑，有三種級(jí)配類型，故超薄磨耗層用最大粒徑一般為4.75mm、9.5mm 或13.2mm。級(jí)配范圍見表1。

2.5 原材料要求

2.5.1 集料的選擇與規(guī)格要求

考慮到用于上面層，為保證超薄磨耗層的抗滑性能，要求所用粗集料具有較高的堅(jiān)固性和耐磨性，超薄磨耗層所用粗集料的質(zhì)量要求指標(biāo)主要是針對(duì)其在高速公路中使用的要求，其他公路的質(zhì)量指標(biāo)可參照規(guī)范要求進(jìn)行適當(dāng)降低。瀝青路面集料的選擇必須經(jīng)過認(rèn)真的料源調(diào)查，確定料源應(yīng)盡可能就地取材。質(zhì)量符合使用要求。推薦的料場(chǎng)級(jí)配如表2～4。

2.5.2 瀝青產(chǎn)品

超薄磨耗層所用粘層油為改性乳化瀝青，改性乳化瀝青不單單起到粘結(jié)表面層與下承層的作用，更重要的是可以部分進(jìn)入上部瀝青混合料中，提高瀝青混合料的路用性能，并且起到封層作用，因此作用至關(guān)重要。具體指標(biāo)見表5。對(duì)于改性瀝青結(jié)合料，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚺c交通狀況而定，由于所用級(jí)配采用的間斷級(jí)配，空隙率較大，可以在混合料中加入其它添加劑，以增加其混合料的粘結(jié)性能。改性瀝青指標(biāo)應(yīng)符合表6 的要求。

表1 超薄磨耗層混合料礦料級(jí)配范圍

表2 集料規(guī)格要求 （厚度1.0~1.5cm）

表3 集料規(guī)格要求 （厚度1.6~2.0cm）

表4 集料規(guī)格要求 （厚度2.0~2.5cm）

表5 粘層油質(zhì)量技術(shù)要求

表6 改性瀝青質(zhì)量技術(shù)要求

2.6 確定最佳瀝青用量

超薄磨耗層混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件，根據(jù)瀝青膜厚度、混合料體積性質(zhì)和性能測(cè)試確定最佳瀝青用量。

2.6.1 確定初始瀝青用量

通常，在原材料因素和水、交通等外部因素確定后，適當(dāng)提高瀝青用量是改善超薄磨耗層材料抗水損害能力的重要方法。瀝青用量可按集料的表面積與瀝青膜平均厚度的乘積確定，而表面積可按下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式估算：

礦料表面積=0.41+0.41a+0.82b+1.64c+2.87d+6.14e+12.29f+32.77g(m2/kg)

式 中：a、b、c、d、e、f、g 分 別 是4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm 和0.075mm篩孔的通過百分率。

由于超薄磨耗采用的是高粘瀝青，因此，在確定瀝青用量時(shí)，瀝青膜厚度應(yīng)不小于10μm。

2.6.2 確定礦料配比

用計(jì)算得出的瀝青用量拌和混合料，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件，成型試件直徑100mm，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的單位壓力為600kPa，設(shè)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100 次。材料加熱及試件成型溫度范圍見表7，混合料的體積特性要求見表8。超薄磨耗層礦料級(jí)配要求中，篩孔4.75mm 和2.36mm 是關(guān)鍵篩孔，是礦料級(jí)配形成間斷級(jí)配的關(guān)鍵，建議4.75mm 通過率與2.36mm 通過率差值小于5%。同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制0.075mm 通過率。

表7 材料加熱及試件成型溫度范圍

表8 超薄磨耗層瀝青混合料體積特性要求

2.6.3 混合料性能驗(yàn)證

超薄磨耗層瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏、肯塔堡飛散與凍融劈裂試驗(yàn)分別檢驗(yàn)最大瀝青用量、最小瀝青用量和混合料水穩(wěn)定性?？紤]到泛油等病害，因此，在進(jìn)行性能驗(yàn)證時(shí)對(duì)析漏的要求比一般的瀝青混合料更嚴(yán)格一些，具體應(yīng)符合表9 各項(xiàng)指標(biāo)要求。

表9 超薄磨耗層瀝青混合料設(shè)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)

3 施工工藝與質(zhì)量控制

2008 年至今在福建省高速公路鋪筑了近100 萬m2超薄磨耗層，包括瀝青路面上面層的加鋪層或隧道水泥路面加鋪層。施工過程中與其他地段銜接處采用調(diào)坡的方式調(diào)整路面標(biāo)高。施工的氣溫應(yīng)高于10℃；不得在雨天施工；嚴(yán)禁在過濕或積水的路面上進(jìn)行施工。

3.1 對(duì)原路面要求

超薄磨耗層主要應(yīng)用于高等級(jí)瀝青路面或水泥路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和有限的矯正性養(yǎng)護(hù)，并不能作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層，原瀝青路面必須有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。（1）當(dāng)原路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時(shí)，即PSSI＜80，不應(yīng)采用超薄磨耗層罩面。原瀝青路面應(yīng)保持較好的路面狀況。（2）當(dāng)原路面破損情況嚴(yán)重時(shí)，即DR＞2%，不應(yīng)采用超薄磨耗層罩面。原瀝青路面應(yīng)具有較好的平整度。（3）當(dāng)原路面平整度較差時(shí)，即IRI＞3.5m/km，不建議采用超薄磨耗層罩面。（4）原瀝青路面不能有較深車轍。當(dāng)原路面車轍較深時(shí)，即RD＞15mm，應(yīng)先對(duì)路面進(jìn)行車轍填充，然后再進(jìn)行超薄磨耗層罩面。（5）原瀝青路面裂縫密度不能過大，當(dāng)原路面裂縫率較大時(shí)，即CR＞1%，應(yīng)先對(duì)路面裂縫進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行超薄磨耗層罩面。

3.2 瀝青混合料的拌和

超薄磨耗層瀝青混合料應(yīng)采用間歇式拌和機(jī)拌制，冷料倉的數(shù)量滿足配合比需要，通常不宜少于5～6 個(gè)。拌和樓篩網(wǎng)設(shè)置直接決定了拌和產(chǎn)量、混合料級(jí)配的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，不同篩網(wǎng)設(shè)置適用于不同的混合料生產(chǎn)，在篩網(wǎng)選擇上主要考慮了以下兩方面：（1）最大篩孔的振動(dòng)篩設(shè)置與混合料的最大粒徑相一致；（2）篩孔選擇與混合料控制點(diǎn)孔徑相一致。超薄磨耗瀝青混合料粗集料用料比例較大，為保證熱料倉內(nèi)平衡和防止溢料，生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制和處理好各冷料倉的上料速度。超薄磨耗的生產(chǎn)拌和與SMA 相類似，間歇式拌和機(jī)每盤的生產(chǎn)周期不宜少于50s，拌和樓出料溫度為180℃，生產(chǎn)過程中根據(jù)集料干濕程度調(diào)節(jié)燃油器功率大小，確保出料溫度。拌和機(jī)除塵設(shè)備完好，能達(dá)到環(huán)保要求。

3.3 瀝青混合料的運(yùn)輸

超薄磨耗層瀝青混合料具有較大的空隙率，熱量散發(fā)較快，因此運(yùn)料車宜用苫布覆蓋保溫、防雨、防污染。宜采用較大噸位的運(yùn)料車運(yùn)輸，運(yùn)料車的運(yùn)力應(yīng)稍有富余，施工過程中攤輔機(jī)前方應(yīng)有運(yùn)料車等候，待等候的運(yùn)料車多于4 輛，以保證連續(xù)攤鋪。從拌和機(jī)向運(yùn)料車上裝料時(shí)，應(yīng)多次挪動(dòng)汽車位置，平衡裝料，以減少混合料離析。

3.4 混合料的攤鋪

超薄磨耗層采用專用攤鋪機(jī)進(jìn)行施工，設(shè)備能夠一次性完成粘層油噴灑、熱瀝青混合料攤鋪及熨平，可在粘層油噴灑后5s 內(nèi)進(jìn)行熱瀝青混合料攤鋪，在熱瀝青混合料攤鋪之前，設(shè)備履帶或其它部位不能接觸噴灑在路面上的改性乳化瀝青。攤鋪機(jī)開工前應(yīng)提前0.5～1h預(yù)熱熨平板不低于100℃。按試驗(yàn)段確定的松鋪厚度調(diào)整熨平板高度。鋪筑過程中應(yīng)選擇熨平板的振搗或夯錘壓實(shí)裝置具有適宜的振動(dòng)頻率和振幅，以提高路面的初始?jí)簩?shí)度。攤鋪過程中應(yīng)隨時(shí)檢查攤鋪層厚度及路拱、橫坡。熨平板加寬連接應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)至攤鋪的混合料沒有明顯的離析痕跡。

攤鋪機(jī)必須連續(xù)不間斷地?cái)備仯瑪備佀俣纫丝刂圃?～12m/min 范圍內(nèi)，不得隨意變換速度或中途停頓，以提高平整度，減少混合料的離析。發(fā)現(xiàn)混合料出現(xiàn)明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕時(shí)，應(yīng)分析原因，予以消除。用機(jī)械攤鋪的混合料，不宜用人工反復(fù)修整。當(dāng)不得不由人工作局部找補(bǔ)或更換混合料時(shí)，需仔細(xì)進(jìn)行，特別嚴(yán)重的缺陷應(yīng)整層鏟除。

3.5 混合料的壓實(shí)

超薄磨耗層路面采用9～12t 的雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2～3 遍(總遍數(shù))，橫向接縫處采取振動(dòng)碾壓，壓路機(jī)的振動(dòng)頻率宜為35～50Hz，振幅宜為0.3～0.5mm。

由于超薄磨耗層攤鋪厚度薄，降溫速度快，因此，壓路機(jī)應(yīng)緊跟攤鋪機(jī)后勻速碾壓，并保持較短的碾壓區(qū)長(zhǎng)度，以盡快使表面壓實(shí)，減少熱量散失。在不產(chǎn)生嚴(yán)重推移和裂縫的前提下，在混合料攤鋪后應(yīng)在盡可能高的溫度下進(jìn)行碾壓。超薄磨耗層碾壓必須在路面溫度降至120℃之前進(jìn)行,同時(shí)不得在低溫狀況下作反復(fù)碾壓，使石料棱角磨損、壓碎，破壞集料嵌擠。

3.6 接縫與開放交通

超薄磨耗層路面縱向接縫施工中，應(yīng)特別注意混合料碾壓對(duì)溫度的要求，縱接縫施工要求混合料溫度取允許范圍上限為宜，熨平板加熱溫度滿足本規(guī)范要求，應(yīng)控制在混合料溫度降至120℃前完成接縫處碾壓施工。超薄磨耗層應(yīng)在鋪筑路面溫度降為50℃以下時(shí)方可開放交通。

3.7 施工過程中質(zhì)量管理

對(duì)于超薄磨耗層應(yīng)特別重視材料質(zhì)量、施工溫度和壓實(shí)工序的管理，使混合料形成充分嵌擠并達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，切忌片面追求平整度而降低壓實(shí)溫度。超薄磨耗層施工過程中應(yīng)設(shè)專人查看粘層油噴灑情況，如出現(xiàn)多灑、少灑或漏灑情況應(yīng)立即與操作人員溝通停止攤鋪，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，嚴(yán)重的應(yīng)將鋪筑的混合料予以鏟除。隨時(shí)對(duì)新鋪路面外觀進(jìn)行目測(cè)，表面必須平整密實(shí)，不得有輪跡、裂縫、推擠、油斑、油包、離析等現(xiàn)象。接縫必須緊密平順，無跳車。每日應(yīng)從拌和站或施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣1～2 次，檢測(cè)混合料的級(jí)配和瀝青含量。抽檢混合料的級(jí)配和瀝青含量滿足表10 的要求時(shí)，可不對(duì)拌和站各生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整。反之，應(yīng)查找原因，調(diào)整生產(chǎn)，使混合料的級(jí)配和瀝青含量滿足表10 的要求。

表10 混合料級(jí)配和瀝青含量允許偏差

每日應(yīng)從拌和站或施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣1～2 次，檢測(cè)混合料的體積特性。當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件時(shí)，試件空隙率應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，即大于10%；當(dāng)采用馬歇爾擊實(shí)成型試件時(shí)，測(cè)定的穩(wěn)定度和空隙率、VMA 等指標(biāo)應(yīng)滿足表11 要求。指標(biāo)異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)查找原因。

表11 混合料技術(shù)要求 （馬歇爾試驗(yàn)）

4 結(jié)語

超薄磨耗層是一種高品質(zhì)、高性能的路面結(jié)構(gòu)類型，在福建省高速公路得到了大量的應(yīng)用，獲得了較好的評(píng)價(jià)。為充分發(fā)揮超薄磨耗層良好的路用性能，本文提出以下建議：

（1）粘層油質(zhì)量的好壞直接影響超薄磨耗層的使用壽命，必須嚴(yán)格控制粘層油的質(zhì)量與灑布量。

（2）注意石料的質(zhì)量控制，要求所用粗集料具有較高的堅(jiān)固性和耐磨性，玄武巖和輝綠巖相對(duì)石灰?guī)r具有較高的強(qiáng)度，且玄武巖和輝綠巖的棱角性優(yōu)于石灰?guī)r，故在高速公路工程中，推薦使用玄武巖或性能較好的輝綠巖作為其粗集料。

（3）超薄磨耗瀝青混合料對(duì)集料的配比的要求非常嚴(yán)格，級(jí)配和瀝青含量的變化會(huì)引起混合料性能的大變化，因此必須特別重視礦料級(jí)配的控制。

（4）空隙率對(duì)超薄磨耗層的排水降噪至關(guān)重要，設(shè)計(jì)空隙率應(yīng)大于10%，最好要有富余。

（5）混合料級(jí)配和瀝青含量允許偏差為最低標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際控制指標(biāo)可根據(jù)道路等級(jí)、業(yè)主要求和施工條件適當(dāng)提高。