ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層的研究應(yīng)用

宋沁浩，祁永明

（山西諾通公路養(yǎng)護(hù)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

高速公路瀝青路面在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，瀝青路面病害逐漸增多，尤其是交通繁重的隧道及長(zhǎng)大縱坡或橋面鋪裝路段的瀝青路面掉皮、脫落嚴(yán)重，因此急需一種具有高抗剪、高耐磨、抗車(chē)轍強(qiáng)、開(kāi)放交通快、施工簡(jiǎn)單且長(zhǎng)壽命的路面材料[1-3]。環(huán)氧瀝青是采用環(huán)氧樹(shù)脂作為改性劑的高性能改性瀝青材料[4]。環(huán)氧樹(shù)脂在固化劑作用下可以形成不可逆的空間網(wǎng)絡(luò)體系，賦予材料較高強(qiáng)度。將環(huán)氧瀝青材料應(yīng)用到隧道及長(zhǎng)大縱坡或橋面鋪裝的路面結(jié)構(gòu)中，可以提高強(qiáng)度和承載力，改善道面結(jié)構(gòu)抗輪轍、抗疲勞等性能，較大程度上阻止或延緩道面病害的產(chǎn)生與擴(kuò)展，保證道面結(jié)構(gòu)的使用性能與耐久性[5]。然而，根據(jù)隧道及長(zhǎng)大縱坡或橋面鋪裝路面受力及使用環(huán)境特點(diǎn)，ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層使用性能及其施工工藝研究方面的研究尚缺乏，亟需開(kāi)展這方面的研究，對(duì)此2020年公司對(duì)該科技項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)，并展開(kāi)相關(guān)技術(shù)研究，通過(guò)不斷的改進(jìn)、完善、技術(shù)升級(jí)，使這一產(chǎn)品逐漸成熟穩(wěn)定。

1 工程概況

2020年10月底，應(yīng)高速交管部門(mén)要求，使用新研發(fā)的ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層技術(shù)，分別對(duì)晉焦高速下行K2+600～K4+000、長(zhǎng)晉高速下行K1033+000～K1035+000大數(shù)據(jù)危險(xiǎn)路段進(jìn)行了應(yīng)急施工，共計(jì)完成約23 000 m2；2021年7月又分別在長(zhǎng)晉高速上行K995+000～K997+680、下行K1028+800～K1031+000大數(shù)據(jù)危險(xiǎn)路段、高新高速下行K43+970～K48+480路面功能衰減路段共計(jì)完成約73 000 m2，2021年10月在晉城市文華街、七星廣場(chǎng)亮化改造路段完成25 000 m2，合計(jì)完成近120 000 m2的道路試驗(yàn)和材料推廣。

在試驗(yàn)路段施工期間，對(duì)超薄磨耗層的靜音效果進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，通過(guò)環(huán)境檢測(cè)單位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，車(chē)輛通過(guò)平均噪音由75.4 dB降至65.2 dB，平均降幅達(dá)10.2 dB。

經(jīng)工程質(zhì)量檢測(cè)單位通過(guò)2020年度和2021年度跟蹤檢測(cè)，該路面構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，保持最佳狀態(tài)，且摩擦系數(shù)平均值較鋪設(shè)初期均有小幅提高。本次測(cè)試路段為長(zhǎng)晉高速下行段K1033+800～K1034+600，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG 3450—2019），采用路面構(gòu)造深度儀和擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀（756），分別對(duì)路面的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 路面構(gòu)造深度試驗(yàn)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of pavement structure depth test

表2 路面摩擦系數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 statistical table of pavement friction coefficient test

根據(jù)高速交警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以上大數(shù)據(jù)危險(xiǎn)路段事故率兩年期間降低100%。

通過(guò)近兩年的跟蹤研究、試驗(yàn)表明，該科技項(xiàng)目的研發(fā)對(duì)解決高速公路、國(guó)省主干道、城市道路等公路的應(yīng)急處治，迅速改善路面使用性能，保障行車(chē)安全，都有著出色的表現(xiàn)，同時(shí)還具有降低噪聲、防止濺水、舒適美觀、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、耐久抗滑等顯著優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的超薄摩擦層材料相比，使用年限可延長(zhǎng)2～3年，將顯著減少全壽命周期內(nèi)的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，產(chǎn)品應(yīng)用前景非常廣闊，現(xiàn)就該研究成果進(jìn)行說(shuō)明。

2 ESMA-5研發(fā)概況

ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層是諾通公司研究開(kāi)發(fā)的一種全新預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念、技術(shù)含量高的環(huán)保型超薄磨耗層技術(shù)。屬于落實(shí)“十四五”交通規(guī)劃中預(yù)防性養(yǎng)護(hù)發(fā)展方向的前沿工藝，是符合國(guó)家號(hào)召碳達(dá)峰、碳中和的道路維修綠色產(chǎn)品。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)厚度為1.5 cm，兼具SMA和OGFC路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有降噪、防滑、抗磨耗、防水害等屬性特點(diǎn)，具有施工速度快、產(chǎn)生廢料少、使用能源少、市民出行影響小等優(yōu)良特性，具有明顯的表觀效果、耐久的使用性能和良好的經(jīng)濟(jì)性能。

3 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層具有多種特點(diǎn)。厚度薄，僅為1.5 cm左右，不影響標(biāo)高限制；黏結(jié)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較高，能承受大流量高負(fù)載；二次熱固化環(huán)氧瀝青粘層確保新老路面層間緊密粘結(jié)，大幅提高層間抗剪性能；二次熱固化環(huán)氧瀝青粘層灑布后可快速施工，能夠高效、快捷施工，縮短了封閉交通的時(shí)間；構(gòu)造深度大，可以提高路面抗滑系數(shù)，降低交通事故率；防水能力超強(qiáng)，能保護(hù)原有路面；降低噪聲，降低濺水，改善行車(chē)舒適性及提高行駛安全性；施工簡(jiǎn)便，造價(jià)較低。

ESMA-5適用于多種場(chǎng)合。包括但不限于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；矯正性養(yǎng)護(hù)；新建道路表面磨耗層；城市道路快速改善；橋面與高架表面鋪裝；隧道路面鋪裝。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

因?yàn)镋SMA-5一般都只有1.5 cm厚（如圖1所示），而傳統(tǒng)的改性AC-13瀝青混凝土罩面層一般有2～4 cm厚，所以在造價(jià)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。ESMA-5造價(jià)72元/m2，含銑刨、清掃、烘干路面水漬、路面防護(hù)（原路面及標(biāo)線(xiàn)和橋梁伸縮縫等位置）高溫環(huán)氧粘層，相對(duì)于4 cm厚的改性AC-13瀝青混凝土的80～90元/m2的造價(jià)（含銑刨、粘層油），能夠節(jié)約直接成本10%～20%，同時(shí)因?yàn)镋SMA-5的高效、快捷施工縮短了封閉交通的時(shí)間（以高速施工為例，相同面積施工，ESMA-5施工進(jìn)度是4 cm普通挖補(bǔ)的3倍，可以節(jié)省三分之二的工期），降低了通行費(fèi)的收入影響，從一定程度上大幅降低了間接維修施工成本。

圖1 ESMA-5厚度測(cè)試圖Fig.1 ESMA-5 thickness test

在抗車(chē)轍方面。傳統(tǒng)的改性AC-13瀝青混凝土罩面層為連續(xù)級(jí)配，和ESMA-5兼具SMA和OGFC路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的級(jí)配相比較，ESMA-5就有更好的抵抗車(chē)轍方面的性能，主要有以下原因：一是礦料是間斷級(jí)配，顆粒之間有良好的崁擠作用，具有較強(qiáng)的高溫抗車(chē)轍能力；二是礦粉、改性瀝青與添加的纖維組成的瀝青瑪蹄脂，填充在粗集料中，低溫抗裂性大幅提高。

對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中已存在轉(zhuǎn)軸裂紋的轉(zhuǎn)子，其裂紋的開(kāi)合狀態(tài)均存在于轉(zhuǎn)子的上方和下方，但是傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子軸的傳感器均采用徑向安裝，而且通常是斜上45°安裝，位于轉(zhuǎn)子軸的側(cè)面，因此對(duì)于裂紋在轉(zhuǎn)子上方和下方開(kāi)合時(shí)的響應(yīng)并不敏感；裂紋開(kāi)合必然引起軸向位移，而裂紋開(kāi)合的軸向效應(yīng)必然會(huì)體現(xiàn)在推力盤(pán)上，因此監(jiān)測(cè)軸位移動(dòng)態(tài)信號(hào)的傳感器無(wú)論安裝在0°、90°、180°、270°任何位置都不會(huì)漏測(cè)裂紋效應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)信號(hào)。這里提出通過(guò)監(jiān)測(cè)分析轉(zhuǎn)子軸軸向振動(dòng)信號(hào)的交流成分從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸裂紋故障的診斷。

在抗滑性能方面。ESMA-5石料堅(jiān)硬，屬單一粒徑，粗集料多，構(gòu)造深度大，抗滑性能高。

在抗裂性和抗松散性能方面。因?yàn)镋SMA-5采用的是高溫環(huán)氧瀝青粘層，該粘層在攤鋪過(guò)程中二次加熱，粘層油在高溫碾壓的情況下，能夠充分滲入到瀝青混合料的下層空隙中，形成二次固化，使瀝青混合料與粘層油能夠緊密結(jié)合，使磨耗層同原路面粘結(jié)更牢固、防水性更好、材料內(nèi)部結(jié)合更牢靠，所以抗裂性能和抗松散性能好。

在抗水害方面。高溫環(huán)氧瀝青粘層屬于熱瀝青噴灑，噴灑均勻密實(shí)，無(wú)斑點(diǎn)，磨耗層以下由具有隔水性能的粘層油充填，可以保護(hù)下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定免受水害。但在磨耗層上部留有大量空隙，引導(dǎo)水體流出，使得高溫環(huán)氧粘層高性能超薄磨耗層同時(shí)具有防濺水功能。在傳統(tǒng)級(jí)配的AC-13中，若壓實(shí)度不足，含水率過(guò)高，在長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下，不斷侵蝕瀝青混合料，造成瀝青混凝土路面的水損壞。

在降噪方面。ESMA-5的空隙較大，采用4.75 mm粒徑礦料，路面相較傳統(tǒng)AC-13更為粗糙，提高了路面降噪性。經(jīng)實(shí)測(cè)證明，ESMA-5能夠降低AC類(lèi)路面4～10 dB噪聲。

3.3 社會(huì)效益

ESMA-5的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在使用性能、節(jié)能降耗和施工速度上。

在使用性能上。ESMA-5具有良好的抗滑，降低濺水、降噪等優(yōu)良性能，這些性能給道路行車(chē)帶來(lái)極大的便利和舒適，給道路安全帶來(lái)極大的支持。

在節(jié)能降耗減排上。相較普通4 cm銑刨加鋪，ESMA-5厚度只有1.5 cm，減少了在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工中的資源消耗，同時(shí)也降低了廢料、污染物的產(chǎn)生。是符合國(guó)家號(hào)召碳達(dá)峰、碳中和的道路維修綠色產(chǎn)品。

在施工速度上。高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能磨耗層厚度小，孔隙大，壓實(shí)度要求較傳統(tǒng)罩面層低，因此施工工程量更小速度更快，同時(shí)由于薄層與大孔隙的特性，高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能磨耗層散熱更快，道路更早開(kāi)放交通。對(duì)于城市道路維修與高速公路養(yǎng)護(hù)具有重要意義，更加方便市民出行。

4 施工工藝

通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)，對(duì)ESMA-5施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，不同于傳統(tǒng)超薄磨耗層，無(wú)需采用專(zhuān)用攤鋪機(jī)，且ESMA-5高溫環(huán)氧瀝青粘層需采用專(zhuān)用的智能灑布車(chē)進(jìn)行灑布，具有獨(dú)特的施工流程：

（1）清理路面。拆除原路面反光路鈕，清掃表面的有機(jī)雜物，并用空壓機(jī)吹凈表面塵土，使路面保持清潔無(wú)塵埃。

（2）裂縫處置。檢查原路面狀況，對(duì)存在的一些細(xì)微裂縫進(jìn)行灌縫處理。

（3）高溫環(huán)氧瀝青粘層灑布。灑布高溫環(huán)氧瀝青粘層油，需采用專(zhuān)用的智能?chē)姙④?chē)撒布（專(zhuān)利號(hào)202221151759.6），按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）執(zhí)行。

（4）拌和。高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料拌和應(yīng)滿(mǎn)足JTG F40—2004的基本要求。建議采用3000型以上強(qiáng)制間歇式拌和機(jī)拌制瀝青混合料，纖維宜采用專(zhuān)用的纖維添加設(shè)備自動(dòng)加入瀝青拌和樓的拌和缸中。拌和時(shí)間以混合料均勻?yàn)闇?zhǔn)，通過(guò)試拌確定，保證纖維在混合料中充分分散，拌和均勻。瀝青混合料拌和瀝青加熱溫度為165～170℃，集料溫度為190～210℃，出廠溫度為170～185℃。

（5）運(yùn)輸。高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料運(yùn)輸按JTG F40—2004執(zhí)行，運(yùn)輸應(yīng)保證材料的溫度控制，保證瀝青混合料的溫度均勻。

（6）攤鋪、碾壓。高溫環(huán)氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料的攤鋪采用SMA路面攤鋪方式，撒布粘層油與攤鋪混合料可在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)，但間隔不宜過(guò)長(zhǎng)。粘層撒布需要粘層油足量均勻，避免面層泛油。攤鋪全程采用接觸式電腦控制推鋪，瀝青混合料選用斷級(jí)配瀝青混合料，最大粒徑為4.75 mm，瀝青混合樣通常較為均勻，無(wú)需人工處理離析和更換混合料，在施工過(guò)程中，盡量減少施工人員的踩踏，超薄磨耗層攤鋪效果類(lèi)似SMA路面，必須在表面溫度降至155℃之前進(jìn)行碾壓，與傳統(tǒng)工藝不同，每臺(tái)攤鋪機(jī)應(yīng)配置至少一臺(tái)11～13 t雙鋼輪壓路機(jī)和一臺(tái)前鋼后膠壓路機(jī)，攤鋪后立即開(kāi)始?jí)簩?shí)，首先雙鋼輪進(jìn)行一遍靜壓，之后以高頻低振幅壓2～3遍，前鋼后膠壓實(shí)一遍，鋼輪再靜壓一遍，碾壓完成時(shí)表面溫度不低于115℃。壓路機(jī)不能停留在鋪好的熱瀝青混合料表面上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定碾壓操作寬度，新的路面在碾壓完成，路面溫度降至50℃之后才可開(kāi)放交通，碾壓遵循“緊跟、高頻、低幅、均勻、同步、少水、慢壓”的原則。

（7）接縫處理。橫向施工縫全部采用平接縫，縱向接縫全部采用冷接縫，配備經(jīng)驗(yàn)豐富的攤鋪機(jī)操作手和接縫修復(fù)工，確保攤鋪后接縫處混合料飽滿(mǎn)、平整，接縫修復(fù)工緊跟攤鋪機(jī)，對(duì)布料不飽滿(mǎn)的位置進(jìn)行人工再次補(bǔ)料修復(fù)，其后鋼輪壓路機(jī)立即騎縫20～30 cm小振碾壓，確保接縫平整無(wú)空隙。

與傳統(tǒng)工藝相比，ESMA-5施工工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單、精度高、施工速度快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，更加低碳環(huán)保。

5 結(jié)語(yǔ)

ESMA-5是路面預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新性突破，解決了傳統(tǒng)超薄磨耗層容易脫落、耐久性差、施工工藝復(fù)雜、施工機(jī)具專(zhuān)業(yè)要求高等不足，使超薄磨耗層技術(shù)得以突破性的提升，滿(mǎn)足國(guó)家低碳、環(huán)保發(fā)展理念，為公路路面應(yīng)急處置、性能提升、美化亮化、綠色環(huán)保提供了一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、可靠的處理方案。