高性能薄層罩面在瀝青路面預養(yǎng)護中的應用

曹建新，張京鋒，任 民

(1.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060； 2.廣州市市政實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510095； 3.上海孫祖望路橋技術研究公司，上海 200092)

0 引 言

薄層罩面是一種傳統(tǒng)的養(yǎng)護技術，在發(fā)展過程中曾經(jīng)遇到過一些困難，主要是由于鋪層薄、散熱快、吸收壓實功的能力又差，通常不能采用振動壓實，因而難以獲得強度和耐久性要求的最佳空隙率。由于這一原因，美國許多州都將薄層罩面的厚度放寬至38 mm (1.5 in)，該值于是成為最常用的薄層罩面厚度。但是隨著厚度的增加，造價也相應地增加[1]。在20世紀80～90年代，對薄層罩面結(jié)構厚度與集料公稱最大粒徑(NMAS)比例的要求為1.5∶1～3.0∶1，混合料的粗集料較多，吸收壓實能量的能力差，施加過多壓實功，將導致大量粗集料壓碎，因而不能滿足25 mm薄層罩面的要求。除此之外，薄層罩面與原路面界面的應力負荷過大和層間結(jié)合不良，也是薄層罩面容易出現(xiàn)的問題[2-3]。

由于以上問題，常規(guī)薄層罩面難以獲得良好的成本效益。在20世紀80～90年代，薄層罩面的平均壽命通常只有4～6年，面對迅速發(fā)展的微表封層技術，顯得缺乏競爭力。

美國SHRP計劃的H-101課題“路面預養(yǎng)護的有效性”對4種傳統(tǒng)的預防性養(yǎng)護技術進行試驗研究，隨后的路面長期性能(LTPP)研究項目SPS-3對這4種養(yǎng)護技術的效果進行長期跟蹤分析，結(jié)果表明：只有在干燥、嚴寒的地區(qū)，薄層罩面與微表封層相比才有一定的優(yōu)勢，在其他氣候條件下，薄層罩面的成本效益遠不如微表封層(表1)[4-5]。

表1 各種表面處理技術與石屑封層的年費用之比

進入21世紀后，得力于許多新技術的應用，薄層罩面有了很大的技術進步，在大交通量道路的預防性養(yǎng)護中廣泛應用。近20年來，薄層罩面技術的新發(fā)展主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)受20世紀90年代“NovaChip”超薄磨耗黏結(jié)層技術的啟發(fā)，采用SBS含量5%以上的高性能改性瀝青、橡膠瀝青等高黏度結(jié)合料來改善集料顆粒之間的結(jié)合強度；采用高性能、無輪跡的改性乳化瀝青并提高單位面積的灑布量，改善薄層罩面與原路面之間的黏結(jié)強度[6-10]。

(2)采用NMAS更小的集料進行熱拌瀝青混合料配合比設計，將密級配混合料鋪層厚度與NMAS之比加大至3∶1 ～ 5∶1。細級配瀝青混合料不僅更加容易壓實，而且在同樣的空隙率下，由于細料和瀝青的堵塞作用，降低了連通空隙的比例，從而大大降低了密級配混合料透水的風險[11-12]。圖1展示了NMAS和空隙率對混合料透水性能的影響[13]。從圖1中可見，對于NMAS為4.75 mm的混合料，在空隙率高達8%～10%時仍然是不透水的，而NMAS為9.5 mm的混合料在空隙率為9%時，NMAS為12.5 mm的混合料在空隙率為7%時，NMAS為19 mm的混合料在空隙率為6%時，都是明顯透水的。

圖1 空隙率和NMAS對混合料透水性的影響

(3)在混合料設計方面，除了傳統(tǒng)的密級配混合料外，大量采用了SMA等骨架密實型斷級配混合料，大大改善了薄層罩面抗車轍的能力[14]。

(4)在施工方面，采用對改善薄層罩面壓實質(zhì)量有重要影響的新技術。一是利用溫拌技術來降低對混合料壓實溫度的要求。通常厚度為25 mm的薄層罩面溫度從150 ℃下降至80 ℃的時間要比厚度為40 mm的常規(guī)瀝青路面磨耗層快1倍，采用溫拌瀝青混合料可以大幅延長混合料的可壓實時間[15]。二是采用高頻振動壓實、振蕩壓實、智能壓實等新的壓實技術來降低過度壓實的風險，其中振蕩壓實由于沒有垂直方向的振動、滾輪不會脫離路面，更加適合薄層罩面壓實[16-17]。

以上這些新技術的應用使薄層罩面的概率壽命延長至8～10年，大大改善了薄層罩面的成本效益，也為進一步減小薄層罩面的厚度提供了條件。采用常規(guī)攤鋪設備鋪筑高性能薄層和超薄層罩面，就是美國密歇根、得克薩斯等州在上述背景下開發(fā)的預防性養(yǎng)護新技術。TxDOT最初將此種超薄罩面稱為裂縫衰減型混合料超薄罩面(Crack Attenuating Mix Ultra Thin Overlay)，以示與常規(guī)密級配混合料超薄罩面的區(qū)別，從2015年起改稱為高性能超薄罩面(High Performance Ultra Thin Overlay)[18-20]。

1 對混合料設計和施工的技術要求

1.1 材料的選用與混合料的配合比設計

材料的選用主要是黏層材料、混合料的結(jié)合料和集料的選擇。黏層材料必須符合規(guī)定的剪切和拉拔強度要求；混合料的結(jié)合料性能應符合各項路用性能的要求；集料除應符合現(xiàn)行規(guī)范對表面層集料的要求外，在粗集料的針片狀與磨光值、細集料含粉量方面應有更高的要求。

在混合料的配合比設計方面：對于懸浮密實型混合料，其空隙率應滿足3%～5%(改性瀝青)、4%～6%(橡膠瀝青)的要求，集料的平均瀝青膜厚度應符合20～25 μm(橡膠瀝青)的要求；對于骨架密實型混合料，其空隙率應滿足3%～4%(改性瀝青)、4%～5%(橡膠瀝青)的要求，集料的平均瀝青膜厚度應符合15～25 μm(橡膠瀝青)的要求；對于半開級配混合料，其空隙率應滿足10%～15%和宏觀構造負紋理的要求，集料的平均瀝青膜厚度應符合9～12 μm(改性瀝青)、25～30 μm(橡膠瀝青)的要求；對于開級配混合料，其空隙率應滿足18%～20%的要求，集料的平均瀝青膜厚度應符合45～55 μm(橡膠瀝青)的要求?；旌狭细黜椓W性能的指標應符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1.2 氣候條件

高性能超薄罩面的施工應盡可能選擇在炎熱的夏天進行，氣溫和道路表面的溫度不宜低于20 ℃，并在繼續(xù)上升。

1.3 混合料拌合

混合料拌合的關鍵在于拌合溫度和均勻性的控制。由于采用高黏度結(jié)合料，應根據(jù)不同結(jié)合料的要求確定集料和結(jié)合料的加熱溫度、拌合溫度，通常拌合溫度需要在180 ℃左右。拌合時間對拌合均勻性有重要的影響，不同的拌合設備需要通過試拌來確定。

1.4 黏層材料灑布

黏層材料灑布的關鍵是在原路面上形成一層符合規(guī)定灑布率的均勻薄膜。影響灑布率和均勻性的主要因素是灑布速度、噴灑壓力和灑布重疊度，這些參數(shù)需要在試灑布的過程中通過測定縱向、橫向灑布率以及均勻性后確定。

黏層材料灑布需要解決的另一個問題是確定灑布在原路面上的黏層材料，需要多長時間才能完全凝固，而不會粘在卡車輪胎和履帶上。

1.5 混合料運輸與攤鋪

混合料運輸應加強車輛的保溫措施，盡可能減少混合料的熱量損失。混合料攤鋪的關鍵是攤鋪溫度和鋪層厚度的控制。應盡可能連續(xù)地進行攤鋪作業(yè)，減少停頓，避免鋪層材料的溫度離析。鋪層厚度應控制在設計厚度的-5%～10%公差范圍內(nèi)。

1.6 混合料碾壓

半開級配和開級配瀝青混合料的碾壓與密級配瀝青混合料的碾壓有不同的目標，前者并不追求使混合料盡可能變得密實，而是要求將粗集料壓實在細料和黏層材料組成的黏結(jié)層中。此時的關鍵是要嚴格控制碾壓溫度和壓實能量。碾壓應在較高的鋪層溫度下進行，并在碾壓第一遍時就能覆蓋全部鋪層寬度。壓實能量不能太大，故不能采用振動壓路機和輪胎壓路機，以免壓碎粗集料或者使結(jié)合料唧漿上浮至表面。

2 在滁寧高速公路預防性養(yǎng)護中的應用

2.1 工程概況

滁寧高速公路來安至明光段于2006年9月30日建成通車，2013～2018年的日均交通流量高達50 000～70 000 pcu(折合小型車)。路面結(jié)構層總厚度為72 cm(石質(zhì)路段為70 cm)。其中，瀝青混凝土面層厚度為16 cm，分為上、中、下3層：上面層采用4 cm厚AC-13改性瀝青抗滑表層，中面層采用6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土，下面層采用6 cm厚AC-20瀝青混凝土。基層采用36 cm厚水泥穩(wěn)定碎石。底基層采用20 cm厚石灰土(石質(zhì)路段為18 cm厚低劑量水泥穩(wěn)定碎石)。2017年，對上、下行線路行車道的彎沉值進行了抽檢。結(jié)果表明，指定抽檢路段的PSSI值為良以上的百分比達100%，為優(yōu)的百分比不小于90%，因此可以認為道路的結(jié)構強度和承載能力是足夠的。

歷年來的路況調(diào)查結(jié)果表明滁寧高速來明段的病害主要是裂縫、坑槽和車轍，以及少量的不均勻沉降(橋頭跳車)、唧漿、擁包等。2017年對路面破損指標PCI、路面平整度指標RQI、路面車轍指標RDI進行檢測，結(jié)果為：上、下行線PCI的平均值分別為93.8和93.5，RQI的平均值分別為94.8和94.5，RDI的平均值分別為85.5和84.8。以上檢測結(jié)果表明全線適宜進行預防性養(yǎng)護。管理部門決定自2019年起按年度對全線進行薄層或超薄層罩面養(yǎng)護。2019年，首先在下行線K38+700～K43+400、全長4.6 km的路段上鋪設3 cm高性能橡膠瀝青薄層罩面。

2.2 混合料設計

混合料設計中的原材料采用玄武巖軋制的集料，石灰?guī)r磨碎的礦粉和橡膠屑含量為20%的橡膠瀝青結(jié)合料。礦料的質(zhì)量符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。橡膠瀝青結(jié)合料各項性能指標的檢測結(jié)果如表2所示。

表2 橡膠瀝青結(jié)合料性能指標的檢測結(jié)果

生產(chǎn)配合比的礦料級配設計如圖2所示。按照7.2%、7.5%、7.8%三種不同結(jié)合料用量拌制橡膠瀝青混合料，制作了3組馬歇爾試件，并測定了試件的各項體積指標，如表3所示。根據(jù)圖2，采用7.2%的橡膠瀝青作為生產(chǎn)配合比的結(jié)合料用量。

圖2 礦料的合成級配曲線

表3 橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗的體積指標

按照確定的生產(chǎn)配合比拌制瀝青混合料，進行了試拌、試鋪，并對瀝青攪拌設備拌制的橡膠瀝青混合料取樣進行各項力學性能的檢驗。表4是橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗的結(jié)果，圖3是橡膠瀝青混合料車轍試驗的結(jié)果。

從表4的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)中可看到，橡膠瀝青結(jié)合料的高黏度和很厚的瀝青膜，大大加強了結(jié)合料與礦料之間的黏結(jié)強度，從而使橡膠瀝青混合料具有十分良好的抗水損害性能。

從圖3中可以看到，試件1在45～60 min區(qū)間的曲線斜率很大，但在隨后的區(qū)段斜率很快變緩。

表4 橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗結(jié)果

圖3 2個試件的車轍試驗曲線

試件2在45～60 min區(qū)間的曲線斜率已經(jīng)變緩，而從總體上看，2條曲線反映的瀝青混合料抗車轍性能基本上處于同一水平。上述車轍試驗的結(jié)果再次證明，對于橡膠瀝青這類高黏度混合料，采用碾壓10 000次的車轍深度和碾壓5 000～10 000次線性變化區(qū)間計算的動穩(wěn)定度來表示混合料的抗車轍性能，能更準確地反映實際的抗車轍能力[21]。

2.3 高性能薄層罩面施工和質(zhì)量控制

2019年6～7月進行罩面施工，氣溫較高，滿足要求。由于交通流量太大，無法實施全幅封閉，只能改為半幅分開施工。在施工前，對原路面的裂縫、坑槽、較深的車轍實施了修復處理，清除路面標線，并進行了徹底清掃。

在正式施工前，首先鋪筑了200 m試驗路段。試鋪方案的施工工藝要點如下。

(1)無輪跡乳化瀝青黏層油的灑布量為0.6 kg·m-2，結(jié)束黏層油灑布后，待其完全固結(jié)方可進行攤鋪作業(yè)。

(2)采用1臺福格勒SUPER 18000-2 HD攤鋪機攤鋪，速度設定為4 m·min-1，配備德國摩巴公司的超聲波自動找平系統(tǒng)。

(3)采用2臺悍馬HDO128V振蕩壓路機碾壓，速度設定為2～4 km·h-1，振蕩頻率為33 Hz，采用緊跟攤鋪機碾壓的方式，不設初壓、復壓，初壓即采用振蕩壓實，合計碾壓4遍。

(4)在處理縱向冷接縫時，首先對已經(jīng)鋪筑的路面進行切邊，寬度為5～15 cm，清理切邊后，在立面及接縫面上涂刷乳化瀝青。在攤鋪時，虛鋪熱料必須與已鋪寬度重疊2.5～4.0 cm，松鋪時的高度保證在原路面之上3.5 cm左右。必須第一時間對接縫部分進行碾壓，壓路機的碾壓輪應該大部分在熱鋪的一側(cè)。在冷鋪的一側(cè)，只容許騎跨15 cm的寬度。

在鋪設試驗路段的同時，對瀝青攪拌設備拌制的橡膠瀝青混合料進行力學性能檢驗。在鋪筑試驗路段結(jié)束后，鉆取芯樣測定鋪層的壓實度，并用電阻抗密度儀按網(wǎng)格測量的方式測定了整個鋪層的壓實度分布情況和壓實度的均勻性。

表5是試驗路段鋪層芯樣密度的測定數(shù)據(jù)，圖4是380密度儀讀數(shù)的標定。從表5中可看到，11個芯樣的壓實度平均值為94%，滿足相關規(guī)范的要求。用密度儀按縱向5 m、橫向1 m的網(wǎng)格測定試驗路段整個鋪層的壓實度，經(jīng)密度儀標定數(shù)據(jù)的修正后列于表6；圖5是鋪層壓實度分布頻率的統(tǒng)計分析結(jié)果。從圖5中可看到，鋪層壓實度分布的均勻性很好，96.75%測點的壓實度為93.5%～95.5%。

表5 試驗路段鋪層芯樣密度的測定數(shù)據(jù)

圖4 380密度儀讀數(shù)的標定

在試鋪時還進行了鋪層構造深度和滲水系數(shù)的測定，其結(jié)果如表7所示。從表7中可看到，橡膠瀝青混合料的密水性能非常好。

表6 用密度儀對鋪層壓實度進行網(wǎng)格檢測的結(jié)果

圖5 試驗路段鋪層壓實度分布

表7 鋪層構造深度和滲水系數(shù)的測定結(jié)果

3 結(jié) 語

(1)高黏度和高用量的橡膠瀝青結(jié)合料保證了橡膠瀝青混合料具有良好的密水性和抗水損害性能，完全可以用來替代價格昂貴的高含量SBS改性瀝青混合料。

(2)S型半斷級配懸浮密實型礦料級配的骨架結(jié)構增強了混合料承受外力的能力，而橡膠瀝青中未完全消融的橡膠屑固體顆粒嵌擠在混合料的集料之間，增大了集料之間的摩擦阻力，兩者的結(jié)合使S型半斷級配懸浮密實型橡膠瀝青混合料呈現(xiàn)出很強的抗車轍變形能力。

(3)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定按碾壓1 890～2 520次的區(qū)間來計算試件的動穩(wěn)定度，這個區(qū)間對于高黏度的橡膠瀝青混合料來說，正處于車轍深度變化曲線斜率急劇變化的過渡段，很可能會由于原始起點和斜率變化不一樣而導致完全錯誤的判斷結(jié)果。本文采用改進的車轍試驗方法，用碾壓10 000次的車轍深度和碾壓5 000～10 000次線性區(qū)間計算的動穩(wěn)定度來表征橡膠瀝青混合料的抗車轍性能，能更準確地反映真實的橡膠瀝青混合料抗車轍能力。

(4)在使用無輪跡黏層材料的條件下，采用常規(guī)瀝青攤鋪機鋪設用于高性能薄層罩面的高黏度瀝青混合料是可行的。