NovaChip加鋪瀝青混合料性能提升評價

孫棲梧

（湖南高速設(shè)計咨詢研究院有限公司， 湖南 長沙 410076）

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展，中國公路建設(shè)逐漸從以新建為主轉(zhuǎn)向建設(shè)和養(yǎng)護并重。同時，在《交通強國建設(shè)綱要》等戰(zhàn)略實施背景下，公路建設(shè)的質(zhì)量提出了更高要求［1］。瀝青路面是中國公路高級路面之一，目前現(xiàn)有瀝青路面結(jié)構(gòu)承載性能整體良好，但抗滑和平整度等指標(biāo)存在衰減快的問題。超薄磨耗層技術(shù)作為一種可快速提升舊路面抗滑、平整度等缺陷的技術(shù)，同時具有良好的經(jīng)濟性，因此，超薄磨耗層技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用［2-7］。

NovaChip 超薄磨耗層是一種間斷級配骨架空隙結(jié)構(gòu)，已成為近年來中國最常采用的超薄加鋪養(yǎng)護技術(shù)之一［8-14］。該技術(shù)采用專門的機械設(shè)備（NovaPaver），在破乳的乳化瀝青（NovaBond）上進(jìn)行混合料鋪筑，對瀝青路面上的輕型車轍和裂縫具有較好的修復(fù)作用［15］。在中國，該技術(shù)的研究相對滯后。目前，對其的研究仍主要集中在相關(guān)實體工程的性能驗證分析及材料優(yōu)選方面。李曉龍等［16］研究了高溫條件下NovaChip 加鋪層的層間抗剪性能的影響因素。葉偉［17］探究了改性乳化瀝青材料對加鋪層的層間黏結(jié)效果的影響，并取得了初步應(yīng)用。錢普舟等［18］結(jié)合工程實踐，探究了加鋪前拋丸處治、層間施工工藝以及黏層油類別等對NovaChip加鋪效果的影響。還有不少學(xué)者分析了瀝青種類、壓實施工溫度對NovaChip路用性能的影響［19-20］。

目前的研究主要集中在加鋪前超薄磨耗層使用性能分析以及在加鋪時的層間處治效果評價方面，而對加鋪后整體性能提升的評價研究相對較少。因此，本研究擬采用加鋪后復(fù)合試件進(jìn)行設(shè)計試驗，通過小梁彎曲試驗、三點彎曲疲勞試驗以及改進(jìn)的車轍試驗，分別對不同黏層灑布量下復(fù)合試件的抗彎拉性能、疲勞性能、浸水后的高溫穩(wěn)定性以及抗松散性能進(jìn)行分析。同時，研究黏層灑布對這些性能的影響效果，以期為超薄磨耗層技術(shù)在公路養(yǎng)護中的應(yīng)用提供更加全面的評價。

1 原材料與試驗設(shè)計

1.1 原材料

1） 瀝青材料。

試驗采用由殼牌公司生產(chǎn)的專用NovaBinder改性瀝青作為超薄磨耗層膠結(jié)料，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 NovaBinder改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of NovaBinder modified asphalt

在進(jìn)行超薄磨耗層施工前，需要對原瀝青路面鋪設(shè)黏層油（乳化瀝青）的灑布，試驗采用的乳化瀝青為改性乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of modified emulsified asphalt

表3 NovaChip超薄磨耗層路用性能試驗結(jié)果Table 3 Road Performance test results of NovaChip ultrathin abrasion layer

關(guān)于成型瀝青的下承層，采用常用的AC-13 混合料，并使用符合規(guī)范要求的SBS I-D 改性瀝青作為瀝青材料［21］。

2） 集料。

采用玄武巖作為粗集料，按粒徑分檔。

① 粒徑為（4.750，9.500］ mm 的集料劃分到［5.000，10.000） mm檔；

② 粒徑為（9.500，13.200］ mm 的集料劃分到［10.000，15.000］ mm檔。

細(xì)集料則選用石灰?guī)r，粒徑為［0.00，4.750］ mm的集料劃分到［0.000，5.000） mm 檔。依照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005），對所選的集料進(jìn)行檢測［22］，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求［21］。

3） 礦粉。

選用石灰?guī)r研磨礦粉作為填料，其各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求［21］。

1.2 NovaChip超薄磨耗層配合比設(shè)計

結(jié)合工程經(jīng)驗，采用了馬歇爾法進(jìn)行NovaChip超薄磨耗層的配合比設(shè)計。設(shè)計參照NovaChip 推薦級配（Type C 類型）［14］，合成級配如圖1 所示。在各檔集料摻配比例中，礦粉占9.5%，［0，5） mm 檔占19.0%，［5，10） mm 檔占22.0%，［10，15］ mm 檔占49.5%。通過體積指標(biāo)試驗分析，確定了最佳油石比為5.0%。再對混合料進(jìn)行高溫（車轍試驗）、低溫（小梁彎曲試驗）及水穩(wěn)（浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗）性能分析，試驗結(jié)果顯示該混合料符合規(guī)范中對SMA-13性能的要求［21］，見表2。

圖1 NovaChip超薄磨耗層合成級配Fig. 1 Synthetic gradation of NovaChip ultra-thin abrasion layer

1.3 試驗設(shè)計

為評價加鋪NovaChip 超薄磨耗層對混合料性能的提升效果，采用小梁彎曲試驗、三點彎曲疲勞試驗及改進(jìn)的車轍試驗，分別對加鋪前后的混合料試件進(jìn)行測試分析。同時，考慮黏層施工質(zhì)量對層間黏結(jié)效果影響，還研究了不同黏層油灑布量對這些性能提升效果的影響。

2 小梁彎曲試驗

試驗采用300 mm×300 mm×70 mm 的雙層車轍板試件進(jìn)行研究。這種雙層車轍試件的具體構(gòu)造為：下層采用SBS改性AC-13混合料，制成300 mm×300 mm×50 mm 的車轍試件；上層采用300 mm×300 mm×20 mm的NovaChip超薄磨耗層。

復(fù)合試件成型過程如下：

1） 采用標(biāo)準(zhǔn)車轍試件成型方法，制備出50 mm厚的車轍試件。試件成型后，將其脫模，并放入高度為70 mm的定制車轍試模中。

2） 在下層車轍試件表面灑布乳化瀝青，其灑布量分別為0.6、0.8、1.0、1.2 kg/ m2。

3） 待乳化瀝青破乳后，使用NovaChip超薄磨耗層混合料來成型上層試件。冷卻后將試件脫模，并切割成多塊小梁試件。

考慮到規(guī)范中小梁彎曲試件的尺寸大小為250 mm×30 mm×35 mm［23］，綜合考慮加鋪路面結(jié)構(gòu)的實際厚度及試驗的可操作性，本研究的無加鋪層試件采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸，該復(fù)合試件尺寸大小為250 mm×30 mm×55 mm。其中，復(fù)合試件下層高度為35 mm，加鋪磨耗層高度為20 mm，具體構(gòu)造如圖2 所示。試驗在15 ℃的溫度下進(jìn)行，加載速率為50 mm/ min。

圖2 雙層試件示意Fig. 2 Schematic diagram of double-layer specimen

采用這些試驗方法，分別測得各小梁試件的最大破壞荷載，測試結(jié)果圖3所示，具體數(shù)據(jù)見表4。

圖3 小梁彎曲試驗結(jié)果隨乳化瀝青灑布量變化Fig. 3 Variation of trabecular bending test results with emulsified asphalt spreading volume

表4 15 ℃小梁彎曲試驗結(jié)果Table 4 Trabecular bending test results at 15℃

從圖3可以看出：

1） 通過加鋪NovaChip超薄磨耗層，試件抗荷載能力得到了顯著提升。相比沒有磨耗層的試件，加鋪后的試件破壞荷載提升了36.4% ～ 82.5%。這是由于加鋪試件的厚度增加，提高了試件的整體抗彎拉性能。還發(fā)現(xiàn)在灑布黏層上、下兩層的黏結(jié)成型效果良好，整體效果優(yōu)良，有效發(fā)揮了加鋪層的承載作用。

2） 隨著乳化瀝青灑布量的變化，試件的最大破壞荷載與乳化瀝青灑布量的曲線為下開口拋物線。這是因為黏層油的灑布有助于提升復(fù)合試件的成型效果，但當(dāng)灑布量過大時，復(fù)合試件整體的抗彎拉性能會下降。根據(jù)NovaChip 超薄磨耗層的設(shè)計思想，黏層油應(yīng)該上透至NovaChip 超薄磨耗層混合料底部約1/3 層厚處。當(dāng)灑布量過大時，黏層油滲透深度過大，瀝青含量過高，可能會破壞上層試件的骨架結(jié)構(gòu)，從而降低其承載強度。

綜上所述，當(dāng)灑布量為0.8 ～ 1.0 kg/ m2時，復(fù)合試件的整體抗彎拉性能最佳。

3 三點彎曲疲勞試驗

根據(jù)小梁彎曲試驗的結(jié)果，以及表4 中所列的不同乳化瀝青灑布量下各試件的最大破壞荷載PB，對復(fù)合試件進(jìn)行了疲勞試驗。在疲勞試驗中，分別采用了0.3、0.4、0.5、0.6 的應(yīng)力比水平，施加應(yīng)力P=PB×Si（Si為應(yīng)力水平），試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz。不同乳化瀝青的灑布量以及各應(yīng)力水平下的測試應(yīng)力見表5。

表5 三點彎曲疲勞試驗測試應(yīng)力Table 5 Stress was measured by three point bending fatigue test kN

根據(jù)表5 的計算結(jié)果，對各試件進(jìn)行不同應(yīng)力水平下的三點彎曲疲勞試驗。疲勞壽命試驗的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)力水平疲勞試驗結(jié)果Fig. 4 Fatigue test results of different stress levels

從圖4可以看出：

1） 隨著應(yīng)力水平的增加，所有試件的疲勞性能均出現(xiàn)了大幅度衰減。無論在哪個應(yīng)力水平下，沒有加鋪磨耗層的試件的疲勞壽命都是最短的。應(yīng)力水平越低，疲勞壽命的提升效果就越顯著。當(dāng)應(yīng)力水平為0.3 時，無加鋪磨耗層的試件疲勞次數(shù)為8 712 次，而加鋪磨耗層后的試件疲勞次數(shù)最低為12 748 次，最高可達(dá)16 993 次，疲勞壽命至少提高了46%。當(dāng)應(yīng)力水平增加至0.6 時，沒有加鋪磨耗層的試件疲勞次數(shù)降低至675 次，而加鋪磨耗層后的試件疲勞次數(shù)最低為1 244 次，疲勞壽命至少提高84%。總體而言，無論哪個應(yīng)力水平下，加鋪NovaChip 超薄磨耗層能顯著提升瀝青混合料的疲勞壽命。

2） 當(dāng)乳化瀝青的灑布量分別為0.8、1.0 kg/m2時，混合料的疲勞壽命最長，而且二者相當(dāng)接近。其他試件的疲勞壽命大小順序依次為1.2 kg/m2、0.6 kg/m2和無加鋪試件。在沒有加鋪NovaChip超薄磨耗層的情況下，瀝青混合料試件的疲勞壽命相比于加鋪NovaChip 超薄磨耗層時的疲勞壽命有大幅度降低，但無論是小梁彎曲試驗還是疲勞試驗，持續(xù)增大乳化瀝青的灑布量并不會使得瀝青混合料的疲勞壽命持續(xù)增長。這是因為過少的灑布量會導(dǎo)致上層混合料與下層混合料之間的黏結(jié)性不足，從而使疲勞壽命的增長受限。隨著乳化瀝青用量的增加，上下層之間黏結(jié)所需的乳化瀝青逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，持續(xù)增大用量反而會造成黏層油過剩，降低預(yù)期的黏結(jié)效果，影響整體的受力性能。

4 改進(jìn)車轍試驗

由于在設(shè)計NovaChip 混合料時已經(jīng)進(jìn)行了車轍試驗等路用性能的驗證，考慮到超薄磨耗層的施工厚度一般較?。s為20 mm），在荷載作用下，特別是在水-力耦合條件下，容易產(chǎn)生松散。為了評估加鋪后磨耗層的抗松散性能，對車轍試驗進(jìn)行如下改進(jìn)：

1） 在試驗前，將車轍試件稱重，并置于60 ℃的水中浸泡5 h。

2） 擦干水分后，將試件置于60 ℃的車轍試驗箱中進(jìn)行車轍試驗。

3） 車轍試驗完成后，用毛刷刷掉表層的松散集料顆粒。

4） 將車轍試件烘干至恒重，然后稱取試件的質(zhì)量。

5） 分別測試試件的動穩(wěn)定度和集料松散率。

試驗得到的試件動穩(wěn)定度及加鋪前、后試件松散量的結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同乳化瀝青灑布量下改進(jìn)車轍試驗結(jié)果Fig. 5 Improved rutting test under different emulsified asphalt sprinkling amounts

從圖5可以看出：

1） 加鋪NovaChip超薄磨耗層后，復(fù)合試件的動穩(wěn)定度顯著提升，這說明加鋪層有效地增強了試件在浸水后的高溫穩(wěn)定性。與沒有加鋪層的試件相比，加鋪后的試件的動穩(wěn)定度提升了約10%。在不同黏層油灑布量下，復(fù)合試件的動穩(wěn)定度差異較小，且沒有明顯的變化規(guī)律。這表明黏層油的灑布量對試件高溫穩(wěn)定性沒有顯著影響。在浸水后，復(fù)合試件的黏結(jié)效果良好，沒有形成潛在的脫層剝落風(fēng)險。

2） 在車轍試驗完成后，復(fù)合試件的松散質(zhì)量明顯小于無磨耗層試件的，且在灑布量為0.8～1.0 kg/ m2時，松散量較小。這是因為當(dāng)層間黏結(jié)良好時，車轍試驗中的集料松散主要發(fā)生在試件的表層。由于NovaChip 超薄磨耗層具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在濕熱耦合加載條件下，它不僅具有優(yōu)異的抗車轍性能，還具優(yōu)秀的抗松散能力。

5 結(jié)論

通過進(jìn)行小梁彎曲試驗、三點彎曲疲勞試驗以及改進(jìn)的車轍試驗，評估了在不同黏層油灑布量下，加鋪NovaChip 超薄磨耗層對瀝青混合料性能的提升效果，得到以下結(jié)論：

1） 加鋪NovaChip超薄磨耗層后，瀝青混合料抗彎拉性能得到了提升，復(fù)合試件的破壞荷載提高了36.4% ～ 82.5%。超薄磨耗層還能顯著延長瀝青混合料的疲勞壽命，尤其是在較低的應(yīng)力水平下，該提升效果更顯著。

2） 通過改進(jìn)的車轍試驗，加鋪NovaChip超薄磨耗層可以使動穩(wěn)定度提升約10%，并且層間黏層油的灑布量對提升效果沒有顯著影響。

3） 黏層油的灑布量對復(fù)合試件的抗彎拉性能、疲勞壽命及改進(jìn)車轍試件的松散率具有顯著影響，并且灑布量與復(fù)合試件的抗彎性能、疲勞壽命及改進(jìn)車轍試件的松散率之間的函數(shù)關(guān)系均為下開口拋物線。綜合考慮，推薦乳化瀝青黏層油的灑布量為0.8～1.0 kg/ m2。