UTAC加鋪技術(shù)在隧道水泥路面處治中的應(yīng)用

陳其紅 孟繁誠 李 智

(1.廣東省高速公路有限公司粵贛分公司 河源 517000； 2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641)

廣東地區(qū)隧道多采用水泥路面，受到尾氣污染及路表磨耗的影響，開放交通后水泥路面抗滑性能衰減問題十分突出，因水泥路面抗滑性能不足而引發(fā)的交通安全事故頻發(fā)，加之水泥路面平整度的不斷變差，造成行車舒適性大大降低，瀝青加鋪便成為一種有效的技術(shù)處治對策。理想的技術(shù)方案是采用相對較厚的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)以滿足抗反射裂縫的需要，但是受到隧道內(nèi)凈空、施工效率、環(huán)境空氣污染等制約，工程量相對較少的薄層瀝青加鋪顯得更具合理性。

目前水泥路面薄層瀝青加鋪方案主要面臨以下技術(shù)難題：須具有良好的施工性、高溫、耐水損害性能和突出的抗滑、抗反射裂縫性能的加鋪材料設(shè)計，以及改善黏結(jié)性能的層間設(shè)計。

蘇曉龍等[1-2]采用的同步薄層罩面技術(shù)具有較好的抗滑性能、高溫穩(wěn)定性和耐水損害性能；聶金元[3]在隧道內(nèi)使用Novachip超薄罩面技術(shù)，說明其在橫向力系數(shù)、擺值、平整度及降噪等方面具有顯著效果。楊洋等[4-5]對 Novachip、橡膠瀝青UTAC-10及GAC-13等典型預(yù)防性養(yǎng)護措施進行道路使用性能的綜合評價。張輝等[6]開發(fā)了一種復(fù)合式冷拌樹脂碎石超薄罩面技術(shù),建立了使用性能評估方法，提出了預(yù)防性養(yǎng)護最佳時機。上述研究大都是針對薄層罩面技術(shù)的應(yīng)用范圍和材料路用性能評價等角度開展的，但針對材料的抗滑級配設(shè)計和抗反射裂縫的問題并未給予充分重視，針對層間黏結(jié)問題研究也比較簡單。

基于此，本文針對薄層加鋪瀝青材料的抗反射裂縫和抗滑性能需求，采用斷級配設(shè)計理念，探索合理的級配設(shè)計方法，設(shè)計路表構(gòu)造更豐富、連通性更好的抗滑級配；其次，嘗試采用高性能SBS改性瀝青，改善加鋪材料的抗反射裂縫性能；同時，進一步改進碎石封層技術(shù)，以獲得更好的層間黏結(jié)和抗反射裂縫能力。

1 UTAC加鋪技術(shù)

薄層瀝青混合料(ultra thin asphalt concrete，UTAC)是一種采用普通施工設(shè)備攤鋪碾壓、可實現(xiàn)20～30 mm結(jié)構(gòu)厚度并適用于路基、隧道和普通混凝土橋梁等路段路面的加鋪技術(shù)，層間黏結(jié)一般采用乳化瀝青黏層或碎石封層技術(shù)，示意圖見圖1。該加鋪材料借鑒了SMA、NovaChip和法國BBTM的技術(shù)優(yōu)勢，是一種具有良好的施工特性和路用性能的密實骨架型瀝青混合料。為追求密水性，以往一般采用5～10 mm(或5～8 mm)、3～5 mm和0～3 mm機制砂等規(guī)格料。因其公稱粒徑相對較小，粗集料比例相對較大(近乎單一粒徑)，施工均勻性較好。

圖1 UTAC薄層瀝青罩面結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)前，由于該類材料多采用馬歇爾混合料設(shè)計方法，其級配設(shè)計多利用經(jīng)驗的上、下限法，導(dǎo)致其級配設(shè)計的系統(tǒng)較差，各混合料抗滑等路用性能差異性較大，效果常常不盡如人意，致使該技術(shù)及材料大多只是用于改善舊瀝青路面平整度等需求，在隧道薄層加鋪工程方面的應(yīng)用相對較少。

2 加鋪材料功能設(shè)計

2.1 抗滑級配設(shè)計

為了適應(yīng)抗滑性能及其耐久性設(shè)計要求，應(yīng)首先確定合適的級配設(shè)計方法。王子碩[7]采用離散元方法，對比分析了2.36～4.75 mm顆粒無間斷、半間斷及全間斷的路面輪廓構(gòu)造平均偏差深度(QLPS)及骨架構(gòu)造。結(jié)果表明，隨著間斷程度的增加，4.75～9.5 mm顆粒增多，骨架構(gòu)造增強，同時QLPS增大，表明構(gòu)造凸凹程度也得到增強?；诠I(yè)CT掃描技術(shù)的瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)顆?？臻g分布特性分析結(jié)果[8]，完全間斷4.75 mm顆粒為骨架密實型瀝青混合料提供的抗滑構(gòu)造效果最佳, 完全間斷2.36 mm顆粒次之, 而部分間斷4.75 mm顆粒的效果相對最差。綜合考慮施工、耐水損壞等技術(shù)需求，間斷2.36 mm顆粒對于UTAC材料更為理想，基于此，可不采用3～5 mm規(guī)格料。

另一方面，考慮到路表抗滑顆粒與輪胎作用之間的接觸特性，以及瀝青混合料內(nèi)部的高溫抗變形能力，開展UTAC級配的嵌擠骨架設(shè)計十分必要?；谥鞴橇峡障短畛浞?course aggregate void rilling method，CAVF)可以實現(xiàn)骨架級配設(shè)計及按體積設(shè)計瀝青混合料。配合比計算公式見式(1)、式(2)。

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc、qf、qp、qa為粗集料、細(xì)集料、礦粉、瀝青用量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；VCADRC為主骨架的緊裝間隙率，%；VVs為瀝青混合料設(shè)計目標(biāo)空隙率，%；γs為粗骨料緊裝相對密度，γf、γp分別為細(xì)料、礦粉的表觀相對密度，γa為瀝青的相對密度。

1) 基于CAVF法開展了UTAC-10的級配設(shè)計，擬定UTAC-10的目標(biāo)空隙率VVs為4.5%，粉膠比為1.3，結(jié)合經(jīng)驗初選油石比為6.0%，則可以初步確定礦粉用量為7.8%。根據(jù)UTAC級配大都采用4.75 mm顆粒的特點，采用單一4.75 mm顆粒按照規(guī)范方法測定VCADRC，再根據(jù)式(1)、式(2)計算得到粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)qc=73.8%，細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)qf=18.4%。

2) 基于上述斷級配設(shè)計理念與分析，確定間斷(不用)3～5 mm的規(guī)格料，只采用5～10 mm和0～3 mm的2檔規(guī)格料，合成級配見表1，其中2.36 mm篩孔的分計篩余僅為9.1%。進一步開展了馬歇爾試驗，確定油石比為qa=5.8%，混合料體積特性見表2。

表1 級配設(shè)計結(jié)果

表2 混合料馬歇爾試驗結(jié)果

3) 利用車轍板試件，采用鋪砂試驗和擺式儀試驗，開展抗滑性能評價試驗，結(jié)果見表3。與廣東省常見的GAC-16C進行比較，結(jié)果表明UTAC具有相對更好的抗滑性能。

表3 抗滑性能試驗

2.2 抗反射裂縫性能設(shè)計

對于隧道內(nèi)水泥路面加鋪瀝青工程，加鋪層在行車荷載作用下會產(chǎn)生彎曲和剪切作用，經(jīng)過長期反復(fù)作用后將導(dǎo)致加鋪結(jié)構(gòu)開裂，最后逐漸擴展形成反射裂縫。由于快速行進的車輪荷載在裂縫附近的作用時間很短，作用力較大，形成了明顯的沖擊荷載作用效果。為此，在材料設(shè)計階段，可以模擬沖擊荷載對加鋪層瀝青混合料的力學(xué)性能進行評價與分析。

測定試件在沖擊荷載作用下斷裂的荷載變形曲線，該曲線與X軸的面積所代表的物理意義則是材料發(fā)生斷裂所需要的能量。沖擊荷載作用下，荷載變形曲線所包圍的面積稱為沖擊韌性，沖擊韌性值越大，表明材料抵抗反射裂縫的能力越強。研究指出[9]，瀝青層模量對半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應(yīng)力強度因子影響程度最大，增大瀝青層模量將顯著增加裂縫尖端應(yīng)力強度?；诖耍蓮募壟浜蜑r青材料的角度對于UTAC的抗反射裂縫性能進行優(yōu)化設(shè)計。

1) 實現(xiàn)更大的瀝青用量。采用CAVF法設(shè)計的級配，不僅骨架特征更加突出，而且相比于普通AC類混合料，VMA顯著提高，較好地實現(xiàn)了提高瀝青用量的目的(油石比5.8%)。

2) 采用高品質(zhì)改性瀝青。采用高溫等級為PG82的高模量SBS改性瀝青作為結(jié)合料，相比于普通改性(PG70、PG76等)改性瀝青而言，對于抑制反射裂縫的產(chǎn)生具有更加優(yōu)異的效果。

3) 為了評價UTAC抵抗反射裂縫的能力，通過切割車轍板制成25 cm×3 cm×3.5 cm的小梁進行三點彎曲試驗，獲得荷載-跨中撓度曲線，計算材料的沖擊韌性，結(jié)果見表4。

表4 沖擊韌性試驗

由表4可見，對比品質(zhì)相同的SBS改性瀝青， SMA的沖擊韌性明顯高于FAC、GAC瀝青混合料，而PG82 SBS改性瀝青UTAC的沖擊韌性結(jié)果與SMA非常接近，說明采用PG82 SBS改性瀝青，以及稍高瀝青用量更有利于提高瀝青混合料的抗反射裂縫能力。綜上，采用密實骨架型級配設(shè)計的UTAC，同時采用高品質(zhì)改性瀝青并提高瀝青用量，可以獲得較理想的抗反射裂縫性能。同時注意到，采用纖維可以提高瀝青混合料的抗反射裂縫能力，提高集料裹附瀝青的能力，顯然也能夠使加鋪層混合料與舊瀝青路面之間獲得更好的層間黏結(jié)力。

2.3 層間黏結(jié)設(shè)計

舊的水泥混凝土路面與新的瀝青混凝土罩面是2種剛度不同的材料，部分隧道存在近3%的縱坡，因此界面之間需要設(shè)計更大的水平剪應(yīng)力以保證層間黏結(jié)。另一方面，水泥板與瀝青加鋪層之間也需要具有更好性能的應(yīng)力吸收層，以抵抗放射裂縫破壞。

為此，在碎石封層的基礎(chǔ)上進行2項技術(shù)改進設(shè)計：①加入纖維，目的是使纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹附更多的黏層瀝青，更有效地鎖住封層集料，使其不易脫落，以此提高封層的結(jié)構(gòu)強度；②采用PG94的高模量改性瀝青作用封層的黏結(jié)料，形成一個5～10 mm的具有更大黏結(jié)力與模量的應(yīng)力吸收黏結(jié)層，從而更柔和地將豎向應(yīng)力荷載分散到加鋪層的結(jié)構(gòu)層，減小行車荷載對面層的裂縫破壞。

為了評價UTAC與該應(yīng)力吸收碎石封層的層間黏結(jié)性能，采用25 ℃的拉拔試驗對3 cm UTAC+1 cm厚纖維碎石封層+水泥路面的結(jié)構(gòu)進行評價。碎石封層熱改性瀝青灑布量為2.2 L/m2，纖維撒布量為120 g/m2，碎石撒布量為6.5 kg/m2。實測UTAC的拉拔強度平均值為0.9 MPa(一般熱改性瀝青碎石封層的結(jié)果為0.3～0.6 MPa)，最大值可達1.2 MPa，效果優(yōu)于采用SBS改性乳化瀝青作為黏結(jié)層的Nova Chip[10]。

3 工程應(yīng)用

粵贛高速公路瀝青路面自2005年12月28日建成通車以來，運營狀況良好，但在交通荷載、環(huán)境等因素的共同作用下，部分路段路面出現(xiàn)了裂縫、唧漿和坑槽等不同程度的病害，路面平整度較差，影響了行車的安全。2018年底，經(jīng)論證與設(shè)計，實施了對舊路面采用拋丸噴砂、清理鑿毛后，在隧道內(nèi)路面采用熱熔復(fù)合改性瀝青(PG94)纖維增強碎石下封層，再加鋪一層UTAC-10改性瀝青混凝土的罩面處治技術(shù)方案。其中，依據(jù)JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對混合料壓實厚度不宜小于公稱最大粒徑的2～2.5倍的規(guī)定，結(jié)合隧道路面對凈空的要求，確定得到薄層罩面厚度為3 cm。材料設(shè)計的技術(shù)參數(shù)詳見前述研究結(jié)果，開放交通以來，路面抗滑性能和平整度得到了提高，路面質(zhì)量均勻、美觀，整體效果見圖2、圖3。

圖2 隧道入口處攤鋪效果

圖3 工后路面效果

對通車后UTAC路面進行為期1.5年的跟蹤觀測，路表無反射裂縫等病害，構(gòu)造深度、擺值及橫向力系數(shù)觀測結(jié)果見表5。

表5 UTAC路面跟蹤評價

由表5可見，在通車后，構(gòu)造深度、擺值及橫向力系數(shù)一直維持在較高水平。工后初始值不僅滿足《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》中擺值≥45、橫向力系數(shù)≥54、構(gòu)造深度≥0.6 mm的要求；且通車1.5年之后，構(gòu)造深度、擺值及橫向力系數(shù)仍遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的水平。工程應(yīng)用表明，UTAC路面路用性能優(yōu)良，抗滑性能較好。

4 結(jié)語

1) 采用間斷級配設(shè)計理念，利用CAVF法設(shè)計了UTAC級配，間斷3～5 mm規(guī)格料，獲得了良好的抗滑構(gòu)造，同時實現(xiàn)了更大礦料間隙率和瀝青用量的設(shè)計。

2) 利用沖擊韌性試驗評價罩面瀝青混合料的抗反射裂縫能力，采用高性能的PG82 SBS改性瀝青并提高瀝青用量，改善罩面材料的抗反射裂縫性能。試驗結(jié)果顯示效果顯著。

3) 在普通碎石封層的基礎(chǔ)上，設(shè)計并采用了PG94改性瀝青纖維碎石封層，增強加鋪層與舊水泥路面層間的黏結(jié)能力及抗反射裂縫能力。試驗結(jié)果顯示，平均拉拔強度可達0.9 MPa。

4) 工程顯示，3 cm厚UTAC+1 cm厚高模量瀝青纖維碎石封層作為隧道水泥路面罩面工程的技術(shù)方案，施工與應(yīng)用效果理想，可為類似工程提供借鑒。