基于“白加黑”罩面的改進(jìn)型UTAC功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李智， 姚澤瑞

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

水泥路面在中國(guó)早期修建的高速公路中被大量采用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，行車舒適性更好的瀝青路面被廣泛應(yīng)用。加之早期修建的水泥路面的結(jié)構(gòu)性能和行駛功能已不同程度下降，嚴(yán)重影響道路的行車安全性與舒適性，對(duì)其實(shí)施“白加黑”技術(shù)措施勢(shì)在必行。限于橋梁凈空、中小橋承載力及養(yǎng)護(hù)成本等因素的限制，“白加黑”技術(shù)的厚度越來(lái)越薄，并希望采用2層施工方案，以獲得較好的平整度?；谡{(diào)平等考慮，下面層要厚些，表面層應(yīng)薄些，同時(shí)表層材料既要參與罩面結(jié)構(gòu)承載功能，又要求其具有優(yōu)良的抗滑性能、耐水損害性能及突出的抗反射裂縫性能等。薄層瀝青砼(UTAC)是一種性價(jià)比突出的養(yǎng)護(hù)罩面材料，具有優(yōu)良的路用性能和施工性能，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較薄的加鋪厚度。譚憶秋等針對(duì)UTAC-10進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了其低溫時(shí)的表面性能；孔令元對(duì)京珠(北京—珠海)高速公路廣珠(廣州—珠海)段AR-UTAC-10橡膠瀝青磨耗層通車多年后路面性能進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明其抗裂強(qiáng)度較優(yōu)；李振等也證明了UTAC-10在城市道路養(yǎng)護(hù)工程中的適用性；王闊利用UTAC-10對(duì)瀝青路面常見車轍病害進(jìn)行了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[14-17]對(duì)表層加鋪的超薄磨耗層進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)和分析，證明了其適用性。大多數(shù)學(xué)者只是從路用性能方面對(duì)薄層加鋪進(jìn)行研究，鮮有對(duì)UTAC薄層加鋪的抗反射裂縫性能進(jìn)行研究。該文針對(duì)“白加黑”路面的技術(shù)特點(diǎn)及廣東高溫多雨的氣候特征，在原有UTAC-10的基礎(chǔ)上，對(duì)集料和加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用CAVF(主骨料填充)級(jí)配設(shè)計(jì)方法，開展改進(jìn)型斷級(jí)配密實(shí)骨架型UTAC的多性能需求設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)研究。

1 薄層“白加黑”的表層技術(shù)需求

對(duì)于特定的水泥路面，瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)越厚，越有利于實(shí)現(xiàn)按功能設(shè)計(jì)各加鋪層，使其獲得理想的路用性能。但考慮到經(jīng)濟(jì)因素及舊路狀況等因素，小于10 cm的薄層加鋪技術(shù)方案被普遍應(yīng)用。針對(duì)廣東省汕汾(汕頭—汾水關(guān))高速公路“白加黑”項(xiàng)目，經(jīng)綜合論證,采用6 cm瀝青加鋪厚度設(shè)計(jì)方案。

結(jié)構(gòu)性能相對(duì)良好的普通路段采用一層6 cm AC-16罩面技術(shù)方案，但對(duì)于軟基嚴(yán)重及舊水泥路面錯(cuò)臺(tái)、斷板、換版、局部修補(bǔ)等病害相對(duì)突出的路段，還需進(jìn)一步提升罩面結(jié)構(gòu)的抗反射裂縫等綜合性能。為此，提出采用2 cm UTAC(表層)+4 cm FAC-16(富瀝青混合料)的雙層結(jié)構(gòu)罩面技術(shù)方案。首先，2層加鋪材料都具有較高的瀝青用量，其抗反射裂縫能力更好；其次相對(duì)于AC-16，F(xiàn)AC-16的級(jí)配骨架特性更突出，高溫、耐水損害等路用性能更優(yōu)良。UTAC-10以其良好的路用性能，已在廣東高等級(jí)公路“黑加黑”項(xiàng)目和隧道加鋪工程(公稱粒徑9.5 mm，最小加鋪厚度2.5 cm)中積累了10多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)于“白加黑”項(xiàng)目和2 cm的罩面結(jié)構(gòu)尚需進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，特別是迫切需要提升瀝青(膠漿)性能和優(yōu)化瀝青用量，改進(jìn)粗骨料規(guī)格與加工質(zhì)量，完善級(jí)配設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而更好地平衡其高溫性能和抗滑性能與耐水損壞性能和抗反射裂縫能力之間的矛盾。

2 改進(jìn)型UTAC設(shè)計(jì)

2.1 原材料

基于該項(xiàng)目的重載交通情況及所在地區(qū)高溫多雨的氣候特點(diǎn)，在以往常用PG76改性瀝青的基礎(chǔ)上提升瀝青性能等級(jí)，采用PG82 SBS改性瀝青。

集料選擇廣東省優(yōu)質(zhì)抗滑輝綠巖石料。為獲得良好的粗集料顆粒形態(tài)并實(shí)現(xiàn)2 cm薄層加鋪厚度(厚度應(yīng)大于等于2.5倍公稱粒徑)，在常規(guī)鄂破+錐破+反擊破(或整形)三級(jí)破碎工藝的基礎(chǔ)上，選擇專門的規(guī)格毛料(10～15 mm)進(jìn)一步實(shí)施反擊破碎，加工成顆粒方正的5～8 mm規(guī)格料。同時(shí)為控制顆粒形態(tài)加工質(zhì)量，在現(xiàn)有針片狀(長(zhǎng)細(xì)比3∶1)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出2∶1針片狀評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究表明，針片狀顆粒含量超過(guò)15%時(shí)，瀝青混合料的空隙率增大，水穩(wěn)定性和抗疲勞性能降低；針片狀顆粒含量超過(guò)20%時(shí)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低；針片狀顆粒含量為30%～40%時(shí)，混合料性能不滿足工程設(shè)計(jì)和規(guī)范要求?；诖?，提出5～8 mm規(guī)格料3∶1針片狀≤12%、2∶1針片狀≤15%的要求。粗集料性能檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 粗集料針片狀指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

UTAC-10主要基于規(guī)范的級(jí)配設(shè)計(jì)思路與部分成功經(jīng)驗(yàn)完成級(jí)配設(shè)計(jì)，對(duì)于2 cm UTAC，其加鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓應(yīng)力、剪應(yīng)力更突出，其材料的路用性能設(shè)計(jì)特別是級(jí)配設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。為此，引用CAVF法進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)。

CAVF法的設(shè)計(jì)思路是實(shí)測(cè)主骨架礦料空隙率，計(jì)算其空隙體積，使細(xì)集料體積、瀝青體積和混合料設(shè)計(jì)空隙體積的總和等于主骨架的空隙體積，從而確定細(xì)集料、瀝青用量。為避免細(xì)集料對(duì)主骨料的干涉，采用間斷級(jí)配，獲得優(yōu)良的抗滑性能，特別是豐富的抗滑構(gòu)造和優(yōu)良的路表構(gòu)造連通性。

先按式(1)確定粗骨料空隙率VCADRC，試驗(yàn)結(jié)果為36.8%。

(1)

式中：dsc為粗骨料緊裝密度；dtc為粗骨料表觀密度。

再預(yù)先確定3個(gè)變量(瀝青用量、礦粉用量的質(zhì)量百分率及空隙率)的設(shè)計(jì)初值，通過(guò)式(2)、式(3)計(jì)算得到其余2個(gè)變量(粗、細(xì)集料的質(zhì)量百分率)?；谔岣卟牧峡狗瓷淞芽p能力的需要，初選瀝青油石比為6%。為穩(wěn)定瀝青，確定粉膠比為1.33，進(jìn)而確定礦粉比約為8%。基于更大抗滑構(gòu)造的考慮，空隙率初選5%。計(jì)算得到粗集料用量為77.2%、細(xì)集料用量為14.6%、礦粉用量為8.2%，最終確定瀝青用量(油石比)為5.8%、空隙率為4.9%。

qc+qf+qp=100

(2)

(3)

式中：qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉及瀝青的質(zhì)量百分率；Vvs為瀝青混合料設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率；dtf、dtp分別為細(xì)料、礦粉的表觀密度；da為瀝青的密度。

根據(jù)粗、細(xì)集料的百分含量與粗、細(xì)集料的組成，計(jì)算得到改進(jìn)型UTAC的級(jí)配(見表2)。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果(見表3)顯示體積指標(biāo)理想，其中VCAmin=33.1%

表2 改進(jìn)型UTAC的級(jí)配組成

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.3 性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)型UTAC的路用性能，結(jié)合“白加黑”工程技術(shù)要求及廣東地區(qū)高溫多雨的氣候條件，進(jìn)行高溫車轍、浸水馬歇爾與凍融劈裂、抗滑和沖擊韌性等試驗(yàn)，并與UTAC-10和AC-16(瀝青品質(zhì)相同)進(jìn)行比較。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)改進(jìn)型UTAC的高溫穩(wěn)定性，為突出高溫和重載交通需要，采用70 ℃試驗(yàn)條件，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：改進(jìn)型UTAC的動(dòng)穩(wěn)定度為6 375 次/mm，與UTAC-10及AC-16相比提高明顯，具有較好的高溫穩(wěn)定性。

切面圖像的細(xì)觀結(jié)構(gòu)顯示：改進(jìn)后級(jí)配中粗集料較多，呈現(xiàn)單一粒徑均勻分布效果，骨架結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和嵌擠狀態(tài)更理想。

2.3.2 抗水損害能力

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)改進(jìn)型UTAC的抗水損害性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖2～3。

圖2 混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖3 混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖2～3可知：改進(jìn)型UTAC混合料浸水48 h后的殘留穩(wěn)定度為92.9%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比為91.6%，與UTAC-10和AC-16相比提升明顯，其抗水害能力得到改善。

2.3.3 抗滑性能

采用車轍板試件開展構(gòu)造深度和標(biāo)準(zhǔn)擺式儀法試驗(yàn)評(píng)價(jià)改進(jìn)型UTAC的抗滑性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖4～5。

圖4 混合料構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 混合料擺值試驗(yàn)結(jié)果

由圖4～5可知：改進(jìn)型UTAC混合料的構(gòu)造深度為1.02 mm，擺值摩擦系數(shù)為63 BPN，與UTAC-10和AC-16相比提高明顯，表明其抗滑性能理想。

2.3.4 抗反射裂縫性能

瀝青混合料作為典型的黏彈性材料，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)微元體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加載與卸載的過(guò)程中呈現(xiàn)不同的路徑，形成閉合的環(huán)狀曲線(見圖6)，稱之為滯后環(huán)線，該曲線的面積代表材料在一次加載、卸載過(guò)程中總的能量積累。另一方面，車輪荷載快速滾動(dòng)作用于路面，在瀝青加鋪層裂縫位置表現(xiàn)為明顯的沖擊荷載。測(cè)出瀝青混合料試件在沖擊荷載作用下斷裂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，即可利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積(能量)評(píng)價(jià)材料的抗斷裂能力。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，在沖擊荷載作用下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的陰影面積稱為沖擊韌性(見圖7)，其值越大，材料抵抗反射裂縫的能力越強(qiáng)。

圖6 瀝青混合料滯后環(huán)線

圖7 瀝青混合料沖擊韌性曲線

為評(píng)價(jià)改進(jìn)型UTAC抵抗反射裂縫的能力，進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，選擇AC-16進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)振動(dòng)成型試驗(yàn)制作加厚的車轍板試件，采用雙面鋸切割為250 mm×30 mm×35 mm小梁，恒溫至試驗(yàn)溫度，再進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，獲得荷載-跨中撓度曲線，計(jì)算沖擊韌性。每種級(jí)配制作3根小梁(見圖8)，用游標(biāo)卡尺量取試件跨中及兩支點(diǎn)斷面的尺寸，兩支點(diǎn)斷面尺寸之差均小于2 mm，滿足規(guī)范要求。

圖8 小梁試件

采用MTS810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，圖9為部分荷載-跨中撓度曲線。通過(guò)Origin軟件對(duì)荷載-跨中撓度曲線進(jìn)行積分，從零加載開始到小梁開裂破壞荷載出現(xiàn)為止，曲線與X軸圍成的面積即為小梁的沖擊韌性值(見表4)。

圖9 荷載-跨中撓度曲線

由表4可知：由于級(jí)配最大公稱粒徑不同，AC-16的破壞荷載與改進(jìn)型UTAC相比具有優(yōu)勢(shì)；在沖擊韌性方面，改進(jìn)型UTAC、AC-16小梁的沖擊韌性平均值分別為1 529、1 112 N·mm，改進(jìn)型UTAC的沖擊韌性提高37.5%，優(yōu)于AC-16。

表4 混合料沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用

2019年底，依托廣東省汕汾高速公路水泥路面養(yǎng)護(hù)罩面專項(xiàng)工程，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及換板率相對(duì)偏大的路段(BK2508+852—BK2504+640)，設(shè)計(jì)采用4 cm FAC-16+2 cm 改進(jìn)型UTAC(表層)的結(jié)構(gòu)組合方案，鋪筑4.212 km試驗(yàn)路。工后對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行質(zhì)量跟蹤檢測(cè)，路面行車舒適性明顯改善，通車近1年后，未見坑槽、車轍病害，路表黑亮，瀝青膜未見明顯脫落(見圖10)，抗滑性能檢測(cè)結(jié)果(見表5)理想。

圖10 改進(jìn)型UTAC的施工效果

表5 改進(jìn)型UTAC的工后檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)6 cm薄層“白加黑”項(xiàng)目的2 cm表層功能需要和廣東高溫多雨氣候特點(diǎn)，對(duì)原材料加工和混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行改進(jìn)，開展UTAC技術(shù)相關(guān)研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：

(1) 從原材料加工入手，改進(jìn)粗骨料加工工藝，確定采用10～15 mm檔料作為加工5～8 mm規(guī)格料的毛料及三級(jí)破碎工藝+改進(jìn)反擊破碎的破碎工藝，提高主骨料顆粒形態(tài)指標(biāo)3∶1針片狀的標(biāo)準(zhǔn)為≤12%，并增設(shè)要求更高的指標(biāo)2∶1針片狀≤15%的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步減少針片狀顆粒含量，提高主骨料顆粒強(qiáng)度。

(2) 基于原有UTAC級(jí)配情況，采用斷級(jí)配理念和CAVF級(jí)配設(shè)計(jì)方法優(yōu)化UTAC級(jí)配，間斷3～5 mm規(guī)格料(冷料比例為零)，可獲得理想的體積特性。

(3) 采用高性能PG82 SBS改性瀝青，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)型UTAC混合料的高溫性能、抗水損壞性能、抗滑性能、抗反射裂縫性能均比UTAC-10及AC-16有明顯改善。

(4) 對(duì)UTAC級(jí)配的改進(jìn)適用于“白加黑”路面的表層加鋪，且為適應(yīng)廣東氣候提高瀝青品質(zhì)與含量，能滿足薄層“白加黑”表層罩面技術(shù)需要，其材料加工工藝及設(shè)計(jì)方法可供同類項(xiàng)目借鑒。改進(jìn)方式適用于薄層加鋪，但由于改進(jìn)型UTAC具有較強(qiáng)的針對(duì)性，其他環(huán)境條件下瀝青面層是否可采用該改進(jìn)型UTAC作為薄層“白加黑”表層罩面技術(shù)養(yǎng)護(hù)路面需進(jìn)一步研究。