新型高黏瀝青超薄磨耗層的性能及應(yīng)用研究

藍(lán)日彥，王紅偉，李運(yùn)高，張嘉豪

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

國(guó)外首先在20世紀(jì)60年代提出了超薄瀝青混凝土的概念，英法等國(guó)都研發(fā)出了各自的超薄面層，并鋪筑試驗(yàn)路[1-2]。美國(guó)的瀝青磨耗層研究則始于20世紀(jì)70年代，美國(guó)首先開(kāi)發(fā)出了大孔隙的OGFC瀝青磨耗層，而后科氏公司提出并完善了Novachip技術(shù)，并在美國(guó)高速公路中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。超薄瀝青磨耗層在我國(guó)的應(yīng)用相對(duì)較晚，在20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)一些省份首次嘗試采用了該項(xiàng)技術(shù)[3]。但是由于沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，配合比設(shè)計(jì)時(shí)級(jí)配只能按照現(xiàn)有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果因級(jí)配空隙率過(guò)大導(dǎo)致混合料穩(wěn)定性不夠好，在實(shí)際道路中的使用效果并不理想。

總體來(lái)說(shuō)，超薄瀝青磨耗層在我國(guó)的研究和應(yīng)用并不成熟，在膠結(jié)料、級(jí)配、配合比設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用方面都較多依賴國(guó)外技術(shù)。因此，為了進(jìn)一步完善我國(guó)在超薄瀝青磨耗層方向的研究，本文提出一種以新開(kāi)發(fā)的高黏復(fù)合改性瀝青為膠結(jié)料、以STC新級(jí)配類(lèi)型組成的超薄磨耗層為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)這種新型超薄磨耗層的配合比設(shè)計(jì)和室內(nèi)性能進(jìn)行研究，提出其使用技術(shù)要求。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和鋪筑試驗(yàn)路綜合評(píng)價(jià)其使用性能，為這種新型超薄瀝青磨耗層的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)級(jí)配

1.1 原材料

超薄瀝青磨耗層所使用的瀝青應(yīng)該具有良好的黏性、粘附性以及高低溫性能，因此超薄瀝青磨耗層選取新型的高黏復(fù)合改性瀝青作為膠結(jié)料，該瀝青是由高黏改性劑與廢舊膠粉復(fù)合改性制備得到，此次選取最佳改性劑用量為5%高黏劑+15%廢舊膠粉。高黏改性瀝青的基礎(chǔ)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 高黏改性瀝青性能指標(biāo)表

超薄瀝青磨耗層作為表層，直接承受交通荷載，集料首要滿足的是其耐磨性能[4]。因此在選擇集料時(shí)首選磨耗損失小、質(zhì)地堅(jiān)硬、粗糙、有棱角的優(yōu)質(zhì)集料。為了使得到的超薄瀝青磨耗層配合比設(shè)計(jì)應(yīng)用更廣泛，選用國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的玄武巖、花崗巖和石灰?guī)r作為研究對(duì)象。

1.2 磨耗層級(jí)配

根據(jù)超薄瀝青磨耗層的需求和特點(diǎn)，推薦采用間斷級(jí)配，其中粗集料所占比例在60%～70%區(qū)間較為合理，同時(shí)礦粉的比例不宜過(guò)多以免造成空隙率較小。通過(guò)比較和調(diào)配最終確定兩種常用合適的級(jí)配類(lèi)型：STC-10和STC-13。兩種級(jí)配的范圍如表2所示。

表2 超薄瀝青磨耗層瀝青混合料級(jí)配范圍表

2 配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的確定

高黏改性瀝青超薄磨耗層是一種新型的磨耗層，為了將其在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，其配合比設(shè)計(jì)研究便十分必要。SUPERPAVE配合比設(shè)計(jì)方法中體積指標(biāo)對(duì)整個(gè)配合比設(shè)計(jì)的合理性有著十分重要的影響，而STC級(jí)配的結(jié)構(gòu)特性決定了其體積指標(biāo)若以傳統(tǒng)方式測(cè)定必然會(huì)導(dǎo)致誤差存在，因此研究首先對(duì)STC超薄瀝青磨耗層體積指標(biāo)的確定方法進(jìn)行研究，以期提出更加適合STC超薄瀝青磨耗層配合比設(shè)計(jì)的體積指標(biāo)技術(shù)要求。

傳統(tǒng)的體積法在測(cè)定毛體積密度時(shí)，是將試件的開(kāi)閉口孔隙以及表面凹陷全部計(jì)算在其中，這必然會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的密度偏小而空隙率偏大，尤其是對(duì)于超薄瀝青磨耗層，影響將會(huì)更加顯著。而美國(guó)為了能夠更準(zhǔn)確地測(cè)定毛體積密度，研究提出了塑封法(Corelok)。塑封法就是用聚乙烯塑料袋來(lái)密封試件抽取真空，采用表干法的方式測(cè)密度，根據(jù)塑料袋的密度和體積來(lái)修正試驗(yàn)結(jié)果，該方法操作簡(jiǎn)單且不易受時(shí)間、類(lèi)型和形狀的影響，操作簡(jiǎn)便且測(cè)試準(zhǔn)確度更高[5]。

基于上述分析，本文對(duì)STC-10和STC-13兩種級(jí)配進(jìn)行體積指標(biāo)的研究。同時(shí)為了增加超薄瀝青磨耗層級(jí)配的適用性，分別以玄武巖、花崗巖和石灰?guī)r為集料進(jìn)行試驗(yàn)，從而使試驗(yàn)結(jié)果所得體積指標(biāo)具有一定的代表性和廣泛的適用性。

本文所研究磨耗層瀝青用量區(qū)間參考Novachip(超薄磨耗層)的瀝青用量取4.5%～6.0%之間[6]，表3、表4給出了三種集料在兩種級(jí)配(STC-10和STC-13)下采用體積法和塑封法測(cè)試所得的體積指標(biāo)結(jié)果。

表3 體積法測(cè)試體積指標(biāo)匯總表

表4 塑封法測(cè)試體積指標(biāo)匯總表

最后根據(jù)體積法和塑封法體積指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，提出高黏瀝青STC超薄磨耗層的體積指標(biāo)技術(shù)要求(見(jiàn)表5)，為后續(xù)的配合比設(shè)計(jì)和實(shí)際施工應(yīng)用提供了參考。

表5 高黏瀝青STC超薄磨耗層體積指標(biāo)技術(shù)要求表

3 室內(nèi)試驗(yàn)性能研究

在提出高黏瀝青超薄磨耗層的體積指標(biāo)技術(shù)要求后，對(duì)其使用性能還需有進(jìn)一步的研究?；诖耍岢鰧TC-13型超薄磨耗層和國(guó)內(nèi)外常用的AC-13、SMA-13、Sup12.5進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究，進(jìn)而對(duì)高黏瀝青超薄磨耗層有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

3.1 不同老化程度的排水瀝青混合料疲勞方程分析

按照各混合料類(lèi)型的級(jí)配控制方法和對(duì)應(yīng)的級(jí)配范圍的要求進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。四種混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)STC-13和SMA-13的級(jí)配組成是較為相似的，屬于間斷級(jí)配。而為了盡可能少地減少多因素對(duì)試驗(yàn)的影響，對(duì)三種對(duì)照組的混合料統(tǒng)一使用常用的SBS瀝青作為膠結(jié)料，四種混合料的集料均采用玄武巖。

圖1 四種混合料級(jí)配曲線圖

對(duì)四種混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定各自最佳油石比。其中對(duì)STC-13混合料按照前文推薦的測(cè)試方法確定體積指標(biāo)。對(duì)超薄瀝青磨耗層選取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%四種瀝青用量，通過(guò)旋壓機(jī)旋壓100次制作旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，每個(gè)瀝青含量下的試件數(shù)目為3個(gè)。以塑封法測(cè)得混合料的體積指標(biāo)如表6所示。

表6 STC-13混合料體積指標(biāo)表

由表6可知，除了4.5%瀝青用量外，混合料的體積參數(shù)均符合表5中提出的技術(shù)要求，綜合對(duì)比不同瀝青用量下的體積指標(biāo)及油膜厚度，確定STC-13混合料的最佳瀝青用量為5.2%。通過(guò)上述相同方法最終確定其他三種混合料的最佳瀝青用量為5.4%(AC-13)、6.5%(SMA-13)、5.2%(Sup12.5)。

3.2 高溫性能

為了對(duì)比四種混合料在最佳瀝青用量下的高溫穩(wěn)定性，制備四種混合料在最佳瀝青用量下的馬歇爾試件，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得到穩(wěn)定度和流值，結(jié)果如圖2所示。

(a)穩(wěn)定度

從圖2的穩(wěn)定度和流值指標(biāo)來(lái)看，密級(jí)配的AC-13穩(wěn)定度最大且流值最高，而間斷級(jí)配的STC-13與同屬密級(jí)配的Sup12.5的穩(wěn)定度值均在10 kN左右，略小于AC-13的；而STC-13的流值要遠(yuǎn)小于Sup12.5和AC-13的，較小的流值說(shuō)明STC-13的抗變形能力要優(yōu)于另外兩種密級(jí)配的混合料。同時(shí)同為間斷級(jí)配的SMA-13的穩(wěn)定度和流值都是最小的，因此認(rèn)為STC-13的高溫性能優(yōu)于SMA-13的。

因此作為磨耗層來(lái)說(shuō)，AC-13雖然有著很高的強(qiáng)度，但是過(guò)大的變形是不適合磨耗層的性能需求的。Sup12.5與STC-13有著相近的強(qiáng)度，但是流值卻過(guò)大，STC-13的性能是較為合理均衡的。

3.3 低溫性能

為了探究超薄瀝青磨耗層的低溫性能，在最佳瀝青用量下對(duì)STC-13混合料進(jìn)行-10 ℃下的間接拉伸(劈裂)試驗(yàn)，并與AC-13、SMA-13和Sup12.5三種混合料進(jìn)行對(duì)比，得到的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)(c)可知，四種混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量由大到小依次是AC-13>STC-13>Sup12.5>SMA-13。這較為直觀地反映了各類(lèi)混合料抵抗拉應(yīng)力的能力。其中AC-13和STC-13的強(qiáng)度是較為優(yōu)異的，低溫抗拉性能較強(qiáng)。

同時(shí)結(jié)合圖3(b)破壞拉伸應(yīng)變指標(biāo)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雖然四種混合料的破壞拉伸應(yīng)變均在0.01左右。但是強(qiáng)度最大的AC-13的破壞拉伸應(yīng)變值是最小的，為0.009；而強(qiáng)度較高的STC-13的破壞拉伸應(yīng)變則是僅次于SMA-13的0.0113。由此得知STC-13有著足夠抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，也有著較好的拉伸應(yīng)變，這正是磨耗層材料所需要的，因此STC-13混合料的低溫性能較其他三種更為優(yōu)異。

3.4 水穩(wěn)定性

為了研究高黏超薄瀝青磨耗層的水穩(wěn)定性，在最佳瀝青用量下對(duì)四種混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，得到四種混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比(TSR)結(jié)果如圖4所示。

(a)劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖4結(jié)果可知，四種混合料的TSR值均符合規(guī)范≥80%的要求，這說(shuō)明其水穩(wěn)定性都是較為出色的。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩種密級(jí)配混合料的TSR值要略高于間斷級(jí)配的SMA-13和STC-13。與SMA-13相比，STC-13雖然有著更大的空隙率，但是TSR值也更高。說(shuō)明STC-13的水穩(wěn)定性也是較為優(yōu)異的。

4 試驗(yàn)路驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究和驗(yàn)證高黏瀝青超薄磨耗層的實(shí)際路用性能。研究以某繞城公路的表面修復(fù)工程為依托，進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑，試驗(yàn)路長(zhǎng)度為1 km。

高黏瀝青超薄磨耗層(STC-13)的鋪筑采用快速同步施工，在原有路面噴灑改性乳化瀝青作為黏層，黏層灑布量為0.78 L/m2，在灑布黏層的同時(shí)立即攤鋪2 cm厚的高黏瀝青超薄磨耗層。對(duì)原有路面進(jìn)行性能檢測(cè)的同時(shí)對(duì)新鋪筑的磨耗層和混合料進(jìn)行性能檢測(cè)，并在竣工通車(chē)一年之后對(duì)磨耗層表面性能進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表7所示。

表7 試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果表

由表7中新路面檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，所攤鋪STC-13瀝青混合料瀝青析漏率和強(qiáng)度符合要求。同時(shí)鋪筑超薄瀝青磨耗層之后，與原有路面相比路面的功能性明顯增強(qiáng)，摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度表明STC-13磨耗層有著良好的抗滑性能，而噪音數(shù)據(jù)表明其降噪性能也十分優(yōu)良。

由表7一年后路面檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，STC-13磨耗層的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)下降微小，噪音也未增加，因此可見(jiàn)磨耗層的使用性能優(yōu)良，耐久性良好。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)不同集料和級(jí)配下STC超薄瀝青磨耗層的配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵體積指標(biāo)進(jìn)行研究，提出了配合比設(shè)計(jì)的體積指標(biāo)技術(shù)要求。為該新型磨耗層的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與常用的磨耗層材料相比，STC-13混合料在有著優(yōu)秀的高低溫性能和水穩(wěn)定性的同時(shí)又能保證不產(chǎn)生過(guò)大變形，符合優(yōu)質(zhì)磨耗層的性能要求。

(3)通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路驗(yàn)證了高黏瀝青超薄磨耗層有著良好的抗滑性能和降噪功能，在保證良好路用性能的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)快速施工修復(fù)，有著良好的應(yīng)用前景。