小粒徑開級(jí)配超薄罩面路用性能研究

王迎平

(紹興市上虞區(qū)公路與運(yùn)輸管理中心，紹興 312399)

截至2019年年底，我國(guó)公路總里程已達(dá)到501.25萬(wàn)km、高速公路總里程達(dá)到14.96萬(wàn)km,居世界第一[1]。路網(wǎng)的形成使我國(guó)公路的發(fā)展由以建設(shè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻B(yǎng)并重，并逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)為主的時(shí)代。新形勢(shì)下，路面養(yǎng)護(hù)也產(chǎn)生了新的需求，包括：①快速恢復(fù)路面的抗滑性能，保證行車安全；②兼顧處理其他輕度病害，如車轍、裂縫、松散等；③快速施工、快速開放交通，對(duì)交通影響最小化；④技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好。針對(duì)上述需求，超薄罩面技術(shù)成為最佳的養(yǎng)護(hù)手段之一。當(dāng)前的超薄罩面技術(shù)已經(jīng)開始向更小的粒徑、更薄的鋪裝厚度、更便捷的施工方法等應(yīng)用方向發(fā)展。

彭華榮[2]、孫宗全[3]、王斯倩等[4]對(duì)Novachip?超薄罩面混合料的路用性能進(jìn)行了大量研究，主要研究結(jié)論表明其具有優(yōu)良的高溫性能、水穩(wěn)定性、抗滑性能和滲水性能；趙躍[5]通過(guò)研究確定對(duì)于超薄罩面混合料應(yīng)采用CAVF法(混凝土混合料的主要集料空隙體積填充法)骨架型級(jí)配設(shè)計(jì)理論,并用CAVF法擬定4種級(jí)配的0/5型超薄罩面混合料進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和性能分析；薛國(guó)強(qiáng)[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明，與原密級(jí)配瀝青混凝土路面相比，SMA-5超薄磨耗層的表面構(gòu)造深度提高38%，摩擦系數(shù)提高14%，路面抗滑能力顯著提高，SMA-5超薄磨耗層具有很好的降噪效果，路面噪聲低于原AC-16路面3～4 dB，且車速越高，差距越大；譚憶秋等[7]選取SMA-10、UTAC-10、Novachip?Type C 3種混合料類型進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明Novachip?Type C混合料抗水損壞能力受動(dòng)水影響較其他兩類型混合料大，由于SMA-10中纖維的存在，3種試驗(yàn)條件下SMA-10的飛散損失均小于其他兩種混合料；任瑞波等[8]研究表明SMA-5型高黏瀝青混合料具有良好的路用性能，其動(dòng)穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比、疲勞壽命均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，其中動(dòng)穩(wěn)定度和疲勞壽命優(yōu)勢(shì)明顯；王旭東[9]結(jié)合河北省低噪聲瀝青路面試驗(yàn)路段的修建過(guò)程，分析認(rèn)為路面減噪效果不僅與路面構(gòu)造深度有關(guān)，而且與路面混合料的級(jí)配類型、混合料的最大粒徑等有關(guān)。

本文對(duì)公稱最大粒徑為4.75 mm、鋪裝厚度最小為1.0 cm的小粒徑開級(jí)配超薄罩面進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)薄層罩面相比，研究的對(duì)象具備一定的排水、降噪功能，可以進(jìn)一步提高雨天行車安全性；能夠充分利用石料場(chǎng)富余的小粒徑硬質(zhì)石料，減輕優(yōu)質(zhì)粗集料需求帶來(lái)的環(huán)境和資源壓力；其更薄的鋪裝厚度能夠?qū)?duì)附屬設(shè)施的影響控制在最小化水平，施工時(shí)舊路面免銑刨，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)；另外，還可廣泛用于雙層排水瀝青路面、透水路面、彩色排水路面等功能性路面中，為“海綿城市”道路建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 組成設(shè)計(jì)研究

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本文研究所用的瀝青以高黏度改性瀝青(未做專門說(shuō)明的，均為高黏度改性瀝青A)為主。同時(shí)，還對(duì)其他在超薄罩面中應(yīng)用較多的瀝青類型，如橡膠瀝青、專用改性瀝青等進(jìn)行了混合料性能考察，以便指導(dǎo)工程選擇適宜的結(jié)合料。試驗(yàn)用瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

本次試驗(yàn)粗集料為3～5 mm、3～7 mm兩檔玄武巖，其中3～7 mm玄武巖為料場(chǎng)非常規(guī)規(guī)格集料；細(xì)集料有玄武巖和石灰?guī)r兩種，均為0～3 mm規(guī)格；填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。各檔集料篩分試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，各檔集料密度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 各檔集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 各檔集料密度試驗(yàn)結(jié)果

1.1.3 纖維

本次耐久性試驗(yàn)選用的聚氨酯纖維主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 聚氨酯纖維主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本研究以公稱最大粒徑為4.75 mm的開級(jí)配瀝青混合料作為主要研究對(duì)象，試驗(yàn)采用3～5 mm玄武巖、0～3 mm石灰?guī)r和礦粉，并按2.36 mm通過(guò)率間隔約5%設(shè)計(jì)了5組級(jí)配(級(jí)配1#～級(jí)配5#)。這5組級(jí)配的2.36 mm篩孔尺寸通過(guò)率范圍介于15%和35%之間，另外其1.18 mm篩孔尺寸通過(guò)率范圍介于10%和26%之間，符合開級(jí)配粗集料用量高的特點(diǎn)。

另采用3～7 mm石料設(shè)計(jì)了一組2.36 mm篩孔通過(guò)率為20%的級(jí)配6#進(jìn)行對(duì)比。小粒徑開級(jí)配瀝青混合料級(jí)配如圖1所示。

對(duì)不同的級(jí)配，統(tǒng)一按5.5%～7.5%的油石比范圍，油石比間隔0.5%，配制相應(yīng)的瀝青混合料，計(jì)算其最大理論密度，測(cè)試其析漏；采用馬歇爾雙面擊實(shí)50次成型馬歇爾試件，測(cè)試試件的毛體積密度、飛散、馬歇爾穩(wěn)定度和流值，計(jì)算試件的空隙率等體積參數(shù)[10]。配比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 空隙率隨油石比增大呈減小的趨勢(shì)。油石比增大到6.5%～7.0%后，空隙率減小幅度趨緩。

(2) 有效瀝青飽和度(VFA)隨油石比增大呈增加趨勢(shì)，在試驗(yàn)油石比范圍內(nèi)，VFA介于25%和50%之間。

(3) 穩(wěn)定度、流值與油石比的關(guān)系曲線不具有規(guī)律性，這可能與混合料大空隙的特征相關(guān)。

(4) 飛散損失隨油石比增加總體呈下降趨勢(shì)，析漏損失隨油石比增加總體呈上升趨勢(shì)。

(5) 2#、6#級(jí)配的2.36 mm通過(guò)率相當(dāng)(20%)，6#級(jí)配4.75 mm以上的料較多。與2#級(jí)配相比，6#級(jí)配的空隙率、礦料間隙率、飛散損失更小，穩(wěn)定度更高。

基于上述試驗(yàn)與分析，不同級(jí)配設(shè)計(jì)油石比與設(shè)計(jì)孔隙率如表5所示。

表5 不同級(jí)配設(shè)計(jì)石油比與設(shè)計(jì)孔隙率 (%)

2 路用性能試驗(yàn)

2.1 高溫性能

采用60 ℃車轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)6種級(jí)配在設(shè)計(jì)油石比下的高溫性能，不同級(jí)配混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同級(jí)配混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果 (次/mm)

超薄磨耗層鋪裝厚度薄，其自身結(jié)構(gòu)發(fā)生車轍病害的風(fēng)險(xiǎn)較小。我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中對(duì)用于重及以上交通荷載等級(jí)的OGFC(開級(jí)配瀝青磨耗層)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為不低于3 000 次/mm[11]。從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，6組不同級(jí)配瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均能滿足規(guī)范要求，高溫穩(wěn)定性能較優(yōu)異。

2.2 低溫性能

采用車轍板切割形成小梁試件，經(jīng)過(guò)低溫保溫(-10 ℃)后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，不同級(jí)配混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同級(jí)配混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中對(duì)冬嚴(yán)寒區(qū)要求彎曲應(yīng)變不低于3 000 με，對(duì)冬寒區(qū)要求不低于2 800 με，對(duì)冬冷區(qū)要求不低于2 500 με。6組不同級(jí)配的小粒徑開級(jí)配瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變均大于3 000 με，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫抗裂能力。

2.3 水穩(wěn)定性能

我國(guó)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)以凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)為主[12]。不同級(jí)配混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同級(jí)配混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果 (%)

6種不同級(jí)配瀝青混合料均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比不小于80%、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于85%的要求，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。

2.4 抗松散性能

不同級(jí)配混合料抗松散性試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同級(jí)配混合料抗松散性試驗(yàn)結(jié)果 (%)

由表9可知，6種級(jí)配瀝青混合料的飛散損失均小于10%，浸水飛散損失均小于15%，隨著級(jí)配變細(xì)，設(shè)計(jì)空隙率減小，浸水飛散損失呈降低趨勢(shì)。

3 耐久性影響因素研究

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)耐久性的影響因素，選擇2#級(jí)配，進(jìn)行飛散試驗(yàn)、浸水飛散試驗(yàn)和凍融飛散試驗(yàn)。

3.1 瀝青膜厚的影響

對(duì)2#級(jí)配，計(jì)算其瀝青膜厚度為11 μm、13 μm和15 μm的瀝青用量，成型試件進(jìn)行飛散試驗(yàn)、浸水飛散試驗(yàn)和凍融飛散試驗(yàn)，瀝青膜厚對(duì)混合料耐久性的影響如圖3所示。

隨著瀝青膜厚度增加，瀝青用量增加，飛散損失、浸水飛散損失和凍融飛散損失都呈減小的變化規(guī)律，浸水殘留質(zhì)量比和凍融殘留質(zhì)量比呈增大的變化規(guī)律，混合料的耐久性增加。

3.2 瀝青類型的影響

對(duì)不同瀝青采用相同的設(shè)計(jì)油石比(6.3%)進(jìn)行飛散試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)，不同瀝青對(duì)混合料耐久性的影響如表10和圖4所示。

本次試驗(yàn)所用的9種結(jié)合料，大致可以分為SBS改性瀝青類(B1、B2)、高黏度改性瀝青類(B3～B8)和橡膠瀝青類(B9)三大類。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：SBS改性瀝青類浸水飛散損失太大，均大于25%，且與標(biāo)準(zhǔn)飛散損失相比，質(zhì)量損失增幅均達(dá)到100%以上，不適用于小粒徑開級(jí)配瀝青混合料。高黏度改性瀝青類和橡膠瀝青類的浸水飛散損失與標(biāo)準(zhǔn)飛散損失相比，均有較大幅度減小，浸水飛散損失均不大于15%，表現(xiàn)出較好的抗松散能力。另外，黏度相對(duì)更大的結(jié)合料(B5、B6和B8)的浸水飛散損失更小。

表10 不同瀝青對(duì)混合料耐久性的影響 (%)

3.3 纖維的影響

針對(duì)使用纖維和不使用纖維兩種情況，在相同的設(shè)計(jì)油石比(6.3%)下，進(jìn)行飛散試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)，纖維使用對(duì)混合料耐久性影響如表11所示。

表11 纖維使用對(duì)混合料耐久性影響 (%)

從表11可知：使用纖維有利于降低飛散損失和浸水飛散損失；對(duì)黏度較小的瀝青改善效果更明顯。

3.4 細(xì)集料類型影響

對(duì)石灰?guī)r和玄武巖兩種0～3 mm細(xì)集料，在相同的設(shè)計(jì)油石比(6.3%)下，進(jìn)行飛散試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)，細(xì)集料類型對(duì)混合料耐久性的影響如表12所示。

表12 細(xì)集料類型對(duì)混合料耐久性的影響 (%)

與石灰?guī)r細(xì)集料相比，采用玄武巖細(xì)集料的瀝青混合料的飛散損失和浸水飛散損失更大，增幅分別達(dá)到33.8%和16.7%，這可能與玄武巖細(xì)集料與瀝青的黏附性以及其難以壓實(shí)等因素有關(guān)。

3.5 成型溫度影響

采用2#級(jí)配在相同的設(shè)計(jì)油石比(6.3%)下，在不同成型溫度下，成型不同孔隙率的馬歇爾試件，進(jìn)行飛散試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)，成型溫度對(duì)混合料耐久性的影響如表13所示。

表13 成型溫度對(duì)混合料耐久性的影響

設(shè)計(jì)級(jí)配和設(shè)計(jì)瀝青用量相同時(shí)，隨著成型溫度下降，試件的飛散損失和浸水飛散損失均增大，其原因主要有兩方面：一是成型溫度下降，材料壓實(shí)困難，空隙率增大；二是溫度下降后，高黏瀝青變稠，其黏結(jié)性受到影響。因此，施工控制時(shí)，應(yīng)盡可能在溫度較高時(shí)攤鋪并完成碾壓。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 6種級(jí)配的小粒徑開級(jí)配超薄罩面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗飛散性等路用性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求，在不同性能方面各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境合理確定級(jí)配類型。

(2) 瀝青用量的增加能夠有效提高混合料耐久性能。

(3) SBS改性類瀝青不適用于小粒徑開級(jí)配瀝青混合料，黏度更大的瀝青能夠有效保證混合料耐久性。

(4) 使用纖維有利于降低飛散損失和浸水飛散損失；對(duì)黏度較小的瀝青改善效果更明顯。

(5) 采用石灰?guī)r細(xì)集料相比玄武巖細(xì)集料能夠更有效地減少飛散損失和浸水飛散損失。

(6) 隨著成型溫度下降，試件的飛散損失和浸水飛散損失均增大，施工控制時(shí)，應(yīng)盡可能在溫度較高時(shí)攤鋪并完成碾壓。