超薄磨耗層在隧道路面抗滑處治工程中的應用

王宏飛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

超薄磨耗層(NovaChip?)是采用改性瀝青作為膠結料，改性乳化瀝青作為黏結層，典型的斷級配瀝青混合料，具有較好的表面紋理，較好的抗滑性能和耐久性能。它是將一定厚度瀝青混合料攤鋪在專用的改性乳化瀝青黏層上，使用專用設備一次攤鋪、碾壓成型。對路表開裂、隧道水泥混凝土路面抗滑性能恢復起到有效處治作用，主要用于重交通、路面性能要求高的高等級路面的預防性養(yǎng)護和矯正性養(yǎng)護[1]。

1 超薄磨耗層關鍵機理

超薄磨耗層瀝青混合料攤鋪采用專用設備NovaPaverTM，該設備在超薄磨耗層施工過程中依次完成噴灑乳化瀝青、攤鋪瀝青混合料、碾壓成型等工序。其中的改性乳化瀝青防水黏層具有封層和黏層的雙重作用，必須易于噴灑且破乳速度快，并配合攤鋪機同步進行[2]。超薄磨耗層關鍵機理（如圖1所示）主要是較高溫度的NovaChip?瀝青混合料攤鋪在改性乳化瀝青上的瞬間，改性乳化瀝青中的水在高溫作用下迅速汽化，乳化瀝青在較大壓力水蒸氣作用下形成乳化瀝青泡沫，泡沫急劇膨脹，并經(jīng)過混合料的空隙向上遷移，乳化瀝青破乳冷卻，將超薄磨耗層集料緊緊地裹附在一起，最終形成4～5 mm厚度的防水黏結層，超薄磨耗層瀝青混合料被充分的黏結在舊路面上，防止薄層瀝青混合料層間剝離，并能夠防止路表水下滲，充分發(fā)揮封層和黏層的雙重作用。

圖1 NovaChip?超薄磨耗層關鍵機理

2 工程概況及養(yǎng)護方案

汾軍高速是G20青銀高速公路山西境內(nèi)的一段，自通車以來，通行量呈明顯增長趨勢，從出入口交通量看，交通量增長幅度介于30%～50%之間，貨車比例均超過50%，交通量長時間維持在較高的發(fā)展水平上。隨著交通量的快速增長，重載交通長時間的磨耗作用，隧道水泥混凝土路面出現(xiàn)了局部破損和抗滑不足等病害。

為充分了解隧道水泥混凝土路面的破損狀況，對隧道水泥混凝土路面進行了現(xiàn)場路況調(diào)查，以評定原路面使用狀況并為本項目預防性養(yǎng)護方案提供可靠指導。

2.1 主要病害

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原水泥混凝土路面主要病害如下：a）混凝土板磨光；b）混凝土板斷裂；c）板體錯臺；d）板體邊緣破損等，嚴重影響了車輛的快速通行，急需處理。

2.2 處置方案

經(jīng)分析討論形成了如下處置方案：a）對破碎和裂縫嚴重的板塊挖除予以更換新水泥混凝土面板；b）若原基層承載力明顯不足的部位挖除，并用貧混凝土回填，恢復路面結構整體承載能力；c）原抗滑性能不足的混凝土板，為了保證超薄磨耗層與原路面結構的層間黏結狀態(tài)，需要對磨光水泥混凝土路面進行拉毛處理，然后鋪筑2 m薄層罩面Novachip?瀝青混合料。

3 超薄磨耗層配合比設計

NovaChip?超薄磨耗層改性瀝青的技術指標要求可按照氣候分區(qū)、交通量和重載車輛行駛速度等因素的特點做特別要求。NovaChip?超薄磨耗層用改性瀝青應具有較高的高溫抗變形能力、黏結能力、低溫抗裂能力和抗老化性能[3]。其具體技術要求及試驗結果見表1。

3.1 改性瀝青要求

根據(jù)該條高速公路的區(qū)域氣候特點、交通量組成，改性瀝青采用SBS改性瀝青，其指標要求同時應達到SHARP規(guī)范中PG76-28的技術要求，其檢測結果如表1所示。

表1 改性瀝青的主要技術指標

3.2 乳化瀝青要求

SBS改性乳化瀝青性能必須滿足同步施工型超薄磨耗層系統(tǒng)整體設計要求，以實現(xiàn)系統(tǒng)的路用性能，同時必須滿足表2要求。

表2 SBS改性乳化瀝青性能指標

3.3 集料

NovaChip? 瀝青混合料中粗、細集料應滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004）高速公路表面層用集料技術要求。粗集料應具有較好的抗壓碎和耐磨耗能力，粒徑均勻，有棱角；細集料應潔凈、干燥、無風化、無雜質(zhì)；填料必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細得到的礦粉，礦粉應干燥、潔凈，能自由地從礦粉倉流出。

3.4 級配選擇

按照骨料級配進行分類，NovaChip? 分為 A、B、C三類。A、B、C各類磨耗層結構中骨料的公稱最大粒徑為4.75 mm、9.5 mm和12.5 mm，磨耗層的攤鋪厚度在1.5～2.5 cm之間。A型超薄磨耗層結構較為密實，構造深度較大，摩擦性能較好；C型超薄磨耗層結構構造深度更大，摩擦性能更好，但攤鋪厚度較大，工程造價較高，主要應用于重載和交通量大的高等級道路；B型超薄磨耗層各項指標介于A、C類磨耗層結構之間，適用于交通量水平中等的高等級道路。綜合考慮山西省氣候特點、離軍高速公路交通量水平及原有路面狀況。經(jīng)研究分析，最終選用NovaChip Type C型作為超薄磨耗層類型，圖2為最終設計的瀝青混合料的級配曲線。

3.5 最佳瀝青用量確定

根據(jù)混合料的路用性能、級配類型、集料密度等參數(shù)，結合以往超薄磨耗層瀝青混合料的設計經(jīng)驗，采用superpave設計方法，旋轉壓實儀進行成型，瀝青混合料的拌和溫度為170℃，試件成型溫度為165℃，旋轉壓力設置為600 kPa，旋轉壓實次數(shù)為100次。

采用superpave設計方法，初擬4種油石比分別為：4.2%、4.5%、4.8%、5.1%，分別進行旋轉壓實成型，測得的壓實參數(shù)和體積參數(shù)見表3。

圖2 NovaChip Type C型級配曲線

表3 不同油石比下瀝青混合料的參數(shù)

考慮超薄磨耗層瀝青混合料NovaChip Type C型的各項性能指標，及規(guī)范要求的最小油膜厚度技術標準，根據(jù)上述試驗結果，暫定超薄磨耗層瀝青混合料NovaChip Type C型油石比為4.8%，比較合理。

3.6 性能驗證

為了保證超薄磨耗層瀝青混合料在養(yǎng)護工程中的使用效果，需對設計的瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能、抗滑性能進行驗證[4]。試驗結果見表4。

表4 混合料性能驗證結果

4 使用效果評價

4.1 降噪效果評價

NovaChip?超薄磨耗層瀝青混合料表面紋理較深，并且空隙率較大，具有較好地吸收噪聲的功能；表5為隧道水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后測得的降噪效果，從表中可以明顯看出，隧道水泥混凝土路面加鋪NovaChip?超薄磨耗層之后，車輛行車過程中產(chǎn)生的噪聲明顯降低，降低幅度達19.5%，提高了隧道內(nèi)行車的舒適性。

表5 水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后噪聲測試結果 dB

4.2 抗滑效果評價

NovaChip?超薄磨耗層瀝青混合料表面紋理較深，具有良好的抗滑性能，本文采用橫向力系數(shù)車對隧道水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后的橫向力系數(shù)進行測定，對比分析超薄磨耗層加鋪后對水泥混凝土路面抗滑性能的改善效果；測試結果從表6可以看出，加鋪超薄磨耗層之后，隧道水泥混凝土路面的抗滑能力明顯提高，提高幅度達35.8，大大地降低了隧道內(nèi)交通事故發(fā)生的概率；同時國內(nèi)外的研究表明，NovaChip?超薄磨耗層可長期保持良好的抗滑性能。

表6 水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后抗滑性能測試結果

4.3 平整度評價

NovaChip?超薄磨耗層瀝青混合料能夠很好地改善路面平整度，提高路面行車舒適性，降低路面不平整引起的車輛沖擊力，減少水泥混凝土路面斷板的可能性，延長路面的使用壽命；本文采用顛簸累積儀器對隧道水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后的平整度進行測定，對比分析超薄磨耗層加鋪后對水泥混凝土路面平整度的改善效果[5]；測試結果從表7可以看出，加鋪超薄磨耗層之后，隧道水泥混凝土路面的國際平整度指數(shù)明顯提高，提高了行車舒適性。

表7 水泥混凝土路面加鋪超薄磨耗層前后平整度測試結果 m/km

5 結語

a）超薄磨耗層NovaChip? 瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力。

b）超薄磨耗層NovaChip?瀝青混合料對于隧道抗滑病害處治具有較好的作用，能夠提高水泥混凝土路面的抗滑性能和國際平整度指數(shù)，同時降低路面噪聲，提高路面行車舒適性，降低路面不平整引起的車輛沖擊力，明顯降低了水泥混凝土面板破損的機率，延長了路面的使用壽命。