AC-8密實(shí)型超薄磨耗層在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

唐忠國,霍 典

(廣西交通投資集團(tuán)崇左高速公路運(yùn)營有限公司,廣西 崇左 532299)

0 引言

目前我國超薄磨耗層技術(shù)主要有SAC-10多碎石超薄磨耗層、OGFC-10開級(jí)配抗滑磨耗層、SMA-10間斷級(jí)配骨架密實(shí)型磨耗層等。但是,這些超薄磨耗層的鋪筑厚度較厚,在隧道凈空及橋梁恒載需要嚴(yán)格控制、護(hù)欄及標(biāo)志牌等交安附屬設(shè)施標(biāo)高固定且改造費(fèi)用過高等工程中應(yīng)用受限。因此,開展2 cm厚AC-8密實(shí)型超薄磨耗層研究與應(yīng)用,降低鋪筑厚度,能夠通過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施提升瀝青路面使用品質(zhì),具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[1]。

南友高速公路主線全長180.063 km,在2005年底建成通車。近9年后,瀝青路面出現(xiàn)了裂縫、輕微車轍、坑槽、掉粒、麻面、表面瀝青老化及表面抗滑值衰減等病害。為了解決路面表面功能衰減問題,該工程在原路面加鋪2 cm厚AC-8密實(shí)型超薄磨耗層的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案,于2014年開展一期工程施工,并進(jìn)行了8年服役期的監(jiān)測(cè),取得了良好的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果。

1 設(shè)計(jì)思路

AC-8密實(shí)型超薄磨耗層具備提高道路表面抗滑指數(shù)、恢復(fù)道路表面功能、緩解病害發(fā)展等功能性要求,同時(shí),還是直接承受車輪荷載及溫度、光照、雨水作用的關(guān)鍵部位,因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮其功能性及結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)對(duì)材料特性提出要求。在本文研究及工程實(shí)踐中,選取了抗滑性能、水穩(wěn)定性、粘結(jié)性能、抗老化性能等作為材料的控制指標(biāo),采用細(xì)粒式、密實(shí)型、粗集料斷級(jí)配的設(shè)計(jì)思想,采取增設(shè)7.2 mm的控制篩孔措施來提高7.2～9.5 mm粗集料的含量,從而提高瀝青混合料攤鋪后的宏觀構(gòu)造深度及表面紋理,并通過密實(shí)性來確保粘結(jié)能力、水穩(wěn)定性和抗老化性能,以提高超薄磨耗層的使用耐久性。AC-8密實(shí)型超薄磨耗層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為:結(jié)構(gòu)層厚度定為2 cm,集料最大公稱粒徑為7.2 mm,混合料設(shè)計(jì)空隙率為6%,層間粘結(jié)采用同步碎石封層工藝撒布改性瀝青防水粘結(jié)層。改性瀝青防水粘結(jié)層的熱瀝青撒布量為1.8～2.0 kg/m2,碎石為石灰?guī)r,滿鋪率為50%～60%,粒徑為9.5～13.2 mm。

2 原材料及混合料設(shè)計(jì)

2.1 瀝青膠結(jié)料

因結(jié)構(gòu)厚度較薄,路面表面層直接受光照、雨水、汽車輪胎摩擦等多種影響因素的作用,對(duì)瀝青膠結(jié)料的黏性和耐久度等指標(biāo)具有特殊的要求。因此,本文選用性能優(yōu)良的SBS改性瀝青膠結(jié)料[2],并對(duì)其針入度、軟化點(diǎn)、延度、動(dòng)力黏度及彈性恢復(fù)等指標(biāo)的要求,如表1所示。

2.2 集料技術(shù)指標(biāo)要求

密實(shí)型超薄磨耗層主要用于改善路面的抗滑性能、恢復(fù)道路表面功能、改善行車舒適性、延長使用耐久性。因此推薦選用輝綠巖、玄武巖、英安巖等耐磨性能好的路用集料。粗集料要求吸水率<2%且表面破碎面明顯、棱角分明。單粒粗集料的形狀近似正方體,表面粗糙且具有明顯的微小凹凸紋理。集料的壓碎值、軟石含量、含泥量等物理力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)要求如表2所示。

表2 超薄磨耗層集料技術(shù)指標(biāo)要求表

2.3 瀝青混合料級(jí)配組成研究

抗滑性能是瀝青混合料用作表面層時(shí)級(jí)配選擇的必要條件。在采用薄層結(jié)構(gòu)時(shí),由于傳統(tǒng)的連續(xù)密實(shí)型級(jí)配混合料的抗滑性能不符合要求,因此不適用于路面表面層。路面構(gòu)造深度是評(píng)價(jià)路面抗滑性能最直接、最有效的性能指標(biāo)。粗集料含量的高低直接影響構(gòu)造深度大小。因此,本文在保證其他路用性能指標(biāo)不受影響的情況下,通過改進(jìn)礦料級(jí)配,適當(dāng)增加粗集料含量,保證鋪筑材料表面具有足夠的構(gòu)造深度,從而提升其表面抗滑指數(shù)[3-4]。

2.3.1 礦料級(jí)配的改進(jìn)

我國目前用于礦料篩分的篩網(wǎng)在4.75～9.5 mm的區(qū)間內(nèi)未設(shè)有控制篩孔,實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)很容易導(dǎo)致粗集料的級(jí)配失控。為了解決這一個(gè)問題,本文提出增設(shè)7.2 mm篩孔控制點(diǎn)來規(guī)范4.75～9.5 mm區(qū)間內(nèi)粗集料分布的設(shè)想。本文以斷級(jí)配SAC-10混合料為研究對(duì)象,在4.75 mm以上的粗集料和4.75 mm以下的細(xì)集料含量與級(jí)配不變的情況下,調(diào)整4.75～7.2 mm區(qū)間和7.2～9.5 mm區(qū)間集料在混合料中的占比,進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)對(duì)比試驗(yàn),觀察混合料的空隙率、飽和度等指標(biāo)的變化情況。對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 不同7.2～9.5 mm占比的SAC-10混合料的指標(biāo)差異表

由表3可知,當(dāng)7.2～9.5 mm區(qū)間集料在粗集料中占比為0時(shí),空隙率及間隙率均為最大值,隨著7.2～9.5 mm區(qū)間集料含量逐漸增大,空隙率及間隙率卻逐漸減小。當(dāng)7.2～9.5 mm區(qū)間集料的含量從80%逐漸增大到100%時(shí),空隙率及間隙率略微增大,但增大的幅度不大[5]。同時(shí),采用不同的兩種搗實(shí)方法對(duì)北京玄武巖SAC-10混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)7.2～9.5 mm占比為60%左右時(shí),采用改錐及改錐加橡皮錘兩種不同方法搗實(shí)后的混合料VCAmix均達(dá)到了最小值;當(dāng)7.2～9.5 mm占比為80%左右時(shí),不搗實(shí)的混合料的VCAmix達(dá)到最小值,結(jié)果如表4所示。

表4 不同7.2～9.5 mm占比及搗實(shí)方法的SAC-10混合料的VCAmix結(jié)果對(duì)比表

由上述分析得知,增大7.2～9.5 mm區(qū)間粗集料含量可以提高混合料的密實(shí)度和抗滑能力的耐久性。因此,本文提出在進(jìn)行AC-8密實(shí)型超薄磨耗層級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí),增設(shè)7.2 mm的控制篩孔以提高粗集料含量的方案。通過這一方案的實(shí)施,可將鋪裝厚度減薄至2 cm。

2.3.2 級(jí)配組成

通過增設(shè)7.2 mm的控制篩孔提高混合料中7.2～9.5 mm區(qū)間集料含量后,AC-8密實(shí)型超薄磨耗層的推薦使用集料最大公稱粒徑為7.2 mm,4.75 mm集料通過率為35%,混合料設(shè)計(jì)空隙率為6%,具體推薦級(jí)配見表5。

表5 AC-8密實(shí)型超薄磨耗層混合料推薦級(jí)配表

2.3.3 混合料設(shè)計(jì)參數(shù)要求

采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行AC-8密實(shí)型超薄磨耗層瀝青混合料試驗(yàn),雙面擊實(shí)次數(shù)均為75次,并將擊實(shí)溫度控制在160 ℃～165 ℃。同時(shí),還通過瀝青膠結(jié)料與粗集料的粘附性試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)AC-8密實(shí)型超薄磨耗層瀝青混合料的水穩(wěn)定性。各項(xiàng)指標(biāo)的具體要求為:設(shè)計(jì)空隙率6%,動(dòng)穩(wěn)定度>3 000次/mm,相對(duì)變形>5%,粘附性試驗(yàn)值≥5級(jí),浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度≥85%,凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比≥80%。

3 在南友高速公路路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

2014年,南友高速公路日交通量約為19 346輛,貨車流量與客車流量的比值約為1∶4.39,部分瀝青面層出現(xiàn)了裂縫、輕微車轍、坑槽、掉粒、麻面、表面瀝青老化及抗滑性能衰減等病害。針對(duì)車流量及路面主要病害特征,本文提出了對(duì)南友高速公路下行線K45+000～K135+000路段,共約45 km,采取加鋪2 cm厚AC-8密實(shí)型超薄磨耗層進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的方案。

3.1 原路面病害處治方案

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),南友高速公路下行線K45+000～K135+000路段原路面病害特征主要有:

(1)絕大部分裂縫僅存在于表面層,尚未貫穿中、下面層。

(2)部分路面存在貫穿裂縫、疲勞拉裂、結(jié)構(gòu)網(wǎng)裂等結(jié)構(gòu)性裂縫。

(3)部分路面存在較嚴(yán)重的路面推移、深度>1 cm的車轍等明顯結(jié)構(gòu)性病害。

(4)部分已修補(bǔ)的路面坑槽壓實(shí)度等不符合要求。

根據(jù)以上病害特征,采用分類管理的原則對(duì)原有路面病害進(jìn)行處治:針對(duì)非結(jié)構(gòu)性裂縫,進(jìn)行灌縫處理;針對(duì)貫穿裂縫、疲勞拉裂、結(jié)構(gòu)網(wǎng)裂等結(jié)構(gòu)性裂縫,采取擴(kuò)縫或開槽填補(bǔ)并鋪設(shè)玻纖維格柵防裂措施;針對(duì)較嚴(yán)重的路面推移、深度>1 cm的車轍等明顯的結(jié)構(gòu)性病害,查明病害原因后進(jìn)行銑刨面層重鋪或車轍填充;針對(duì)已修補(bǔ)但壓實(shí)度等不符合要求的路面坑槽,挖除后重新按照規(guī)范要求修補(bǔ)。

3.2 使用效果評(píng)價(jià)

3.2.1 實(shí)體工程效果

加鋪前將原路面病害按照要求處治完成,并用小型銑刨機(jī)把沿路所有標(biāo)線全部清洗至原路面標(biāo)高,接頭部位向原路面深銑刨至4 cm成緩坡狀態(tài),完成后將界面清理干凈。防水粘結(jié)層施工須用標(biāo)定好的同步碎石封層車施作,且改性熱瀝青撒布溫度控制在175 ℃左右,撒布碎石溫度控制在70 ℃左右。AC-8密實(shí)型超薄磨耗層進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)前后車流量及路況指標(biāo)實(shí)測(cè)情況如表6所示。

表6 實(shí)施前后車流量及路況指標(biāo)一覽表

由表6可知,經(jīng)過鋪筑2 cm厚AC-8密實(shí)型超薄磨耗層進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后,南友高速公路下行線K45+000～K135+000路段的路況指標(biāo)、路面性能、行車舒適性、行車安全性等都得到了顯著提高,預(yù)計(jì)可延長使用壽命8年以上。其中路面抗滑指標(biāo)SRI提高了3.99,整體路況指標(biāo)MQI提升了2.22。從鋪筑完成后使用6年的數(shù)據(jù)來看,在車流量逐年上漲的情況下,路況指標(biāo)的衰減速度較慢,整體路況指標(biāo)優(yōu)良,AC-8密實(shí)型超薄磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果非常理想,設(shè)計(jì)使用年限的預(yù)期目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

與常規(guī)銑刨加鋪方案相比,AC-8密實(shí)性超薄磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)具有節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本、降低交通事故率等經(jīng)濟(jì)效益。AC-8密實(shí)性超薄磨耗層綜合單價(jià)約44元/m2,比常規(guī)銑刨加鋪4 cm厚AC-13瀝青混凝土單價(jià)低約36元/m2。自2014年鋪筑45 km后,AC-8密實(shí)性超薄磨耗層在南友高速公路逐年推廣應(yīng)用,2014—2021年共約實(shí)施255.24×104m2,節(jié)約養(yǎng)護(hù)投資約9.19億元。以南友高速公路為例,AC-8密實(shí)性超薄磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施實(shí)施后路面抗滑性能、安全性能等得到大幅度提高,每年降低交通事故率10%～20%,減少經(jīng)濟(jì)損失約450～580萬元。

3.2.3 社會(huì)效益分析

AC-8密實(shí)性超薄磨耗層的應(yīng)用不僅改善了道路路面行駛質(zhì)量,同時(shí)還有力地促進(jìn)交通與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、出行安全、自然環(huán)境的融洽與協(xié)調(diào)。除了南友高速公路外,AC-8密實(shí)性超薄磨耗層還在廣西百羅高速公路、柳桂高速公路、隆百高速公路、六宜高速公路等廣西多條高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中推廣應(yīng)用。這不僅大幅提升了已通車多年的高速公路路面行車舒適性、安全性,而且相應(yīng)道路沿線的社會(huì)效益也同步得到了提升。

4 結(jié)語

AC-8密實(shí)性超薄磨耗層在路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用效果好,可延長路面使用壽命8年以上,具有較高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

(1)在使用AC-8密實(shí)性超薄磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施之前,需要對(duì)原路面技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)原路面病害進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,根據(jù)分類管理、對(duì)癥下藥的原則進(jìn)行處理。

(2)在加鋪超薄磨耗層與原路面之間采用同步碎石封層工藝撒布改性瀝青防水粘結(jié)層,增強(qiáng)了層間粘結(jié)力及嵌鎖力,便于施工質(zhì)量控制。

(3)根據(jù)斷級(jí)配的設(shè)計(jì)思想,增設(shè)7.2 mm篩孔控制點(diǎn),規(guī)范了4.75～9.5 mm區(qū)間粗集料的級(jí)配組成,提高了混合料的密實(shí)性以及表面抗滑能力的耐久性,確保了級(jí)配及混合料性能的穩(wěn)定[1]。同時(shí),通過這種改進(jìn)方法將集料最大公稱粒徑降低至7.2 mm,從而將鋪裝厚度減薄至2 cm。