道路高性能瀝青超薄磨耗層技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

虞將苗，楊倪坤，于華洋

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州，510640；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

超薄磨耗層是一種由瀝青混合料與改性乳化瀝青粘層結(jié)合的瀝青路面表面層技術(shù)，能夠高效可靠地解決中輕度裂縫、路面松散、抗滑失效等病害[1-2]。該技術(shù)可以在達(dá)到路面相同使用性能的前提下，將厚度降至傳統(tǒng)瀝青罩面厚度的1/3～1/2(≤25 mm)，大幅降低路面養(yǎng)護工程成本，基于路面資產(chǎn)凈值全壽命周期經(jīng)濟效益分析可節(jié)約造價與維護成本30%～40%，具有顯著的社會經(jīng)濟效益[3-4]。目前國內(nèi)外常用的超薄罩面有5 種，即SMA-10，ECA-10，NovaChip，HVE 超黏磨耗層和GT-8高韌超薄瀝青磨耗層[5]。

超薄磨耗層的設(shè)計理念側(cè)重于恢復(fù)路表功能性而不強求提升路面結(jié)構(gòu)承載能力，但通過增強路面平整度，設(shè)置防水黏結(jié)層降低道路內(nèi)部水損害的可能性，可以在很大程度上延緩原路面結(jié)構(gòu)強度的衰減，延長路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，這與1999年美國AASHTO 道路常委會對路面預(yù)防性養(yǎng)護的定義“在路面狀況良好且不提高路面結(jié)構(gòu)能力的情況下，采取系統(tǒng)性的費用-效益養(yǎng)護策略，延遲大中修周期的到來”保持高度一致[6]。因此，超薄磨耗層的定位從矯正型養(yǎng)護逐漸過渡至矯正型養(yǎng)護與預(yù)防性養(yǎng)護并重。

路面預(yù)防性養(yǎng)護措施繁多，常見有封縫、超薄罩面、碎石封層、霧封層、稀漿封層和開普封層等[1]。AASHTO 咨詢委員會于2006年對美國和加拿大的調(diào)查顯示，預(yù)防性養(yǎng)護措施中封縫、超薄罩面和碎石封層的使用頻率最高。事實上，封縫措施僅僅能對抗局部細(xì)微路面開裂癥狀，而碎石封層能整體改善路表安全性能，目前在法國及歐洲95%以上的公路均采用同步碎石封層進(jìn)行路面養(yǎng)護，但缺點是并不能提高公路服務(wù)水平[7]。針對高等級公路的預(yù)防性養(yǎng)護，超薄磨耗層作為對路表功能性能改善更高效、更耐久的瀝青混凝土技術(shù)是最有效的措施之一。

事實上，超薄磨耗層技術(shù)并不算是一項新科技。20世紀(jì)70年代法國率先提出的非常薄瀝青混凝土(bétons bitumineux trés minces,BBTM)和超薄瀝青混凝土(bétons bitumineux ultra minces,BBUM)用于舊路養(yǎng)護，隨后于80年代開發(fā)出斷級配骨架密實結(jié)構(gòu)的超薄瀝青混凝土(ultra thin asphalt concrete,UTAC) 與斷級配骨架空隙結(jié)構(gòu)的NovaChip超薄磨耗層[8-10]。同時期美國也研發(fā)出開級配抗滑磨耗層(open-graded friction course,OGFC)用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)路表處治技術(shù)，并進(jìn)一步研發(fā)出SUP-5和SMA-5等新型薄層技術(shù)[11-13]。此后，伴隨公路養(yǎng)護事業(yè)形勢的日益嚴(yán)峻，瀝青、優(yōu)質(zhì)石材等不可再生資源的日漸短缺，國外爭相展開超薄磨耗層技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，希望在保證公路服務(wù)水平的同時提高路面使用壽命、降低資源消耗，如印度尼西亞的LASTIKA 超薄磨耗層[14]、英國的VTHMAL 超薄瀝青混凝土[15]、國內(nèi)的SAC 多碎石超薄磨耗層[16]、GT-8高韌超薄磨耗層[17]等。

2019年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，全國公路總里程為501.25 萬km，公路養(yǎng)護里程為495.31 萬km，占公路總里程98.8%，可見我國公路交通行業(yè)現(xiàn)已面臨繁重的養(yǎng)護工作。從道路公共資產(chǎn)保值與滿足公民出行服務(wù)水平的角度思考，采取超薄磨耗層技術(shù)作為高等級道路的預(yù)防性養(yǎng)護措施將是公路管理和建設(shè)部門的最優(yōu)選擇，但由于各類薄層技術(shù)的應(yīng)用效果尚未得到充分的驗證，國內(nèi)也缺乏超薄磨耗層體系的行業(yè)共識，因此，聚焦于瀝青超薄磨耗層技術(shù)研究，總結(jié)現(xiàn)有薄層技術(shù)特點、未來發(fā)展方向很有必要。

1 超薄磨耗層類型

超薄磨耗層的類型多種多樣，不同技術(shù)體系的性能側(cè)重點、適用區(qū)域、實施難易程度也不同，所以籠統(tǒng)地對各項超薄磨耗層進(jìn)行優(yōu)劣排序沒有實際意義，因此，在超薄磨耗層技術(shù)選用時應(yīng)充分考慮實施地點原路面類型、交通荷載狀況、氣候分區(qū)種類、功能改善目的等因素，從級配類型、應(yīng)用場合、施工溫度可對超薄磨耗層進(jìn)行簡易分類。

1.1 按級配類型劃分

影響超薄磨耗層表面特性和路用性能的本質(zhì)是瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，而混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計又需滿足路面功能的需求。超薄磨耗層按級配類型可劃分為開級配、連續(xù)級配、間斷級配；按結(jié)構(gòu)類型可劃分為懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)、骨架密實結(jié)構(gòu)，如SMA-10屬于間斷級配骨架密實結(jié)構(gòu)[18]、NovaChip 屬于間斷級配骨架空隙結(jié)構(gòu)[19]、GT-8高韌超薄磨耗層屬于連續(xù)級配骨架密實結(jié)構(gòu)[20]。典型超薄磨耗層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型超薄磨耗層結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical ultra-thin wear layer structure

1.2 按應(yīng)用場合劃分

在眾多磨耗層技術(shù)中，傳統(tǒng)的瀝青磨耗層如AC-13 和SMA-13 等修筑結(jié)構(gòu)較厚(4～5 cm)，在恒載受限的橋梁、凈空受限的隧道、附屬設(shè)施標(biāo)高固定的路面罩面工程中存在應(yīng)用局限性，超薄磨耗層則很好地化解了這種特殊路段路面品質(zhì)提升的難題。按應(yīng)用場合可依據(jù)路面下承層大致分為舊瀝青路面、水泥路面和鋼橋面3種類型。目前絕大部分超薄磨耗層都適用于舊瀝青路面養(yǎng)護工程，但是需要針對原路面結(jié)構(gòu)性病害進(jìn)行提前處治，如失穩(wěn)型車轍、嚴(yán)重網(wǎng)裂、疲勞裂縫等。

瀝青混合料與水泥混凝土本質(zhì)上屬于2種不同力學(xué)性質(zhì)的材料，二者材料模量、溫度敏感性、剛度等方面的差異會導(dǎo)致“白改黑”路面在車輛荷載及溫度應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變不協(xié)調(diào)性[21-23]。再者，超薄磨耗層技術(shù)體系由于厚度減薄，受力特點相對傳統(tǒng)瀝青鋪裝層也有較大差異，因此，在水泥混凝土路面進(jìn)行超薄磨耗層加鋪時，應(yīng)提出更高的層間力學(xué)要求，避免因?qū)娱g抗剪和抗拉拔能力不足導(dǎo)致路面出現(xiàn)脫皮、推移等早期病害[24]。目前，NovaChip 超薄磨耗層、GT-8 高韌超薄磨耗層等技術(shù)在國內(nèi)路面“白改黑”品質(zhì)提升中均得到廣泛應(yīng)用。

鋼橋面通常具有剛度小、變形大、應(yīng)力集中嚴(yán)重等特點，傳統(tǒng)柔性鋪裝層由于材料模量低，不能有效提供鋼橋面鋪裝體系的剛度、降低鋪裝層應(yīng)變水平，易產(chǎn)生疲勞開裂等破壞，同時，鋼橋面層間黏結(jié)也是待解決的關(guān)鍵問題[25-27]。鋼橋面雙層鋪裝體系實際上各層厚度也在20～30 mm 之間，屬于超薄瀝青層的范疇。從補強增韌方面考慮橋面鋪裝層材料，目前應(yīng)用廣泛的有環(huán)氧瀝青混合料EA-10、富瀝青混凝土FAC-10 和SMA-10等，其中，EA-10作為鋼橋面鋪裝層下層通過環(huán)氧黏結(jié)層與鋼橋面連接[28]。

1.3 按施工溫度劃分

目前道路工作者普遍將超薄磨耗層限定為熱拌工藝，事實上，單從瀝青層厚度考慮來說，使用溫拌、冷拌工藝也可生產(chǎn)具有較好經(jīng)濟效益的超薄路表加鋪層。依據(jù)瀝青混合料可施工溫度分布不同劃分為熱拌超薄磨耗層、溫拌超薄磨耗層和冷拌超薄磨耗層。其中，溫拌超薄磨耗層的級配普遍參照熱拌瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計，通過摻加溫拌劑來實現(xiàn)瀝青降黏處理，將混合料拌合溫度降至120～140 ℃，以達(dá)到降低瀝青老化程度、節(jié)省能耗的效果，目前常用的溫拌劑有Sasobit、聚乙烯蠟和SMC等[29]。

冷拌超薄磨耗層主要使用乳化瀝青或液體瀝青作為膠結(jié)料，典型結(jié)構(gòu)稀漿封層技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，隨后歐美國家在稀漿封層技術(shù)上開發(fā)了微表處技術(shù)，二者的區(qū)別在于微表處技術(shù)使用了更高的技術(shù)指標(biāo)，具有高抗磨耗、抗滑性能，適用于高等級公路的預(yù)防性養(yǎng)護[30]。近年也出現(xiàn)不少微表處的技術(shù)升級版，如在膠結(jié)料材料升級的水性環(huán)氧改性疏水性乳化瀝青微表處[31]，鋪設(shè)級配升級的單一粒徑級配的高黏冷拌冷鋪薄層(highviscosity cold ultra-thin overlay,CTO)，施工工藝升級的基于同步攤鋪機一次成型的GT Tech高韌冷拌冷鋪超薄磨耗層等。

2 超薄磨耗層原材料設(shè)計

路面材料是一種由集料、填料和結(jié)合料混合均勻組成的多相、多尺度、多組分的混合料，其路用性能取決于各項原材本身的性能指標(biāo)[32]。超薄磨耗層作為直接接觸車輪荷載與光照、雨水等環(huán)境因素的關(guān)鍵部位，不僅需要滿足抗滑、耐磨等路表使用性能，還需要具有一定的結(jié)構(gòu)強度、黏結(jié)強度、抗疲勞耐久性能，因此，在原材料設(shè)計方面應(yīng)具有更高的要求[20]。

2.1 瀝青膠結(jié)料

熱拌超薄磨耗層膠結(jié)料可使用SBS改性瀝青、高黏彈改性瀝青、橡膠改性瀝青等，具體品種可根據(jù)原路面類型及狀況、交通荷載條件、當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行選用，JTG 5142—2019“公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范”[33]建議采用高黏度改性瀝青、橡膠改性瀝青、高摻量SBS改性瀝青等。

超薄磨耗層作為薄層罩面的技術(shù)升級版，實現(xiàn)同等路用性能下主要依靠瀝青膠結(jié)料的性能提升，目前實施超薄磨耗層后出現(xiàn)的路面病害多為推移、松散、剝落，可知超薄磨耗層破壞的源頭為承受車輪荷載時結(jié)構(gòu)層內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，應(yīng)盡量采用黏度較高的特種瀝青用以約束混合料的骨架變形，與瀝青路面抗永久變形能力相關(guān)性較強的60 ℃動力黏度指標(biāo)將作為超薄磨耗層的重要控制指標(biāo)。考慮夏季瀝青路面的極限溫度較高，應(yīng)采用較高軟化點和PG等級的瀝青膠結(jié)料，確保混合料的高溫穩(wěn)定性，同時要求膠結(jié)料具有可恢復(fù)變形的高彈性能抵抗高溫差帶來的縮脹效應(yīng)[34-36]，瀝青膠結(jié)料關(guān)鍵指標(biāo)及建議技術(shù)要求見表1。

表1 瀝青膠結(jié)料關(guān)鍵指標(biāo)及建議技術(shù)要求Table 1 Key indexes and suggested technical requirements of asphalt binder

2.2 乳化瀝青

作為防水黏結(jié)層的乳化瀝青是超薄磨耗層實施成敗的關(guān)鍵之一，能將薄層結(jié)構(gòu)與下承層緊密聯(lián)結(jié)成一個整體，同時具備較強流動性，滲入原路面的細(xì)微空隙，避免水分入侵下承層造成水損害。相較于傳統(tǒng)罩面，超薄磨耗層防水黏結(jié)層的設(shè)置需考慮更強抗剪切、抗拉拔能力，所以，應(yīng)重點關(guān)注其蒸發(fā)殘留物在高溫狀態(tài)的黏性，如60 ℃時的動力黏度、軟化點等，確保在車輛荷載作用下不發(fā)生脫皮和推移[37-38]。另外，黏層抵抗反射裂縫的能力具體可由乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的彈性恢復(fù)指標(biāo)表征，建議采用具有黏度高、穩(wěn)定性好的高黏度改性乳化瀝青或不黏輪改性乳化瀝青。

高性能乳化瀝青也通常用作冷拌超薄罩面的膠結(jié)料，優(yōu)選陽離子聚合物改性乳化瀝青，在充分考慮可施工性下選取破乳時間與初凝時間較短的產(chǎn)品，減少養(yǎng)護項目對公共出行帶來的影響。針對現(xiàn)有冷鋪薄層易產(chǎn)生松散、剝落、推移等病害的情況，應(yīng)重點關(guān)注乳化瀝青蒸發(fā)殘留物含量及耐高溫性[39-40]。乳化瀝青關(guān)鍵指標(biāo)及建議技術(shù)要求見表2。

表2 乳化瀝青關(guān)鍵指標(biāo)及建議技術(shù)要求Table 2 Key indexes and suggested technical requirements of emulsified asphalt

2.3 集料與填料

陳國明[41]研究發(fā)現(xiàn)瀝青對抵抗車轍貢獻(xiàn)率僅占40%，其余60%是對集料嵌擠產(chǎn)生的骨架起支撐作用。粗集料作為骨架作用的主用貢獻(xiàn)者，必須具有足夠的強度及耐磨光性能，以期得到具有更好耐久性及功能性的超薄磨耗層；同時，粗集料還需特別關(guān)注顆粒形狀及棱角性，粒形不佳的石料往往匹配較差的力學(xué)性能，很容易在薄層的使用過程中被碾壓破壞，進(jìn)而影響薄層的骨架強度。推薦選擇玄武巖或輝綠巖，也可使用優(yōu)質(zhì)花崗巖。使用花崗巖時還應(yīng)特別關(guān)注黏附性指標(biāo)，或采取必要的抗剝落措施[42-43]。

超薄磨耗層作為路面養(yǎng)護最有效的方案之一，在滿足功能要求的情況下，顯然厚度越小經(jīng)濟性越好，從混合料配合比設(shè)計、攤鋪、碾壓等角度考慮，厚度又限制了所用集料的最大公稱粒徑，這與作為路表磨耗層必須具備優(yōu)越的構(gòu)造深度與抗滑性能相悖。JTG D50—2017“公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范”[44]給出不同瀝青混合料類型的集料最大公稱粒徑對應(yīng)層厚，以最大公稱粒徑為9.5 mm為例，連續(xù)級配瀝青混合料層厚應(yīng)不小于25 mm，瀝青瑪蹄脂碎石層厚應(yīng)不小于30 mm，開級配瀝青混合料層厚應(yīng)不小于20 mm。超薄磨耗層普遍超越了這項規(guī)定，如Thus-12極薄磨耗層[45]、GT-8高韌超薄磨耗層，采用5～8 mm的特殊尺寸粗集料，其典型厚度為1.2 cm。截至2020年底，GT-8 高韌超薄磨耗層已實施面積大于1 000萬m2，其中2016年于上海延安路實施10～12 mm 的GT-8 高韌薄層面積近20 萬m2，至今仍保持優(yōu)異的路表功能性能[20]，實施效果如圖2所示。因此，為保證超薄磨耗層同時兼具良好的經(jīng)濟性與抗滑性能，建議超薄磨耗層的結(jié)構(gòu)厚度不宜小于集料公稱粒徑的1.5倍。

圖2 上海延安路加鋪1.0～1.2 cm GT-8高韌薄層Fig.2 Application of 1.0-1.2 cm GT-8 high-toughness thin layer on Yan'an Road,Shanghai

細(xì)集料在混合料中主要起到填充的作用，在條件允許的情況下細(xì)集料的巖性應(yīng)與粗集料的巖性一致，同時保持潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)且具備合適級配。填料的主要作用為加強集料間的黏結(jié)力并填充剩余空隙。礦粉因其比表面積大，具有較強的瀝青吸附能力，故應(yīng)用廣泛，建議采用石灰?guī)r或強基性巖漿巖等石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉。針對冷拌冷鋪超薄磨耗層也可采用水泥作為填料，用以調(diào)試稀漿混合料的施工和易性、增強路面早期強度。

2.4 添加劑

超薄罩面技術(shù)體系所用添加劑多種多樣，主要是提升瀝青膠結(jié)料粘韌性、降低瀝青混合料可施工溫度、增強乳化瀝青黏彈性、改善瀝青混合料穩(wěn)定性等4個方面，分別對應(yīng)瀝青改性劑、降黏劑、乳化劑、纖維等。如選用高摻量SBS、橡膠顆粒對瀝青進(jìn)行改性以增強膠結(jié)料的黏彈性，加強路面的高溫穩(wěn)定性以及降低行車噪聲[46]；選用Sasobit、聚乙烯蠟、SMC 等降黏劑降低瀝青在低溫時的黏度，降低路面施工過程的能源消耗[47]；選用合適的改性劑、乳化劑與瀝青一同進(jìn)行增壓、剪切、研磨制備高性能乳化瀝青，可將施工溫度進(jìn)一步降至常溫，大量減少施工過程中的碳排放；采用碳纖維、玻璃纖維內(nèi)摻至瀝青中，可增強膠結(jié)料的低溫抗裂性能與穩(wěn)定度[48-49]；采用玄武巖纖維、木質(zhì)纖維外加至瀝青混合料中，可顯著提升混合料抗永久變性能力與水穩(wěn)定性[50]。

3 超薄磨耗層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

超薄磨耗層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是圍繞功能需求進(jìn)行級配選型。OGFC-10 采用開級配、大孔隙的瀝青混合料進(jìn)行鋪筑，其設(shè)計孔隙率大于18%，路表具備迅速排水、抗滑、抗車轍及降噪等優(yōu)異性能，但是其耐久性較差，體現(xiàn)在集料間接觸面積較低導(dǎo)致抗飛散性能不強，灰塵堵塞空隙導(dǎo)致排水失效；SAC 多碎石超薄磨耗層的級配介于骨架嵌擠與骨架懸浮的級配之間，粒徑在4.75 mm 以上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%，其級配類型介于OGFC 與SMA 之間，相比完全斷級配OGFC的高溫抗永久形變能力更強[51-52]。

傳統(tǒng)連續(xù)型懸浮密實級配的AC系列罩面的構(gòu)造深度已經(jīng)不能滿足超薄磨耗層的要求，所以，通常建議超薄磨耗層技術(shù)采用間斷級配進(jìn)行設(shè)計。但是，近年來國內(nèi)道路工作者開發(fā)出采用新型級配設(shè)計方法的連續(xù)級配超薄磨耗層技術(shù)，同樣具有優(yōu)異的路面功能改善作用，因此，國內(nèi)部分省市地方規(guī)范將超薄磨耗層級配定義為間斷級配的理念或有待更新，如四川地標(biāo)DB51/T 2426—2017“公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范”[53]、浙江地標(biāo)DB33/T 2113—2018“公路瀝青路面超薄磨耗層施工技術(shù)規(guī)范”[54]、河南地標(biāo)DB41/T 894—2014“高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范”[55]等。

由于OGFC-10 耐久性較差、早期建設(shè)路面排水失效嚴(yán)重，SAC多碎石超薄磨耗層設(shè)計難度高、性能不穩(wěn)定等因素，我國已經(jīng)較少采用這2種技術(shù)進(jìn)行超薄罩面鋪筑。以下針對我國目前常用超薄罩面技術(shù)GT-8，SMA-10和NovaChip進(jìn)行簡介。

3.1 SMA-10超薄磨耗層技術(shù)

超薄罩面SMA-10 是由普通SMA 發(fā)展而來，采用間斷級配設(shè)計，具有高粗集料含量、高礦粉含量、高瀝青含量等特點，通過礦粉與外摻劑纖維進(jìn)行穩(wěn)定瀝青，形成豐富的瀝青瑪蹄脂填充粗集料骨架的空隙，構(gòu)成骨架密實型結(jié)構(gòu)。SMA-10超薄磨耗層推薦級配范圍如表3所示，其中粗集料占比約為70%、礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%、油石比(即瀝青與礦料的質(zhì)量比)≥6.0%，這使得SMA-10與傳統(tǒng)的連續(xù)密實型級配的細(xì)粒瀝青混凝土相比，具有更大的構(gòu)造深度、更好的密實性、更高的耐久性。

表3 SMA-10超薄磨耗層推薦級配范圍Table 3 Recommended grading range of SMA-10 ultra-thin wear layer

3.2 NovaChip超薄磨耗層技術(shù)

NovaChip 超薄磨耗層系統(tǒng)是一種通過專用攤鋪設(shè)備NovaPaver 將NovaBond 乳化瀝青防水黏結(jié)層和NovaBinder 斷級配骨架空隙結(jié)構(gòu)混合料同步成型的高效快速養(yǎng)護方案。該技術(shù)采用間斷級配，依賴粗集料表面膠漿形成點對點黏結(jié)提供力學(xué)性能。與SMA相比較，NovaChip級配重粗集料與細(xì)集料含量均較少，是一種半開級配的骨架空隙型結(jié)構(gòu)，具有抗滑、抗磨耗、防水霧、降噪聲的特點。NovaChip 超薄磨耗層推薦級配范圍如表4所示。NovaChip 超薄磨耗層3 種不同型號級配Type A，Type B 和Type C 僅針對4.750 mm 以上粒徑要求進(jìn)行微調(diào)，通過控制最大公稱粒徑來調(diào)整磨耗層典型實施厚度為15，18和20 mm等。

表4 NovaChip超薄磨耗層推薦級配范圍Table 4 Recommended grading range of NovaChip ultra-thin wear layer

3.3 GT-8高韌超薄磨耗層技術(shù)

高韌超薄瀝青磨耗層(GT-8)技術(shù)是一種采用同步攤鋪施工工藝，實施厚度為0.8～2.0 cm的路面鋪裝層。以特種設(shè)計的GT TECH 高黏高彈改性瀝青(PG100型)和SBS高黏改性乳化瀝青(PG82型)作為熱拌瀝青混合料和黏結(jié)層的材料。

GT-8采用主骨料空隙填充理論進(jìn)行級配設(shè)計，通過調(diào)整2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率來增加粗集料用量，利用石料嵌擠形成的穩(wěn)定骨架抵抗行車荷載和瀝青膠漿對礦料空隙的充分填充以形成密實結(jié)構(gòu)，是具有骨架密實結(jié)構(gòu)的連續(xù)型級配設(shè)計。GT-8 高韌超薄磨耗層推薦級配范圍[20]如表5所示。與SMA-10相比，GT-8粗集料、礦粉含量均相對較少且不含纖維，但具有更高的油石比(≥7.2%)，該設(shè)計成功的關(guān)鍵在于采用了高PG 等級特種改性瀝青，瀝青的高模量屬性保證了混合料的高溫穩(wěn)定性。同時，這種以高瀝青用量代替部分細(xì)集料的理念，使成型后的磨耗層具有良好的抗裂、密水、抗滑、降噪性能[56-57]。

表5 GT-8高韌超薄磨耗層推薦級配范圍[20]Table 5 Recommended grading range of GT-8 high toughness and ultra-thin wear layer[20]

4 超薄磨耗層路面實施工藝

超薄磨耗層因為厚度較薄，其鋪筑工藝在保有常規(guī)路面作業(yè)流程同時提出了更高的要求，包含原路面處治、混合料拌和與運輸、攤鋪形式、超薄罩面碾壓等4個方面。

4.1 原路面處治

1)承載能力測試。因為超薄磨耗層不作為結(jié)構(gòu)補強層，所以，要求原路面具有一定的結(jié)構(gòu)強度，水泥路面還需測試接縫傳荷能力，確保下承層具備足夠的承載力。

2)病害修復(fù)與處治。為避免后期病害反射至路表，應(yīng)對提前進(jìn)行處理和修復(fù)。水泥路面應(yīng)對裂縫、接縫進(jìn)行灌縫處理；破碎板、崩角、坑洞應(yīng)用環(huán)氧砂漿或早強水泥進(jìn)行修補，情況嚴(yán)重的應(yīng)進(jìn)行換板；錯臺、脫空視應(yīng)進(jìn)行注漿以保證路基穩(wěn)定。

3)精銑刨。為保證超薄磨耗層與下承層更好黏結(jié)，在對原路面病害修復(fù)后應(yīng)采用銑刨機進(jìn)行精銑刨處理，增大原路面粗糙程度，而后進(jìn)行清潔沖洗，確保路面潔凈無油污。

4.2 混合料拌和與運輸

超薄磨耗層技術(shù)體系普遍使用高黏改性瀝青或其他特種瀝青作為膠結(jié)料，其相較普通瀝青混合料而言具有較高的溫度要求，因此，須針對所用瀝青測定黏溫曲線，結(jié)合工程實際經(jīng)驗確定合適的原材料加熱溫度、成品料溫度范圍等，同時分析瀝青黏度對溫度的敏感性，確定混合料運輸?shù)谋卮胧?。通常高黏改性瀝青與普通瀝青相比可施工溫度范圍更小，因此，建議采用具有雙層篷布覆蓋的運料車進(jìn)行運輸，如有必要應(yīng)覆蓋棉被進(jìn)行保溫。

4.3 攤鋪形式

超薄磨耗層廣泛采用同步攤鋪工藝，實現(xiàn)粘層油撒布和混合料鋪筑的同步實施，施工速度可提升至10～16 m/min，在提升施工效率的同時，大大降低了黏層體系被污染的可能性，確保超薄磨耗層與下承層緊密聯(lián)結(jié)為一個整體。

因機械設(shè)備條件限制而采用分步攤鋪工藝時，可選不黏輪乳化瀝青進(jìn)行黏層撒布，撒布后應(yīng)封閉交通并盡快加鋪混合料避免黏層體系被污染，確保超薄磨耗層的可靠性。所選不黏輪乳化改性瀝青應(yīng)具備較強的抗施工損傷性能，減少施工機械對黏層的破壞，如果產(chǎn)生破壞應(yīng)及時進(jìn)行補撒。

4.4 超薄罩面碾壓

超薄罩面由于層厚較小，碾壓時不宜采用振動壓路機、膠輪壓路機等，避免路面形成碾壓車轍，相關(guān)研究表明，2 cm 左右的超薄磨耗層所需壓實功遠(yuǎn)比常規(guī)瀝青混合料的低，建議采用13 t雙鋼輪壓路機靜壓1～2 遍和收光整平即可[56]。同時，超薄罩面還具有施工作業(yè)快、層面溫度下降快等特點，所以，碾壓時應(yīng)遵循緊跟慢壓的原則，保證在合適的碾壓溫度下完成對應(yīng)碾壓工序，相關(guān)研究者通過探地雷達(dá)技實時測算了超薄磨耗層的壓實度及密度[58]。

5 超薄磨耗層性能評價指標(biāo)

5.1 超薄磨耗層的力學(xué)性能

超薄磨耗層作為厚度較小且直接承受車輪荷載的路表功能改善層，應(yīng)在具有良好路面使用性能的同時兼具較高的結(jié)構(gòu)強度。由于我國超薄磨耗層推行較晚，目前沒有針對超薄磨耗層的行業(yè)強制性規(guī)范，但是部分省市于近年開始推行相關(guān)的地方規(guī)范，如浙江地標(biāo)DB33/T 2113—2018“公路瀝青路面超薄磨耗層施工技術(shù)規(guī)范”[54]、北京地標(biāo)DB11/T 1590—2018“道路超薄罩面施工技術(shù)規(guī)范”[59]、陜西地標(biāo)DB 61/T 1285—2019“瀝青路面超薄磨耗層施工技術(shù)規(guī)范”[60]等，如表6所示。

從表6可知：對應(yīng)級配類型的超薄磨耗層混合料基本性能指標(biāo)普遍比普通瀝青混合料的高，這體現(xiàn)了超薄磨耗層高要求的特點。但是由于超薄磨耗層的厚度與馬歇爾試件的厚度相差太大，采用傳統(tǒng)試驗方法顯然無法模擬超薄磨耗層的實際力學(xué)行為，如采用5 cm 車轍板進(jìn)行動穩(wěn)定度試驗并無意義，穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂試驗所得超薄磨耗層力學(xué)特征也與超薄磨耗層受車輪荷載時的力學(xué)特征不符[61]。

表6 部分超薄磨耗層技術(shù)指標(biāo)Table 6 Part of technical indicators of ultra-thin wear layer

事實上，為證明超薄磨耗層的可靠程度，還應(yīng)增加拉拔強度、抗剪強度等指標(biāo)對其層間黏結(jié)性能進(jìn)行評價。陳富達(dá)[20]在未處置界面、拋丸界面、銑刨界面這3 種水泥路面形式下對GT-8 的層間黏結(jié)性能展開測試，試驗表明在銑刨界面下層間黏結(jié)性能最佳，拉拔強度和抗剪強度分別達(dá)到0.85 MPa和0.80 MPa；彭良清[38]在瀝青中面層上分別測試了不同乳化瀝青類型及含量下NovaChip(Type C)、AC-13C 和OGFC-13 的層間抗剪強度，證明NovaChip(Type C)在最佳乳化瀝青用量為1 L/m2時抗剪強度為0.52 MPa，黏結(jié)效果優(yōu)于AC-13C和OGFC-13。

5.2 超薄磨耗層的功能性能

超薄磨耗層的功能性能主要表現(xiàn)在排/密水性、抗滑性能強、噪聲低。路表排/密水性能主要由混合料級配類型決定；抗滑性能由路面微觀構(gòu)造與宏觀構(gòu)造組合構(gòu)成，其中微觀構(gòu)造主要為石料表面棱角及孔隙組成，通常定義為石料表面水平向0～0.5 mm、垂直向0～0.2 mm 的微小構(gòu)造，其在雨天行車可以刺穿水膜增加與輪胎的接觸點位，宏觀構(gòu)造即通常所說的構(gòu)造深度(TD)，用以表征路表粗糙程度，其主要影響高速行駛下的抗滑性能；路面噪聲主要有空氣泵吸效應(yīng)、輪胎振動、空氣動力性噪聲3類，其中空氣泵吸效應(yīng)由輪胎花紋與路面形成的空腔中的氣體被周期性的擠壓以及填充而產(chǎn)生，輪胎振動由輪胎行駛過程中與路面凸起產(chǎn)生的振動產(chǎn)生，空氣動力性噪聲為高速行駛下輪胎與路表之間產(chǎn)生渦流引起的氣壓變動產(chǎn)生。不同種類的超薄磨耗層設(shè)計功能及所用原理也有所差異。國內(nèi)外學(xué)者對各類型超薄磨耗層的抗滑耐久性能及降噪性能進(jìn)行了深入研究[62-64]。

NovaChip 采用開級配骨架空隙型使得超薄磨耗層具備迅速排水的功能，降低雨天水霧，且路表由粗骨料形成較多宏觀構(gòu)造，具備較強的抗滑性能，同時路面結(jié)構(gòu)連通空隙較多，利于降低交通噪音。高越山[65]通過研究得到空隙率與構(gòu)造深度與降噪性能有較好的相關(guān)性，并測定NovaChip 和AC-13C的吸聲系數(shù)，計算出同等條件下NovaChip與AC-13C相比降噪3.5 dB。

SMA-10采用斷級配骨架密實型結(jié)構(gòu)可以起到較好的封水效果，降低下承層水損害的可能性，同時，由于瀝青含量較高，可以起到降低行駛車輪與路表撞擊產(chǎn)生的振幅的作用，進(jìn)而降低行車噪聲。楊斌[66]通過綜合路用性能及降噪效果得出橡膠瀝青SMA 混合料最佳配合比設(shè)計，相對SBS 改性瀝青SMA混合料降噪4.5 dB。

GT-8 為連續(xù)級配骨架密實型結(jié)構(gòu)，采用高含量的高黏高彈瀝青設(shè)計使得瀝青混合料具備高彈性與阻尼特性，起到耗散輪胎沖擊震振動的效果，同時，其骨架結(jié)構(gòu)由公稱最大粒徑更小的集料組成，形成更豐富的表面紋理強化了路表抗滑效果。相關(guān)研究表明，在水泥橋面加鋪GT-8 超薄磨耗層后實測構(gòu)造深度為0.98 mm、降噪達(dá)5.8 dB[56]。陳富達(dá)[20]通過室內(nèi)搓揉衰減試驗、高精度激光掃描、壓力膠片測試對GT-8，SMA-13 和GAC-16 展開研究，試驗表明GT-8 超薄磨耗層的整體紋理粗糙度篩減幅度最小，具備更好抗滑性能及更小的抗滑性能衰減率。

6 總結(jié)與展望

目前，超薄磨耗層技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國的高等級道路養(yǎng)護，其中NovaChip 是現(xiàn)階段超薄磨耗層的主流，主要因為其推廣年限長、經(jīng)濟效益明確，GT-8 超薄磨耗層作為新興技術(shù)雖具備更好的路用性能，但推廣年限短、耐久性能尚未完全體現(xiàn)，還有待更多長期路用性能跟蹤驗證。

超薄磨耗層在提升公路服務(wù)水平的同時，節(jié)省了大量不可再生資源，具有良好的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益，但仍存在部分技術(shù)缺陷亟待解決：結(jié)構(gòu)厚度減薄對結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力分布的影響、路表承載能力的影響、病害產(chǎn)生的影響尚不明確；現(xiàn)階段超薄磨耗層由于最大公稱粒徑較小，普遍存在功能性能衰減過快的情況等。另一方面，超薄磨耗層技術(shù)種類繁多，缺失相應(yīng)技術(shù)指導(dǎo)規(guī)范，且其所針對應(yīng)用區(qū)域、功能特點、服役年限、造價也均有所不同，致使道路管養(yǎng)單位在方案選取時很難抉擇。基于此，本文建議從以下幾個角度對超薄磨耗層技術(shù)展開進(jìn)一步研究：

1)結(jié)構(gòu)層厚度的減少對瀝青面層內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)(拉壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、剪切應(yīng)力)分布的影響，分析疲勞開裂、推移、脫皮等常見病害的產(chǎn)生機理；2)超薄磨耗層直接應(yīng)用于新建高等級道路上面層的可行性；3)基于最大公稱粒徑、厚度等變量的路表抗滑性能衰減曲線；4)膠結(jié)材料性能的提升優(yōu)化，黏層體系的可靠度評價；5)在保證超薄罩面路用性能的同時，逐漸降低施工溫度，從熱拌到溫拌再到冷拌，進(jìn)一步提升環(huán)境效益。