超薄磨耗層SAC-5瀝青混合料設計及性能

李亞龍， 成志強

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司， 太原 030006； 2. 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室， 太原 030006)

截至2020年末，高速公路里程已達16.10×104km，比2019年末增加1.14×104km[1]，高速公路服務水平的顯著提高導致養(yǎng)護工作量急劇增加，養(yǎng)護范圍和難度也不斷加大。新建道路在運營3～5年后，表面層性能開始衰退，路面裂縫、平順性和抗滑不足等問題顯現(xiàn)，給行車安全性和舒適性帶來負面影響[2]。隨著養(yǎng)護市場規(guī)模的不斷擴大，養(yǎng)護需求逐年增加，預防養(yǎng)護逐步成為主要的路面養(yǎng)護形式。預防養(yǎng)護[3]是指針對路面整體性能良好但有輕微病害，為延緩性能過快衰減、延長使用壽命而預先采取主動防護工程。依據不同需求，預防養(yǎng)護措施逐步多樣化，包括：微表處、同步碎石封層、超薄磨耗層、薄層罩面等，合理的養(yǎng)護措施對于延緩路面性能衰減、延長使用壽命有著重要的作用。

超薄磨耗層一般認為是實施厚度在 10～30 mm 的瀝青磨耗層鋪裝技術，能夠有效修復輕度車轍、路面輕微破損、松散等病害。目前，使用較多的級配類型有：NovaChip、SMA-10、SAC-10、EAC-10、SMA-5等；其中，NovaChip因其技術成熟且鋪筑速度快、開放交通快，具有低噪音、抗滑系數(shù)遠高于密級配瀝青路面等優(yōu)點[4]而被廣泛使用，但由于實施需專用設備、材料要求高及造價高制約了其大面積使用。其他磨耗層技術雖有不同程度的應用，但長期使用效果不滿足要求或未得到充分驗證，沒有得到推廣。

沙慶林[5]提出了多碎石瀝青混合料(stone asphalt concrete, SAC)級配設計方法，主要用于提高高速公路瀝青面層抗變形能力及抗滑性能，通過大量工程應用實踐，為SAC-10～SAC-30的混合料級配提供了參考。當設計細粒式瀝青混合料配合比時，粗集料主要用到9.5～13.2、4.75～9.5 mm兩個檔位的礦料，后者用量占比最大，若集料粒徑偏向一側，混合料性能則不易控制。針對此問題，部分研究提出在4.75～9.5 mm增加控制篩孔，一方面是中間無控制篩孔，易導致大量的粗集料級配失控，影響抗滑性能；另一方面加入控制篩孔則更易控制鋪裝層厚度。沙院士設計SAC-10級配時，為了更好地控制級配，在4.75～9.5 mm篩孔增加了7.5 mm篩孔[5]。李江龍[6]通過增加8 mm篩孔，并控制篩孔通過率，設計了SMA-8瀝青混合料(stone matrix asphalt)，驗證其具有較好長期性及耐久性；王慧峰[7]通過增加7.1 mm篩孔，將其作為最大公稱粒徑控制篩孔進行配合比設計。

綜上，隨著磨耗層功能性要求高而厚度逐漸減薄的需求，礦料級配設計時有必要在4.75～9.5 mm之間增加控制篩孔。采用SAC級配設計方法，進行了SAC-5瀝青混合料設計。依據《試驗篩 金屬絲編織網、穿孔板和電成型薄板 篩孔的基本尺寸》(GB/T 6005—2008)[8]中篩孔尺寸要求，設計中增加7.1 mm方孔篩作為最大粒徑控制篩孔。鑒于超薄磨耗層作為表面層抗滑性能的需求，分別設計了4%、6%、8%空隙率的瀝青混合料，通過構造深度及擺值試驗反映抗滑性能的變化。最后，綜合路用性能各項指標，提出抗滑性能要求較高路段SAC-5瀝青混合料用作超薄磨耗層的目標空隙率指標，為推廣應用提供技術支撐。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

采用玄武巖集料，礦粉采用磨細石灰?guī)r，SAC級配設計方法需要用到每一檔集料和瀝青的密度，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[9]測定，2.36～4.75 mm 的集料用網籃法進行測試，0.075～1.18 mm 的集料用塌落度法，礦粉用容量瓶法進行測試，測試結果如表1所示。瀝青用比重瓶法進行測試[10]。瀝青采用SBS(styrene-butadiene-styrene)改性瀝青，相關技術指標如表2所示。

表1 原材料毛體積密度Table 1 Gross bulk density of raw materials

表2 SBS改性瀝青技術指標Table 2 Technical indicators of SBS modified asphalt

1.2 配合比設計

將2.36 mm篩孔作為粗細集料分界篩孔，7.1 mm設為最大篩孔，依據《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[9]中方法測定粗集料搗實密度ρ。初設最大粒徑篩孔通過率100%，分界篩孔通過率35%，0.075 mm篩孔通過率5%。采用SAC設計方法中集料的級配計算公式[式(1)][5]，計算得到各檔篩孔通過率。

(1)

式(1)中：Pdi為篩孔di的通過率,%；Dmax為集料的最大粒徑mm；di為不同篩孔尺寸;A、B為系數(shù)。

根據所得礦料通過率，計算粗集料的合成毛體積密度γb,ca，細集料的合成毛體積密度γb,fa。結合礦粉密度γa,fi、瀝青密度γB及粗集料的干搗實密度ρ，粗集料搗實骨架間隙率VCADRC的計算公式為

(2)

采用預估油石比PB、目標空隙率Va及各篩孔通過率，由式(3)計算混合料中粗集料比例Pca、細集料比例Pfa、填料比例Pfi，從而得到符合條件的骨架密實型級配。

(3)

設定初始PB=6%，分別設定Va為4%、6%、8%，確定各檔集料比例。采用馬歇爾試驗確定各空隙率最佳油石比，油石比范圍為5.4%～7.0%，以0.4%間隔，最佳油石比分別為6.2%、5.8%、5.5%。

經實測，在最佳油石比下，3個級配空隙率都小于目標空隙率。根據實測空隙率由式(3)反算各檔集料比例，得到最終級配如圖1所示。

圖1 礦料級配曲線Fig.1 Gradation curve of mineral material

由圖1可知，不同空隙率下SAC-5礦料級配變化不大。分析原因為，混合料空隙率為4%時，粗集料占比已達74%，若混合料中瀝青含量減少，粗集料含量微增即可達到8%的目標空隙率。為表明SAC-5礦料級配的特點，圖1中還繪制了SMA-5[11]、NovaChip-Type A型[4]及微表處MS-3型[12-13]3種類型級配范圍中值進行對比。可以看出，幾種級配類型與SAC-5最大的區(qū)別在于2.36 mm以上篩孔通過率及最大篩孔粒徑，說明SAC-5瀝青混合料具有細而密的特征，實施過程中更易控制級配及厚度。

1.3 瀝青含量檢驗

對比常用超薄磨耗層措施的瀝青用量，如：SMA-5油石比6.2%～7.2%[2,11]，微表處MS-3型油石比6%～8.5%[12]，均高于SAC-5瀝青混合料油石比5.8%～6.2%。為確定混合料中瀝青用量是否滿足集料黏結性要求，依據規(guī)范[10]方法進行浸水飛散試驗，飛散前后對比如圖2所示，試驗結果如表3所示。

由圖2、表3可知：①不同空隙率下，SAC-5瀝青混合料浸水飛散試驗結果最大值為5.01%，滿足規(guī)范不大于15%的技術要求。說明SAC-5瀝青混合料中瀝青用量能夠滿足集料黏結性要求；②隨著空隙率的增加，飛散損失相應增加。可以看出，試件僅邊部掉塊，說明在一定程度上，瀝青含量減少會使集料間黏結力減小，但不影響試件的完整性。

2 SAC-5瀝青混合料路用性能評價

2.1 高溫性能試驗

以60 ℃車轍試驗(動穩(wěn)定度DS)評價SAC-5瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，結果如圖3所示?？?/p>

圖2 不同空隙率浸水飛散前后對比Fig.2 Comparison before and after immersion in water with different porosity

表3 浸水飛散試驗結果Table 3 Result of immersion and scattering test

圖3 不同空隙率試件動穩(wěn)定度Fig.3 Dynamic stability of specimens with different porosity

以看出：①不同空隙率下，動穩(wěn)定度均達到 7 000 次/mm以上，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]中不低于 2 800 mm/次的要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍能力；②隨著空隙率的增大，以空隙率4%試件結果為基準，動穩(wěn)定度增幅分別為2%、12%。說明混合料中粗集料含量的增加，使集料間嵌擠作用增強，混合料逐步形成緊密的骨架密實結構。

2.2 水穩(wěn)定性能試驗

分別以浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗對SAC-5瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進行評價，結果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知：①不同空隙率下，殘留穩(wěn)定度達88.0%以上，殘留強度比達86%以上，均滿足殘留穩(wěn)定度≥85.0%，殘留強度比≥80%的技術要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的抗水損害能力；②隨著空隙率增加，穩(wěn)定度增大，數(shù)據波動小，結果穩(wěn)定。劈裂強度先增加后減小，凍融后數(shù)據波動較穩(wěn)定度大，說明凍融劈裂試驗對混合料水穩(wěn)定性檢驗條件更苛刻，結果更具說服力；③殘留穩(wěn)定度、殘留強度比二者結果均隨空隙率增大而增大，進一步說明粗集料之間嵌擠作用增強，混合料形成緊密骨架結構，有利于提升混合料的水穩(wěn)定性能。

圖4 不同空隙率試件殘留穩(wěn)定度Fig.4 Residual stability of specimens with different porosity

圖5 不同空隙率試件殘留強度Fig.5 Residual strength of specimens with different porosity

2.3 低溫性能試驗

以-10 ℃彎曲試驗的破壞應變作為低溫性能指標評價SAC-5瀝青混合料的低溫性能，結果如表4所示。

表4 不同空隙率試件低溫試驗結果Table 4 Low temperature test results of specimens with different porosity

由表4可知：①不同空隙率下，低溫應變有所減小，但結果均達到 3 000 με以上，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]中不低于2 800 με的技術要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的低溫抗裂能力；②隨著空隙率的增大，彎曲應力、彎曲應變均有所減小，分析原因為，混合料空隙率增大，瀝青用量減小，集料-瀝青黏附強度降低，導致混合料整體強度減小，低溫應變減小。

2.4 抗滑性能

超薄磨耗層用作表面層，除自身力學性能滿足要求外，更重要的是具有較好的抗滑效果。良好的抗滑性能有助于減少車輛制動距離，提高行車安全性[14]。測量路面抗滑性能方法較多，容洪流等[15]采用擺式摩擦法與表面回彈法測量路面抗滑性能，李智等[16]對常規(guī)試驗鋪沙法、擺式儀法、輪廓測量儀法及壓力膠片法測量對路面抗滑性能評價分析。本文通過鋪砂法及擺式儀法評價SAC-5瀝青混合料的抗滑性能。結果如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：①隨著空隙率的增大，構造深度及擺值的最小值分別為0.91 mm、72，均滿足設計《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)[17]、《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》(JTG 5142—2019)[18]技術要求，說明SAC-5瀝青混合料作為表面層具有良好的抗滑性能；②隨空隙率增大，構造深度及擺值增大，說明路面抗滑性能增強，對于急彎陡坡等對抗滑性能要求較高路段，推薦選用目標空隙率8%混合料用作超薄磨耗層。

3 結論

采用SAC級配設計方法對SAC-5瀝青混合料進行配合比設計，并對其路用性能進行研究，得出如下結論。

(1)SAC-5瀝青混合料中粗集料含量占比大，當目標空隙率由4%增大到8%時，混合料礦料級配變化不大，最佳油石比減小。

圖6 不同空隙率試件構造深度Fig.6 Depth of structure of specimen with different porosity

圖7 不同空隙率試件抗滑試驗結果Fig.7 Anti-sliding test results of specimens with different porosity

(2)在不同空隙率下，SAC-5瀝青混合料60 ℃動穩(wěn)定度可達7 000 次/mm以上、殘留穩(wěn)定度達88%以上、殘留強度比達86%以上、低溫破壞應變達3 000，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂性能及水穩(wěn)定性。

(3)SAC-5瀝青混合料的抗滑性能隨空隙率增大而增大，試驗結果滿足規(guī)范設計要求，具有良好的抗滑性能。對于急彎陡坡等對抗滑性能要求較高路段，推薦采用目標空隙率8%的瀝青混合料作為超薄磨耗層。