全玄武巖微表處在北京市五環(huán)路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

于保華，王世昌，楊婉怡，朱建東，胡繼俠，盧兆洋

（1. 北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102613；2.北京卓美恒晟機(jī)械有限公司，北京 100176；3.中國建筑土木建設(shè)有限公司，河南 濮陽 457000；4. 北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044）

引言

當(dāng)前，我國大部分公路陸續(xù)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，由于重型車通行量的日益增多，行車荷載加重，瀝青路面路表磨耗嚴(yán)重，導(dǎo)致路表抗滑性能不足。傳統(tǒng)的微表處技術(shù)一般選用石灰?guī)r，然而石灰?guī)r本身強(qiáng)度較低，在車輪的反復(fù)碾壓下抗滑性能衰減較快，難以滿足瀝青路面的抗滑要求[1-5]。同時，瀝青路面長期在車輛荷載作用下，面層結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步壓實，表面集料被磨光，摩擦系數(shù)嚴(yán)重降低。在路表有水的條件下，容易導(dǎo)致水濺、水漂和水霧以及汽車滑水現(xiàn)象，具有嚴(yán)重的安全隱患，所以提高路面的抗滑性和耐久性迫在眉睫[6-13]。因此，亟需抗滑性能更好的礦料進(jìn)行微表處的制備。

玄武巖具有強(qiáng)度高、耐久性好的優(yōu)點，制備全玄武巖微表處可以全面提高瀝青路面的抗滑耐久性。但是，由于玄武巖自身堿性較弱，與瀝青黏結(jié)性較差，一般的乳化瀝青難以保證良好的裹覆性。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過制備高黏乳化瀝青，提高乳化瀝青的黏附性，增強(qiáng)微表處材料的黏聚力，使礦料不易脫落，并使用玄武巖礦料改善微表處材料的抗滑耐久性。

1 原材料及配方

1.1 乳化瀝青

對乳化瀝青各項指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 乳化瀝青檢測結(jié)果

1.2 粗集料

按照相關(guān)規(guī)范要求對粗集料各項指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果見表2，且滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）要求。

表2 粗集料檢測結(jié)果及規(guī)范要求

1.3 細(xì)集料

按照相關(guān)規(guī)范要求對細(xì)集料各項指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果見表3，且滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2017）要求。

表3 細(xì)集料檢測結(jié)果及規(guī)范要求

1.4 配方

為了提高瀝青與玄武巖礦料的黏附性，專門配制高黏乳化瀝青。將石油瀝青加熱熔融后與異構(gòu)醇滲透劑、石油樹脂增黏劑、添加劑混合均勻，制得瀝青混合物，與乳化劑混合，攪拌；將改性膠乳、乳化劑加入水中調(diào)節(jié)pH 值得到皂液；將皂液、以及異構(gòu)醇滲透劑、石油樹脂增黏劑、添加劑進(jìn)行剪切，得到高黏乳化瀝青。高黏乳化瀝青配方見表4。

2 目標(biāo)配合比設(shè)計及性能驗證

2.1 配合比設(shè)計

全玄武巖微表處混合料的配比設(shè)計，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。玄武巖粗中細(xì)三擋料，合成 III 型集配，粗:中: 細(xì)=1 ∶1 ∶3（質(zhì)量比），砂當(dāng)量 70%，滿足 MS-III 型級配。石料樣品的測試結(jié)果見表5 及圖1。

表4 高黏乳化瀝青配方

表5 合成級配結(jié)果

圖1 混合料集配結(jié)果

通過室內(nèi)濕輪磨耗試驗、負(fù)荷輪黏附砂量試驗和黏聚力試驗來確定最佳油石比，選取9.0%、9.5%、10.0%、10.5%和11.0%五個油石比進(jìn)行試驗，測試結(jié)果見表6。

為了保證玄武巖礦料與乳化瀝青具有足夠的黏結(jié)力，在確定最佳油石比時應(yīng)重點考慮黏聚力指標(biāo)。通過室內(nèi)濕輪磨耗試驗、負(fù)荷輪黏附砂量和黏聚力試驗綜合確定最佳瀝青用量為9.7 %。

表6 濕輪磨耗試驗、負(fù)荷輪黏附砂量和黏聚力試驗結(jié)果

2.2 性能驗證

在確定全玄武巖的最佳瀝青用量后對其進(jìn)行驗證并與普通乳化瀝青微表處進(jìn)行對比，試驗結(jié)果見表7。

表7 高黏乳化瀝青全玄武巖與普通乳化瀝青微表處檢測結(jié)果

經(jīng)過一系列室內(nèi)混合料試驗，全玄武巖微表處的試驗結(jié)果都可以滿足規(guī)范的要求，使用高黏乳化瀝青的玄武巖微表處60 min 的黏聚力達(dá)到3.2 N·m，與使用普通乳化瀝青的微表處相比其黏聚力增大53%，可以有效解決乳化瀝青與玄武巖黏結(jié)性較差的問題，從而提高其抗滑耐久性。

2.3 室內(nèi)抗滑性能評價

為了研究全玄武巖抗滑性能的效果，在試驗室內(nèi)進(jìn)行了橫向分布式車轍儀循環(huán)加載試驗，模擬瀝青路面經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)碾壓，然后在車輪輪跡處進(jìn)行抗滑性能檢測。

為盡量符合實際的模擬實際路面抗滑性能衰減，在40 ℃溫度下作用一定次數(shù)以模擬實際交通對路面抗滑性能的影響。經(jīng)計算后，1 a 需模擬時間為80 h。經(jīng)過橫向分布式車轍儀在40 ℃下反復(fù)碾壓80 h 后，在輪跡處對其抗滑性能檢測的結(jié)果見表8。

表8 循環(huán)碾壓前后構(gòu)造深度試驗結(jié)果

通過模擬試驗表明，高黏乳化瀝青玄武巖微表處與普通乳化瀝青微表處相比其抗滑性能衰減較緩，高黏乳化瀝青玄武巖微表處構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)衰減率低于10%，滿足路面抗滑性能規(guī)范要求，可以有效改善瀝青路面抗滑性能衰減較快的問題。

3 工程應(yīng)用

3.1 五環(huán)路概況

五環(huán)路作為北京市重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，通車至今極大改善了北京城市環(huán)境和交通條件，對首都社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。自2004 年建成以來，作為市區(qū)邊緣的一條高速公路，不僅承擔(dān)著屏蔽、疏導(dǎo)大量過境交通的重任，而且為北京市區(qū)內(nèi)的大量、長距離、快速交通服務(wù)。五環(huán)路全長98.6 km，雙向6車道加連續(xù)應(yīng)急停車帶，現(xiàn)已經(jīng)投入使用超過15 a，先后于2014 年、2015 年進(jìn)行主路路面橋面大修，極大提高了整體路況水平。經(jīng)多年運營，由于交通量大，路齡較長，路面已出現(xiàn)了破損、龜裂、唧漿、車轍、松散等病害，嚴(yán)重影響了路面的使用性能。為進(jìn)一步提升路況水平，保證通行安全運營，選取K16+800—K28+000 路段進(jìn)行微表處施工處理。

3.1.1 道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級：高速公路；（2）主線設(shè)計速度：100 km/h；（3）道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙向6 車道，標(biāo)準(zhǔn)路基寬度為35 m，中央分隔帶寬3 m，單幅路面寬為15.25 m，土路肩寬0.75 m。

3.1.2 舊路結(jié)構(gòu)調(diào)查

（1）面層：5 cm 瀝青瑪蹄脂碎石混合料 SMA-16+6 cm 粗粒式瀝青混合料 AC-25 Ⅰ+7 cm 粗粒式瀝青混凝土 AC-30 Ⅰ；（2）基層：18 cm 石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫+18 cm 石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫+18 cm 石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫。

3.1.3 年平均日交通量

根據(jù)交通量觀測數(shù)據(jù)，五環(huán)路平均日交通量（AADT）折算量為162 990 pcu/d，屬于特重交通量等級。

3.2 路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計方案

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查情況，主路路面總體使用狀況較好，路面主要病害類型為表面功能破壞，路面平整度及抗滑性能下降，局部存在縱橫向裂縫。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，五環(huán)路的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度PSSI ＞90，路面破損狀況指數(shù)PCI ＞90，滿足實施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的基本條件。由于該路段主路路面在2014 年進(jìn)行過罩面，路面拉毛0.5 cm 后加鋪4 cmSMA-13，目前舊路瀝青面層總厚度達(dá)22 cm，且路面使用狀況較好，僅局部少數(shù)路面存在病害。經(jīng)綜合分析，為了防止路面出現(xiàn)新的病害或者輕微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，提高路面的抗滑耐久性，綜合路面病害特征、交通量、資金和費用效益等因素，本工程采取全玄武巖微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。

3.3 施工效果檢驗

（1）為了驗證本項目所開發(fā)的全玄武巖微表處性能，在北京市五環(huán)路部分路段應(yīng)用了該技術(shù)并對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示使用高黏乳化瀝青的玄武巖微表處各項施工性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，由于玄武巖與瀝青黏附性較差，所以實體工程中專門對瀝青黏聚力指標(biāo)重點把控，采用乳化瀝青稀漿混合料黏聚力試驗儀進(jìn)行測試，保證全玄武巖微表處具有良好的黏附力以達(dá)到抗滑性能的衰減較緩的效果。（2）微表處竣工后其全線外觀表面平整、密實、均勻，無松散，無花白，橫向接縫對接平順，縱向接縫寬度均不大于80 mm，無不平整現(xiàn)象，且使用高黏乳化瀝青的玄武巖微表處性能全面由于普通乳化瀝青。在對表面抗滑性能的驗證中，擺值（BPN）、構(gòu)造深度均滿足竣工驗收要求，這表明該技術(shù)能顯著改善路表面的抗滑性能，適用于抗滑性能要求較高的路段。（3）微表處施工路段滲水系數(shù)均低于10 ml/min，表明全玄武巖微表處能較好的保護(hù)路面結(jié)構(gòu)不受水損壞，工程檢測結(jié)果見表9，各項指標(biāo)均高于石灰?guī)r微表處，且黏聚力性能遠(yuǎn)高于石灰?guī)r微表處，全玄武巖微表處抗滑性能的衰減要明顯低于石灰?guī)r微表處。全玄武巖微表處在實體工程應(yīng)用中表現(xiàn)良好，具備很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

表9 實體工程檢測結(jié)果

4 結(jié)語

（1）通過室內(nèi)試驗表明全玄武巖微表處性能滿足規(guī)范要求，室內(nèi)抗滑性能評價也表明全玄武巖微表處具有良好的抗滑耐久性。（2）由于玄武巖自身堿性較弱，與瀝青黏結(jié)性較差，本文配制高黏乳化瀝青提高與礦料的黏聚力，試驗表明特制的高黏乳化瀝青與玄武巖具有良好的黏附效果，且與使用普通乳化瀝青的微表處相比其黏聚力增加53%，其性能也全面優(yōu)于普通乳化瀝青微表處。（3）在北京市五環(huán)路部分路段應(yīng)用了該技術(shù)并對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示該微表處各項施工性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；微表處竣工后其全線外觀表面平整、密實、均勻，無松散，無花白，橫向接縫對接平順，無不平整現(xiàn)象。鋪筑實體工程也表明，全玄武巖微表處的黏聚力指標(biāo)遠(yuǎn)高于普通微表處，在使用一年后路面抗滑性能指數(shù)與普通微表處相比衰減較緩，達(dá)到了提高瀝青路面抗滑耐久性的目的。綜上，全玄武巖微表處在實體工程應(yīng)用中表現(xiàn)良好，具備很強(qiáng)的應(yīng)用價值。