HET系列高性能抗滑表層技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

吳傳海，鄧星鶴，李善強(qiáng)，許新權(quán)，王志祥，肖 鳳

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.廣東交科技術(shù)研發(fā)有限公司，廣州 510550)

0 概述

公路瀝青路面的表面層作為重要的功能層，主要起到提高路面表面抗滑、耐磨功能、降低路面噪音，并擴(kuò)散車輪荷載，減少沖擊振動，以及降低溫度梯度等作用，從而為行車提供安全、快速、舒適的條件[1]。分析表明，表面層是各種損壞最易發(fā)生的部位，因此，保證路面具有優(yōu)良的使用性能首先要保證表面層抗開裂、抗高溫抗滑性能及耐久性能[2]。在我國，習(xí)慣采用較厚的(4～5cm)表面層，使表面層既有表面功能層的作用也起到一部分結(jié)構(gòu)層的作用；而在國外，一般設(shè)置單獨(dú)的表面層，并把表面層稱為磨耗層，厚度一般在2.5cm左右，主要作用是抗滑、抗磨耗、抗車轍、降低噪音等[3]。

在1995年至2005年大概十年的時(shí)間里，我國許多瀝青路面嘗試采用了一種專門的抗滑表層—AK類抗滑表層，但使用效果并不理想，主要表現(xiàn)在：(1)AK13(16)-B型混合料一般空隙率較大，透水嚴(yán)重，易引發(fā)松散、坑槽損壞；(2)AK13-A型混合料表面密水和均勻性較好，但抗滑能力衰減較快，有的甚至還會發(fā)生泛油和車轍等病害；(3)AK-16A型混合料雖然高溫穩(wěn)定性和抗滑能力有所提高，但施工時(shí)往往離析嚴(yán)重，易引發(fā)局部坑槽或泛油等病害。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通量的日益增加，對道路使用也提出了越來越高的要求，客觀上要求路面具有行車安全、駕駛舒適、低噪音的使用特性。然而，目前我省公路瀝青路面上面層仍主要采用4～5cm GAC-13(16)型瀝青混凝土作為抗滑磨耗層[4]。近年來抗滑性能檢測數(shù)據(jù)表明，部分高速公路通車3～4年后路面橫向力系數(shù)SFC就已經(jīng)下降到40以下，甚至不能滿足公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范的要求，為行車安全埋下極大隱患；若道路表面排水不暢，存在積水，則行駛車輛會出現(xiàn)水漂現(xiàn)象，極易導(dǎo)致安全事故。

截至2020年底，廣東省公路總里程達(dá)22萬km，其中高速公路突破1萬km。高速公路養(yǎng)護(hù)里程不斷增加，針對路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的“四新技術(shù)”也不斷涌現(xiàn)：自2003年廣東省引入NovaChip獲得成功應(yīng)用后，超薄磨耗層技術(shù)開始逐漸發(fā)展，近十年出現(xiàn)了數(shù)十種薄層技術(shù)，形成了百花齊放、百家爭鳴之態(tài)勢[5]。

各類超薄磨耗層厚度從0.5cm～2.0cm不等，礦料級配分為密實(shí)、半開、全開三種，拌和溫度包括熱拌、溫拌和冷拌[6]。各類產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)不一，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，應(yīng)用效果時(shí)好時(shí)壞，管養(yǎng)單位養(yǎng)護(hù)決策時(shí)往往難以抉擇。針對這種情況，華路公司創(chuàng)造性的研發(fā)了依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)定制的、科學(xué)的、高效的、有針對性的HET高性能抗滑表層技術(shù)。

1 研發(fā)思路

1.1 需求分析

(1)減少路面早期損害，提升路面使用性能。在廣東省濕熱、大交通量環(huán)境下，瀝青路面早期損壞一直是管養(yǎng)單位的痛點(diǎn)。改進(jìn)型AC類磨耗層因其最大公稱粒徑和礦料級配抗滑設(shè)計(jì)的影響，施工均勻性難以控制；盡管已使用改性瀝青，但因表面離析導(dǎo)致的瀝青路面坑槽、車轍、泛油等早期病害仍然時(shí)有發(fā)生[7]。

(2)提高路表抗滑耐久性，保障路面行車安全。根據(jù)廣東省公路管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，目前使用較多的GAC-16型瀝青路面磨耗層普遍存在抗滑衰減過快、抗滑性能不足的現(xiàn)象。針對此類問題，可以從兩個(gè)方面加以解決：一是在公路建設(shè)期就進(jìn)行路面表層抗滑耐久性能設(shè)計(jì)；二是在管養(yǎng)階段對路面表面抗滑不足的路段進(jìn)行抗滑性能恢復(fù)。由于路面抗滑性能的衰變來源于路面表觀紋理的變化，而表觀紋理又與路面表層所用的集料性質(zhì)、礦料級配、油石比等息息相關(guān)，因此需要從礦料級配設(shè)計(jì)，以及集料、瀝青等原材的選擇方面進(jìn)行路面表層長期抗滑性能的設(shè)計(jì)，以保障路面行車安全。

(3)優(yōu)化橋面和隧道路面鋪裝結(jié)構(gòu)，落實(shí)節(jié)能環(huán)保要求。交規(guī)劃發(fā)〔2018〕81號文也提出：將綠色發(fā)展理念貫穿于交通基礎(chǔ)設(shè)施全過程，通過材料節(jié)約等舉措，積極推進(jìn)綠色公路建設(shè)。隨著路面抗滑表層薄層化技術(shù)的進(jìn)步，公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，尤其是橋隧鋪裝結(jié)構(gòu)厚度的優(yōu)化成為了可能。然而，以往各類路面薄層技術(shù)僅用于營運(yùn)公路路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，在新建公路路面結(jié)構(gòu)層中并未使用。因此，利用薄層技術(shù)優(yōu)化新建公路路面結(jié)構(gòu)，尤其是橋面和隧道路面，不僅可以改善營運(yùn)公路路面使用性能，還能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

(4)提高施工便利性，保證路面施工質(zhì)量。目前，公路路面養(yǎng)護(hù)市場上厚度較薄的磨耗層產(chǎn)品，其膠結(jié)料一般采用高黏改性瀝青[9]。然而，由于高溫黏度過大，薄層瀝青混合料施工時(shí)對溫度的控制要求更為苛刻：一是碾壓窗口期短，稍稍耽擱則難以壓實(shí)；二是壓實(shí)過程中混合料易黏附在鋼輪上，而人工補(bǔ)料又存在表觀不均勻?qū)е碌谋∪醐h(huán)節(jié)，在后期車輛荷載和環(huán)境因素影響下，易出現(xiàn)脫皮、坑槽等病害。因此，從施工的便利性和路面施工質(zhì)量角度出發(fā)，急需研發(fā)一種高溫黏度較小，而低溫黏度較大的高黏改性瀝青作為薄層抗滑表層的膠結(jié)料，以確保其使用性能和施工和易性。

(5)提高抗滑表層設(shè)計(jì)的針對性，做到鋪筑方案有的放矢。公路路基段的路面結(jié)構(gòu)表層與橋梁段的橋面鋪裝、隧道路面鋪裝等抗滑表層，由于其下部的主要承重層剛度條件不同，受力模式差異較大，加上使用環(huán)境也不一樣，因此其對抗滑表層的使用性能需求和層間粘結(jié)的要求也大不相同；新建和營運(yùn)公路由于路面施工條件不同、界面潔凈和粗糙程度差異較大，同樣工況條件下鋪筑相同的抗滑表層對層間結(jié)合材料的要求也理應(yīng)不同。然而，目前公路路面養(yǎng)護(hù)市場上的薄層抗滑表層材料，較少有針對路基、橋梁、隧道等不同實(shí)際工況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，往往一種產(chǎn)品應(yīng)用于所有場景及工況，這就會導(dǎo)致薄層應(yīng)用過于保守，造成資源浪費(fèi)。因此，急需針對不同使用場景和工況開發(fā)相適用的抗滑表層材料，真正做到鋪筑方案有的放矢。

綜上所述，基于綠色環(huán)保、安全舒適、性能提升和資源節(jié)約等發(fā)展理念，有必要針對路基段路面或橋(隧)路面鋪裝、新建或營運(yùn)公路等不同應(yīng)用場景和實(shí)際工況進(jìn)行路面抗滑表層設(shè)計(jì)研究。

1.2 HET系列抗滑表層構(gòu)建

針對路、橋、隧等不同應(yīng)用場景和工況，結(jié)合近十年來廣東省瀝青路面各類抗滑表層應(yīng)用情況，在總結(jié)各種抗滑表層特點(diǎn)及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上華路公路研發(fā)了HET系列高性能抗滑表層體系，如表1所示。HET系列抗滑表層所用的膠結(jié)料、粘結(jié)層材料分別采用廣東華路交通科技有限公司自主研發(fā)的HET專用特種瀝青和HET專用高性能改性乳化瀝青，施工工藝根據(jù)HET抗滑表層型號不同，分別設(shè)計(jì)了同步攤鋪和異步攤鋪兩種。

表1 HET高性能抗滑表層體系

2 HET系列高性能抗滑表層技術(shù)特點(diǎn)

HET系列高性能抗滑表層是一種依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)定制的科學(xué)、高效、節(jié)約型鋪面新技術(shù)，由特制高性能粘結(jié)層和1.0～3.0cm的高性能瀝青混合料組成，具有抗高溫、抗水損、抗老化、抗疲勞開裂及抗滑耐久等優(yōu)良性能，分為HET-J(新建)、HET-Y(養(yǎng)護(hù))兩個(gè)系列，每個(gè)系列下分有骨架密實(shí)型和靜音排水型兩類，分別適用于不同工況路面的抗滑表層。

2.1 量身定制，滿足不同應(yīng)用場景

HET系列抗滑表層均采用增強(qiáng)型骨架結(jié)構(gòu)混合料確保良好的抗永久變形能力，HET專用特種瀝青的使用以及0.2%～0.4%的纖維穩(wěn)定增強(qiáng)，較大地增強(qiáng)了材料本身的抗高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及抗裂性等。

HET-J型適用于新建公路，下分為2.5～3.0cm HET-J(A)型和HET-J(B)型；HET-J(A)級配類型為密級配，目標(biāo)空隙率為4%，油石比6.0%～6.5%，密水性好，抗滑耐久性良，適用于新建公路的路基段、橋梁段以及中短隧道抗滑表層；HET-J(B)型級配類型為半開級配，目標(biāo)空隙率為15%，油石比5.0%～5.6%，抗滑耐久性優(yōu)適用于長、特長隧道及一般路段和路面排水不良的路段抗滑表層。

HET-Y型適用于營運(yùn)公路，下分為2.0～2.5cm HET-Y(A)型、1.0～1.5cm HET-Y(B)型、2.0～2.5cm HET-Y(C)型。其中 HET-Y(A)型、HET-Y(B)型為密級配，空隙率為4%，油石比分別控制在6.0%～6.5%、6.5%～7.5%；HET-Y(C)型為半開級配，空隙率為15%，油石比為5.0%～5.6%。根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，廣東省營運(yùn)公路罩面一般在通車8～10年后，在通車5年后，路面裂縫、裂縫修補(bǔ)以及坑槽修補(bǔ)已對路面平整度造成一定程度的影響，而2cm以下的薄層對于平整度的改善非常有限。因此，在標(biāo)高不受限制的情況下，考慮到耐久性問題，建議在一般路基段、隧道路段采用2.0～2.5cm的HET-Y(A)作為抗滑表層加鋪；橋面鋪裝因恒載問題，建議采用1.0～1.5cm HET-Y(B)作為加鋪抗滑表層；而隧道路面，尤其是長和特長隧道路面，結(jié)合抗滑性能考慮，推薦采用HET-Y(C)作為罩面層。

2.2 抗滑耐久，保障路面行車安全

HET系列高性能抗滑表層主要通過控制集料粒型和礦料級配設(shè)計(jì)來獲得較為豐富的微觀紋理和宏觀構(gòu)造，同時(shí)通過使用耐磨耗的玄武巖、輝綠巖或中性閃長巖，確保在車輛重復(fù)荷載的作用下保持抗滑面耐久性。采用小型加速加載設(shè)備在室內(nèi)對HET抗滑表層和其他常用抗滑表層試件進(jìn)行了加速磨耗，然后用擺式儀進(jìn)行了擺值測試。測試結(jié)果顯示，HET抗滑表層初始抗滑性能較優(yōu)，衰減速率較低，整體抗滑性能較為穩(wěn)定。另外，對汕梅高速公路路面養(yǎng)護(hù)工程HET-Y(A)型抗滑表層試驗(yàn)路應(yīng)用效果進(jìn)行了跟蹤觀測，結(jié)果如圖2所示。由此可知：HET-Y(A)型抗滑表層在重載交通條件下通車9個(gè)月后，其抗滑性能SFC值一直維持在54～57之間，抗滑性能總體較好且穩(wěn)定。

圖1 HET室內(nèi)加速加載后抗滑性能衰變規(guī)律

圖2 汕梅高速公路HET試驗(yàn)段工后抗滑性能

2.3 平整降噪，提高路面行車舒適性

基于富油設(shè)計(jì)理念，HET系列高性能抗滑表層，瀝青用量較其他同類型抗滑表層高0.3%～0.5%；使得HET施工和易性良好，平整度遠(yuǎn)優(yōu)于一般的抗滑表層，如2.5cm的HET-J(A)和2cm的HET-Y(A)國際平整度指數(shù)IRI可達(dá)0.8m/km以下，同等條件下優(yōu)于傳統(tǒng)的4cm GAC和SMA型瀝青表層。路面良好的平整度可有效降低行車顛簸和減少車輛震動；而富油特性賦予HET更優(yōu)的彈性，使其具有更好的行車震動能量吸收功能，可降低噪音約3～5dB；兩者綜合使得HET抗滑表層具有較好的行車舒適性。另外，作為靜音排水型的HET-J(B)、HET-Y(C)為半開級配，相比一般瀝青路面表層可降低噪音8～10dB，降噪效果更優(yōu)。

2.4 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)，落實(shí)節(jié)能環(huán)保要求

為落實(shí)交通運(yùn)輸部對于節(jié)能環(huán)保的相關(guān)要求，課題組經(jīng)過理論計(jì)算分析，并結(jié)合廣東省公路瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)踐，對新建公路瀝青路面?zhèn)鹘y(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，尤其是橋梁和隧道路面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，即采用2.5～3.0cm的HET高性能抗滑表層來取代4.0～4.5cmGAC-16瀝青表層。優(yōu)化后的路面表層結(jié)構(gòu)在保證良好的抗高溫、抗裂、抗水損等路用性能的同時(shí)，提升了抗滑耐久性，減薄了2cm的瀝青層，節(jié)約了優(yōu)點(diǎn)稀缺石料等資源；切實(shí)提高了路面行車安全性。研究成果在惠清、花莞、云茂等新建高速公路得到了成功應(yīng)用，實(shí)踐表明：優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)路用性能良好，較原典型結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的服役水平。

2.5 施工便利，保障路面施工質(zhì)量

基于壓實(shí)考慮，課題組提高了HET系列抗滑表層集料的選用標(biāo)準(zhǔn)：即將集料針片狀定義為最大長度與最小厚度方向尺寸之比大于2.5倍，且粗集料針片狀顆粒含量不大于12%；HET系列抗滑表層采用的專用特種瀝青60℃動力粘度可根據(jù)實(shí)際需求在20～60萬Pa·s之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，但對應(yīng)的150℃運(yùn)動黏度始終控制在1.5～2.1Pa·s，即在確保專用瀝青高性能情況下，又能保證其施工和易性；HET系列抗滑表層所用單檔集料占比達(dá)70%以上，加上纖維的穩(wěn)定，混合料本身幾無離析空間，攤鋪碾壓后即可做到全斷面表面均勻、密實(shí)?？傮w看，HET系列抗滑表層瀝青混合料具有易加工、易攤鋪、不離析的特點(diǎn)。

2.6 經(jīng)濟(jì)耐久，降低路面全壽命周期養(yǎng)護(hù)成本

HET系列抗滑表層在重交通等級條件下，1.0～1.5cm骨架密實(shí)型HET使用壽命約在4～6年，2.0cm以上的骨架密實(shí)型HET使用壽命可達(dá)6～8年，2.0cm以上的靜音排水型HET的使用壽命在5～6年。另外，由于HET抗滑表層技術(shù)完全屬于課題組自主研發(fā)，其綜合單價(jià)要低于市面上同類產(chǎn)品。因此，采用HET作為抗滑表層可有效提升路面使用品質(zhì)，降低路面全壽命周期養(yǎng)護(hù)成本。

3 工程應(yīng)用

3.1 惠清高速公路(新建高速公路HET應(yīng)用)

2020年8月，在惠清高速公路橋梁和路基段進(jìn)行了HET-J(A)型抗滑表層試驗(yàn)段鋪筑，即采用2.5cm HET替代原設(shè)計(jì)的4.5cm GAC-16，將橋面鋪裝厚度降低為8cm，這為后續(xù)橋梁鋪裝層輕量化設(shè)計(jì)提供了較好的示范作用。

表2 惠清HET試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)

HET-J(A)抗滑表層混合料在運(yùn)輸、攤鋪過程中具有很好的抗離析效果，采用13t雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2～3遍即可攤鋪出的瀝青面均勻美觀?，F(xiàn)場檢測結(jié)果表明，壓實(shí)后HET抗滑表層表觀密實(shí)不透水、紋理粗糙(構(gòu)造深度平均值為1.0mm)、國際平整度指數(shù)IRI為0.78m/km，橫向力系數(shù)SFC均值為57。此外，在現(xiàn)場氣溫30℃、路表溫度45℃情況下，HET與下承層粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)0.45MPa。課題組通過跟蹤觀測，通車10個(gè)月后，路面無病害，國際平整度指數(shù)仍為0.78m/km，橫向力系數(shù)平均值為59，抗滑性能較為穩(wěn)定。

圖3 惠清新建路面抗滑表層HET-J(A)

3.2 汕梅高速公路(營運(yùn)高速公路復(fù)合路面加鋪HET)

汕梅高速公路原為水泥路面結(jié)構(gòu)，為提高服務(wù)質(zhì)量，營運(yùn)單位于2013年下半年對該水泥路面加鋪了7cmGAC-20。通車6年后，路面因反射裂縫的反復(fù)修補(bǔ)，造成路面平整度不佳，同時(shí)，局部路段存在坑槽病害。為提高路面行車舒適性，防止病害進(jìn)一步發(fā)展，2020年10月，對BK104+949～BK109+300路基段路面采用2.0cm HET-Y(A)型抗滑表層進(jìn)行了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。HET施工完成后，路面密實(shí)、均勻，基本不透水，構(gòu)造深度平均值為1.0mm，國際平整度指數(shù)IRI為1.0m/km，橫向力系數(shù)SFC值為58，噪音相比原復(fù)合路面降低噪音達(dá)8～10dB，在80km/h行車速度下感受不到胎噪，靜音效果佳。后續(xù)跟蹤檢測結(jié)果表明，在重載交通作用9個(gè)月后，HET-Y(A)無掉粒、無裂縫、無車轍、國際平整度指數(shù)IRI保持在1.0m/km左右，橫向力系數(shù)SFC維持在55～60之間。

圖4 汕梅養(yǎng)護(hù)工程通車9個(gè)月后的路面表觀

4 結(jié)語

(1)我省公路路面抗滑性能衰減過快問題越來越突出，新建公路瀝青路面采用什么樣的抗滑表層，營運(yùn)公路如何通過磨耗層加鋪解決抗滑耐久性等問題，是亟需解決的技術(shù)難題。然而，目前國內(nèi)外針對路面養(yǎng)護(hù)的各類超薄磨耗層產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)不一，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，應(yīng)用效果時(shí)好時(shí)壞，管養(yǎng)單位養(yǎng)護(hù)決策時(shí)往往難以抉擇。

(2)在結(jié)合近十年來我省瀝青路面各類抗滑表層應(yīng)用情況，路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)薄層技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，研發(fā)了HET系列高性能抗滑表層技術(shù)。HET實(shí)施厚度為1～3cm，分為骨架密實(shí)型和靜音排水型，可分別適用于新建、改擴(kuò)建和營運(yùn)公路的路基、橋梁，以及隧道等路段的路面抗滑表層。

(3)HET系列高性能抗滑表層是一種依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)定制的科學(xué)、高效、節(jié)約型鋪面新技術(shù)，由特制高性能粘結(jié)層和高性能瀝青混合料組成，具有優(yōu)良的抗高溫、抗水損、抗老化、抗疲勞開裂及抗滑耐久等路用性能。

(4)HET系列高性能抗滑表層技術(shù)自推出以來，已經(jīng)在我省惠清、花莞、云茂等新建高速公路路面、橋面鋪裝、隧道路面等多個(gè)不同工況路段，以及汕梅、廣清高速公路等多個(gè)養(yǎng)護(hù)工程薄層罩面中得到了成功應(yīng)用，經(jīng)后續(xù)跟蹤檢驗(yàn)，效果良好。