高韌超薄瀝青磨耗層在粵贛高速公路的應(yīng)用

葛 晗，吳有威

(1.廣東省高速公路有限公司粵贛分公司，廣東 河源 517000；2.華運(yùn)通達(dá)(廣東)道路科技有限公司，廣東 佛山 528300)

0 引言

我國高等級公路主要采用瀝青路面結(jié)構(gòu)形式。隨著車輛荷載、時(shí)間、氣候等因素的作用，瀝青路面的使用性能會出現(xiàn)衰減[1-2]。通常磨耗層的壽命小于10年，每隔一定時(shí)間須定期對磨耗層進(jìn)行維修和更換。瀝青路面表面磨耗層設(shè)計(jì)一般采用厚度為4～5cm的改性瀝青熱拌混凝土[3-6]，如GAC-16、AC-13和SMA-13等。常規(guī)厚度的熱拌瀝青表面磨耗層存在的問題主要有：需大量優(yōu)質(zhì)石材、施工能耗高、壽命難以保證、終期磨損率遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)厚度、抗滑耐久問題以及應(yīng)用的局限性等[7-8]。

粵贛高速公路建成通車以來運(yùn)營狀況良好，經(jīng)過長期運(yùn)營服務(wù)，加上近年來交通量的不斷增長，導(dǎo)致水泥路面產(chǎn)生裂縫、斷板、破碎板等病害。為滿足司乘人員舒適性的要求，同時(shí)提高高速公路的服務(wù)質(zhì)量，需對路基段水泥混凝土路面進(jìn)行病害修復(fù)和瀝青罩面(“白改黑”)品質(zhì)化的提升改造。

針對以上問題，決定采用高韌超薄瀝青磨耗層技術(shù)對粵贛高速公路進(jìn)行加鋪養(yǎng)護(hù)，該技術(shù)具有抗滑性好、耐久性好、透水、防滑、降噪等功能[9-13]。

1 高韌超薄瀝青磨耗層方案設(shè)計(jì)

粵贛高速公路路面養(yǎng)護(hù)專項(xiàng)工程針對部分路段破損率及抗滑性能不足，且存在破碎板、脫空、錯臺等病害的情況，對既有水泥砼路面病害進(jìn)行處治后(含換板、脫空壓漿等病害處治措施)，采用4cmGAC-16C+6cmGAC-20(PG82)改性瀝青混凝土(橋面、隧道和連續(xù)配筋段除外)進(jìn)行加鋪。為提高橋面抗滑及破損率(PCI)等性能指標(biāo)，對水泥混凝土橋面、橋梁之間少量水泥混凝土路面的路基段及某些爬坡路段，加鋪1.2cm厚的高韌性超薄磨耗層。對路面存在連續(xù)坑槽、擁包、唧漿和裂縫病害嚴(yán)重且集中的路段采取銑刨重鋪GAC-16C改性瀝青混凝土的處治方案，對路面出現(xiàn)微表脫皮、裂縫和坑槽等病害采取加鋪2cmUTAC的處治方案。

圖1 高韌超薄瀝青磨耗層(GT-8)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

高韌超薄磨耗層系統(tǒng)是以特種高粘高彈瀝青和高粘改性乳化瀝青為混合料和粘結(jié)層的膠結(jié)料，采用同步攤鋪的施工工藝，加鋪厚度為0.8～2.0cm的高性能瀝青混凝土面層。相比傳統(tǒng)的磨耗層，具有較好的抗裂、抗?jié)B和抗滑性能，可有效提升路面平整度、降低行車噪音。

病害處治完善后，加罩厚度為1.2cm的熱拌高韌超薄磨耗層，采用同步攤鋪設(shè)備，在熱拌高韌超薄磨耗層攤鋪的同時(shí)噴灑0.8～1.0kg/m2的偶聯(lián)型SBS聚合物改性高粘乳化瀝青作為粘結(jié)層，以確保超薄攤鋪層和原橋(路)面的緊密粘結(jié)效果。

1.2 原材料

熱拌高韌超薄磨耗層混合料所用的瀝青膠結(jié)料為特種高粘高彈聚合物改性瀝青(非樹脂類改性)，瀝青性能指標(biāo)應(yīng)符合表1要求。

表1 熱拌瀝青膠結(jié)料技術(shù)要求

瀝青膠結(jié)材料性能的大幅提升，為開發(fā)厚度更薄、性能更優(yōu)越的表面磨耗層結(jié)構(gòu)提供了前提條件。對高粘高彈改性瀝青以及其他常用的熱瀝青膠結(jié)料：Nova-Binder、PG 82-22 SBS高粘改性乳化瀝青和A-70基質(zhì)瀝青進(jìn)行性能對比，結(jié)果如表2及圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：高粘高彈改性瀝青的60℃動力粘度≥580 000Pa·s，60℃復(fù)合剪切模量G*為17.94kPa，相比Nova-Binder、PG 82-22 SBS高粘改性乳化瀝青和A-70基質(zhì)瀝青，在高溫抗變形能力、變形恢復(fù)能力與粘結(jié)性能上具有顯著優(yōu)勢。

表2 不同熱瀝青膠結(jié)料的性能對比

圖2 瀝青原樣與RTFOT后的對比

熱拌高韌超薄磨耗層(同步)噴灑粘層油應(yīng)采用偶聯(lián)型SBS聚合物改性高粘乳化瀝青(非SBR類改性)，瀝青性能指標(biāo)應(yīng)符合表3的要求。

表3 聚合物改性乳化瀝青技術(shù)要求

對高粘改性乳化瀝青和Nova-Binder進(jìn)行性能對比，結(jié)果見表4。表明：高黏改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的60℃動力粘度為36 785Pa·s，軟化點(diǎn)為82.5℃，15℃的拉拔強(qiáng)度為1.14MPa，相比Nova-Binder具有更好的層間黏結(jié)能力和高溫穩(wěn)定性。

表4 不同乳化瀝青的性能對比

1.3 混合料配合比

本項(xiàng)目采用UTAC-8型混合料。UTAC(Ultra-thin Asphalt Concrete，超薄瀝青混合料)是一種基于斷級配設(shè)計(jì)理念的骨架型密級配瀝青混合料，是借鑒了法國BBTM以及SMA和Nova-Chip而改進(jìn)的一種薄層加鋪材料,具有相對優(yōu)良的高溫性能、抗滑性能和抗水損壞性能，相對突出的抗疲勞性能，良好的施工性能，表面美觀均勻，經(jīng)濟(jì)性良好，可廣泛應(yīng)用于養(yǎng)護(hù)或預(yù)防性養(yǎng)護(hù)瀝青罩面工程以及新建工程。UTAC-8結(jié)構(gòu)的最小施工厚度為2cm，適合于路基段、橋面等路段加鋪，一般采用5～8mm粗集料和機(jī)制砂配制。

1.3.1 集料

粗集料主要采用0～3mm和5～8mm的規(guī)格料。碎石應(yīng)質(zhì)地均勻、堅(jiān)硬、潔凈、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，顆粒表面粗糙、耐磨，其中5～8mm規(guī)格料的顆粒形態(tài)方正，棱角豐富。

機(jī)制砂應(yīng)采用質(zhì)地均勻的規(guī)格料利用制砂機(jī)專門加工。當(dāng)采用非堿性石料加工時(shí)，應(yīng)加入占集料總質(zhì)量1%～2%左右的水泥。

1.3.2 改性瀝青

所用瀝青采用PG76及以上品質(zhì)的改性瀝青。

1.3.3 配合比設(shè)計(jì)

超薄磨耗層對密水性能、耐久性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等要求較高，在級配選型時(shí)優(yōu)先考慮既有穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)、又具備高密實(shí)性的骨架密實(shí)型級配。各瀝青面層熱拌瀝青混合料級配應(yīng)符合表5的要求,混合料設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

表5 熱拌瀝青混合料級配組成技術(shù)要求

圖3 混合料設(shè)計(jì)流程

配比設(shè)計(jì)過程中，采用車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)對高韌瀝青混合料的綜合路用性能進(jìn)行評價(jià)測試；采用應(yīng)變控制模式的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方式來分析高韌瀝青混合料和其他高性能瀝青混合料的疲勞特性。試驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

表6 高韌瀝青混合料常規(guī)性能評價(jià)測試結(jié)果

表7 四點(diǎn)彎曲疲勞壽命測試結(jié)果

結(jié)果表明：骨架密實(shí)型級配的高韌瀝青混合料具有良好的抗車轍性能與抗滑性能，遠(yuǎn)大于常規(guī)瀝青膜厚度的設(shè)計(jì)，大幅提升了高韌瀝青混合料的抗疲勞開裂性能，在大應(yīng)變測試水平下的疲勞壽命達(dá)到90多萬次，遠(yuǎn)高于其他類型的橋面鋪裝混合料。

2 水泥混凝土原路面的處治

本次設(shè)計(jì)主要的處治內(nèi)容：對破碎板進(jìn)行換板處理，同時(shí)對脫空板進(jìn)行注漿穩(wěn)板處理，最后對水泥路面進(jìn)行瀝青混凝土加鋪罩面；對抗滑性能不足的部分瀝青路面進(jìn)行原路面病害處治后采用2cmUTAC材料進(jìn)行罩面；針對抗滑性能不足的個(gè)別水泥混凝土橋面，采用高韌超薄瀝青磨耗層進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

2.1 水泥路面病害處治設(shè)計(jì)

對出現(xiàn)裂縫板、破碎板等病害的原路面采用表8所示的措施進(jìn)行處治。

表8 水泥混凝土路面板病害類型及處治措施

由于加鋪路段總體路況較差，斷裂板數(shù)量較多，為確保加鋪后路面結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，同時(shí)便于對病害板下的基層損壞程度進(jìn)行判斷和處治，故對加鋪段落中破碎板、重裂縫板等板塊采用換板的方式進(jìn)行處治。

板塊開挖后若發(fā)現(xiàn)基層松散，則清除松散基層，采用C20貧混凝土進(jìn)行澆筑；若基層出現(xiàn)裂縫，則對基層裂縫采用改性乳化瀝青進(jìn)行灌縫封縫，然后用28cm抗折強(qiáng)度5.0MPa的混凝土進(jìn)行恢復(fù)。

2.2 瀝青路面銑刨

銑刨前先劃出銑刨位置的輪廓線，然后用銑刨機(jī)按輪廓線進(jìn)行銑刨。路面銑刨可分幾次銑刨，第一次應(yīng)將隆起部分銑刨掉，然后再按厚度控制銑刨深度及次數(shù)。

銑刨接縫的側(cè)面涂熱瀝青，提高新舊路面的粘結(jié)效果。

3 高韌超薄瀝青磨耗層的實(shí)施

3.1 施工

混合料的粗集料選用閃長巖、輝綠巖或玄武巖。石料進(jìn)拌合場后，需增加水洗工藝處理，水洗采取“多級沉淀、循環(huán)利用”的方式。采用高壓水且水源的PH值應(yīng)大于10。水洗料4.75～9.5mm控制在不大于0.5%，9.5～13.2mm、9.5～16mm或9.5～19mm不大于0.3%。

混合料下面層攤鋪速度1.5～2.5m/min，中面層攤鋪速度2.0～3.0m/min，上面層攤鋪速度2.5～3.5m/min。

混合料碾壓時(shí)的碾壓區(qū)間控制在30～50m。改性瀝青路面壓實(shí)度要求最大理論密度壓實(shí)度為不小于93%，馬歇爾密度壓實(shí)度不小于97%。

3.2 實(shí)施效果

對高韌瀝青薄層罩面的試驗(yàn)路或?qū)嶓w工程鋪筑進(jìn)行技術(shù)監(jiān)控，并開展各實(shí)體路段的綜合路用性能評價(jià)測試，據(jù)此提出高韌瀝青薄層罩面的施工工藝和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)收方法和內(nèi)容有行車噪音、拉拔粘結(jié)強(qiáng)度、三維探地雷達(dá)厚度、路面滲水系數(shù)、擺式摩擦儀摩擦系數(shù)、表面構(gòu)造深度、路面平整度、長期性能跟蹤觀測和現(xiàn)場路面質(zhì)量狀況調(diào)查等。

檢測結(jié)果表明，高韌超薄瀝青磨耗層的總體實(shí)施效果良好：

(1)摩擦系數(shù)>60BPN，平整度<3mm。

(2)構(gòu)造深度>1mm，橋面的抗滑性能得到大幅提升。

(3)層間拉拔強(qiáng)度>0.6MPa，表明薄層罩面與原水泥橋面的層間黏結(jié)效果良好。

(4)滲水系數(shù)<30ml/min，說明鋪裝層具有良好的壓實(shí)度和密實(shí)性。

(5)實(shí)體路段進(jìn)行全斷面三維探地雷達(dá)掃描結(jié)果表明：高韌超薄瀝青磨耗層的平均實(shí)施厚度為10mm，6mm為可實(shí)施的極限厚度，對路表不平整、輕度車轍具有較強(qiáng)的修復(fù)能力(圖4)。

圖4 原水泥混凝土路面

(6)水泥混凝土路面加鋪前后行車噪音對比，車內(nèi)噪音下降5.1dB～5.3dB，車外噪音下降4.5dB～6.8dB，實(shí)現(xiàn)大幅降低原路面行車噪音的效果(圖6)。

圖5 全斷面三維探地雷達(dá)掃描結(jié)果

圖6 車內(nèi)噪音與車外噪音對比

4 結(jié)語

針對粵贛高速公路路面的相關(guān)病害，采用高韌超薄瀝青磨耗層技術(shù)對其進(jìn)行了加鋪處治。該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施調(diào)研顯示：原有路面板塊間接縫處出現(xiàn)路表標(biāo)線開裂現(xiàn)象，開裂處裂縫逐漸擴(kuò)展，但對應(yīng)接縫位置的高韌超薄瀝青磨耗層卻未發(fā)生開裂；在脹縫位置發(fā)現(xiàn)薄層沿原脹縫豎向往下凹陷，但對應(yīng)位置處高韌超薄磨耗層未發(fā)現(xiàn)開裂、脫皮、推移等病害。說明相關(guān)技術(shù)體系的實(shí)施，可有效改善原路面的噪音、平整度及病害問題。該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。