沥青纤维薄层罩面技术组成材料及配合比设计研究

刘剑刚��

【摘要】针对沥青纤维薄层罩面技术组成材料及性能要求进行深入探讨，深入分析纤维沥青封层的结构特点及罩面类型的选择，在此基础上，系统分析了沥青纤维薄层罩面技术材料选择及配合比设计，为沥青纤维增强封层原材料优选和组成设计优化提供理论依据及技术支撑。

【关键词】沥青纤维;薄层罩面;材料选择;配合比设计

Thin asphalt overlay technology fiber composition of materials and Mix Design Research

Liu Jian-gang

（Pingdingshan Highway Administration Central LaboratoryPingdingshanHenan467000）

【Abstract】In depth for a thin layer of asphalt overlay technology fiber composition of the material and performance requirements， in-depth analysis of the structural characteristics of fiber asphalt seal coat and overlay type of selection， on this basis， the system analyzes the thin asphalt overlay technology fiber material selection and mix design for asphalt sealing layer of fiber reinforced materials selection and design optimization of the composition provides a theoretical basis and technical support.

【Key words】Pitch fibers;Thin overlay;Material selection;Mix Design

1. 引言

薄层罩面是指适于铺筑介于传统的磨耗层（如40～50mm的沥青混凝土、SMA或多孔沥青等）和石屑封层（如6～14mm的表面处治或稀浆封层）之间的材料[1]。厚度一般为15～30mm，在一定程度上可以调整原路面的不平整度，但它必须铺在结构强度足够的下承路面上。据法国标准NFP98～137的定义[2]，非常薄面层（BBTM）的厚度为20～25mm;超薄面层（BBUM）的厚度为15～25mm。薄层罩面具有延长路面寿命、改善行驶质量、增加抗滑性和降低噪音等性能，且施工方便、厚度薄、造价低等优点，它逐渐发展成为一种很有前途的高等级公路养护罩面型式[3]。

2. 薄层罩面的选取

薄层罩面沥青混合料的种类很多，常用的有密实沥青混凝土（AC）、开级配磨耗层（OGFC）、沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）、多碎石沥青混凝土（SAC），对罩面层混合料类型的选择是罩面中需要解决的重要技术问题。

2.1密实沥青混凝土（AC）面层。

AC通常是连续型密级配，属于密实——悬浮结构，设计空隙率一般为3～5%，这种混合料中含有大量细料，粗料数量较少，且相互间没有接触，不能形成骨架，粗集料在混合料中呈悬浮状态，易离析，施工时易于压实。这种混合料粘结力较高、内摩阻力较小，故这种面层受沥青性质影响较大，高温稳定性较差，在高温、重载交通、渠化交通的作用下路面出现车辙的几率较大，水稳定性、抗滑性能等方面较差，比较容易损坏。

2.2开级配磨耗层（OGFC）面层。

OGFC（Open Graded Friction Courses）是指用大空隙沥青混凝土铺筑的能迅速从结构层内部排走路表雨水，具有防滑、抗车辙及降低噪音，减少溅水和水雾等功能的面层，也有国家称其为透水沥青面层（PA）或多空隙沥青混凝土表面层（PAWC），这种面层混凝土属于骨架——空隙结构，压实后一般具有 18～25%的空隙率，具有良好的表面特性，抗滑和高温稳定性能较好，缺点是空隙率较大使沥青老化加快，影响路面耐久性，加之路面空隙易被灰尘、污物堵塞，从而影响路面的预期功能，目前在美、日等国家使用较多，我国现在这种技术还不成熟，没有大范围推广。

2.3沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）面层。

SMA（Stone Mastic Asphalt）是上世纪 60 年代初德国为减少带钉轮胎对于路面的磨耗而开发出的一种断级配骨架——密实型沥青混凝土。SMA 同常规混凝土相比有“三多一少”的特点，即粗集料、矿粉和沥青含量多，细集料含量少。SMA 兼顾了路用性能的各个方面，如：抗辙槽能力强、抗滑性能好、抗磨耗能力强、老化慢、早期裂缝少、耐久性好。因此，在我国得到大力推广，技术已经比较成熟。

2.4多碎石沥青混凝土（SAC）面层。

（1）SAC 属于一种断级配骨架密实型混凝土。使用经验表明，在矿料颗粒组成变异性较小的情况下，SAC 空隙率小，可以提供良好的摩擦系数、表面构造深度及抗辙槽能力。SAC 自1988 年至今在高速公路上已铺筑了1500 多公里，使用中也暴露了一些问题，主要是有些路段通车后出现了明显的早期水损坏，一些路段上程度不同地发生泛油现象，使表面构造深度明显下降，抗滑能力减小[4]。

（2）通过对常用几种混合料进行对比分析，发现 SMA 的高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳性能和抗滑性能都要优于 SAC;SMA 路面的抗滑能力、抗疲劳性、耐水损害的能力都要优于AC;OGFC 的高温性能及抗滑、降噪等各种表面功能有所提高，但是以牺牲路面的耐久性和抗裂性能为代价，且这种技术在我国的推广应用受到限制。基于上述分析比较，最终选择 SMA-10作为纤维增强封层的薄层罩面进行研究。

3. 组成材料选取

3.1沥青结合料。

薄层罩面 SMA 混合料对沥青结合料的质量必须满足沥青玛蹄脂的需要，有较高的粘度，符合一定的要求，以保证有足够的高温稳定性和低温抗裂性。在我国，要求必须采用符合“重交通道路沥青技术要求”[5]，但并不强制要求使用改性沥青。由于SMA沥青用量较多，易引起泛油，故多采用稠度较大（较硬）一些沥青。薄层沥青罩面具有较大的空隙，与一般的沥青混凝土相比，更易受日光、空气、水等的影响，因此要求使用的沥青对集料有耐久性的包裹力、高粘附性，同时还要有较强的抗剥离性，能以较厚的薄膜包裹集料等各种高性能，因此一般采用软化点和粘度指标较高的改性沥青。本文选用 SBS 改性沥青，其各项指标见表 1。

3.2集料。

3.2.1粗集料。

从 SMA 成型机理可知，它之所以有较高的高温稳定性，是基于含量较多的粗集料之间的嵌挤作用，嵌挤作用的好坏在很大程度上取决于集料石质的坚韧性、颗粒形状和棱角性。用于薄层罩面 SMA 的粗集料应均匀、洁净、干燥、无风化、无杂质，并且有足够的强度、耐磨耗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗冲击性、耐磨光性、抗破碎性以及与沥青良好的粘附性，必须符合抗滑表层混合料的技术要求，必须严格限制集料的扁平颗粒含量[6];所使用的碎石不能用颚板式轧石机破碎，要用捶击式或锤式碎石机破碎。粗集料最好玄武岩或花岗岩等硬质石料，且要保证与沥青具有较好的粘附性。本文选用玄武岩，为了减小试验误差，所用碎石全部采用单一粒径并水洗后备用，依据《公路工程集料试验规程（JTG E42-2005）》对各粒径碎石进行试验，粗集料（粒径≥2.36mm）各项常规指标试验结果见表2。

3.2.2细集料。

细集料在 SMA 中占很少比例，但对其性能影响却不小，天然砂、石屑和机制砂都可用于混合料，但性能差别很大。天然砂经过多年的风化、搬运，一般比较坚硬，耐久性较好，但颗粒基本上是球形颗粒，与沥青粘附性差，对高温抗车辙能力不利;石屑是破碎石料时的下脚料，其中扁平颗粒含量较高，且强度较差，故要限制其使用;机制砂有良好的棱角性和嵌挤性能，对提高高温稳定性有利。细集料应洁净、干燥、无风化和杂质。本论文采用玄武岩机制砂，为了减少颗粒级配不稳定带来的误差，所用机制砂全部采用单一粒径并水洗烘干后备用。依据《公路工程集料试验规程（JTG E42-2005）》进行试验，其各粒径主要指标试验结果如表3 所示。

3.2.3填料。

填料通常指矿粉，有时还用水泥、消石灰、粉煤灰替代矿粉。矿粉在沥青混合料中的作用至关重要，沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对粗、细集料产生粘附作用。矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料磨细得到，矿粉应干燥、洁净、不含杂质[7]。本文采用石灰岩磨细矿粉，依据《公路工程集料试验规程（JTG E42-2005）》进行试验，其质量要求如表 4所示。

表3细集料质量要求

3.3纤维。

在 SMA 混合料中一般掺加纤维作为稳定剂，NCAT 的研究表明，掺加纤维防止沥青析漏的功效比聚合物改性沥青的效果要好的多[8]，纤维的主要作用有：加筋作用、分散作用、吸附及吸收沥青的作用、稳定作用和增粘作用。本研究采用松散的絮状木质素纤维作为稳定剂，它是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对人体无害，属绿色环保产品，这是其它矿物质素纤维所不具备的，且比较经济实惠，得到了广泛应用。木质素纤维的质量检测结果见表 5。

表5木质素纤维试验结果

3.4薄层罩面的配合比设计。

（1）沥青混合料配合比设计主要包括矿料级配与最佳沥青用量的确定两部分。SMA配合比设计主要包括集料骨架和沥青玛蹄脂填充料的设计。不同的矿料级配构成不同的骨架结构，SMA 属于骨架——密实型结构，这种沥青混合料具有较高的粘结力和内摩阻力，强度构成主要来源于沥青结合料的粘结力和集料间的内摩阻力，故SMA在集料和沥青结合料的选用上有一定的要求[9]。在级配的选择上，由于薄层罩面的特殊性，SMA-10级配范围在《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）基础上稍作调整（LSMA），增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄层罩面类型的级配范围见表6。

表6SMA-10级配范围

（3）因此，采用马歇尔试验设计方法 SMA 沥青混合料的最佳油石比为6.0%，并采用谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验对沥青混合料性能进行检验，其试验结果见表8。

表8析漏、飞散试验结果

（4）由上述检验结果可知，其析漏、飞散指标均满足规范要求，故最终确定 SMA沥青混合料最佳油石比为6.0%。

（5）沥青路面的路用性能主要包括高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗滑性等。只有保证路面具有优良的路用性能，才能使路面经久耐用、运行安全和舒适。薄层罩面SMA-10的路用性能试验结果如表9。

表9薄层罩面SMA-10的路用性能试验结果

t： minor-fareast;mso-hansi-font-family：Calibri;mso-hansi-theme-font：minor-latin'>，增大了2.36mm和4.75mm集料的用量，不同薄层罩面类型的级配范围见表6。

表6SMA-10级配范围

（6）由上述试验结果可知，路用性能指标均满足规范要求，因此，薄层罩面的配合比设计满足要求。

4. 小结

（1）通过对常用薄层罩面类型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能进行对比分析选择 SMA 混合料作为薄层罩面类型。 同时对薄层罩面 SMA-10 的原材料进行研究分析，沥青、矿料均满足要求。

（2）通过对薄层罩面SMA进行马歇尔试验及路用性能检验进行配合比设计，确定SMA-10的级配范围和沥青用量。

（3）成果为纤维沥青薄层罩面技术材料优选及组成设计优化提供理论依据及技术支撑。

参考文献

[1]长安大学、陕西省公路局.沥青路面抗滑表层技术研究[R]，2004.7.

[2]Brosseaud Y， Bellanger J， Gourdon J， Thinner and Thinner Asphalt Layers for the Maintenance of French Roads. Transportation Research Record TRR1334，1992.

[3]刘少伟等.五种方案薄层沥青混凝土罩面试验段的比较分析和评价[C].中国公路学会学术年会论文集.2005.

[4]沙庆林.沥青面层的技术状况和发展方向[J].公路，2003，（8）：1～4.

[5]张玉富，杨瑞华，许志鸿.SMA 和 SAC 的路用性能比较[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，刘刚.高速公路沥青路面养护罩面层混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄层罩面的 AC-10 沥青混凝土级配组成及路用性能的研究[D]西安：长安大学硕士学位论文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面设计与铺筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陈李峰.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].现代交通技术，2009.4（6）：1～3.

[基金项目]河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-816

[作者简介] 刘剑刚（1973-），男，籍贯：河南平顶山人，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术工作。

4. 小结

   （1）通过对常用薄层罩面类型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能进行对比分析选择 SMA 混合料作为薄层罩面类型。 同时对薄层罩面 SMA-10 的原材料进行研究分析，沥青、矿料均满足要求。

   （2）通过对薄层罩面SMA进行马歇尔试验及路用性能检验进行配合比设计，确定SMA-10的级配范围和沥青用量。

   （3）成果为纤维沥青薄层罩面技术材料优选及组成设计优化提供理论依据及技术支撑。

参考文献

[1]长安大学、陕西省公路局.沥青路面抗滑表层技术研究[R]，2004.7.

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[3]刘少伟等.五种方案薄层沥青混凝土罩面试验段的比较分析和评价[C].中国公路学会学术年会论文集.2005.

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[5]张玉富，杨瑞华，许志鸿.SMA 和 SAC 的路用性能比较[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，刘刚.高速公路沥青路面养护罩面层混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄层罩面的 AC-10 沥青混凝土级配组成及路用性能的研究[D]西安：长安大学硕士学位论文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面设计与铺筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陈李峰.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].现代交通技术，2009.4（6）：1～3.

[基金项目]河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-816

[作者简介] 刘剑刚（1973-），男，籍贯：河南平顶山人，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术工作。

4. 小结

   （1）通过对常用薄层罩面类型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能进行对比分析选择 SMA 混合料作为薄层罩面类型。 同时对薄层罩面 SMA-10 的原材料进行研究分析，沥青、矿料均满足要求。

   （2）通过对薄层罩面SMA进行马歇尔试验及路用性能检验进行配合比设计，确定SMA-10的级配范围和沥青用量。

   （3）成果为纤维沥青薄层罩面技术材料优选及组成设计优化提供理论依据及技术支撑。

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[5]张玉富，杨瑞华，许志鸿.SMA 和 SAC 的路用性能比较[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，刘刚.高速公路沥青路面养护罩面层混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄层罩面的 AC-10 沥青混凝土级配组成及路用性能的研究[D]西安：长安大学硕士学位论文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面设计与铺筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陈李峰.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].现代交通技术，2009.4（6）：1～3.

[基金项目]河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-816

[作者简介] 刘剑刚（1973-），男，籍贯：河南平顶山人，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术工作。

4. 小结

   （1）通过对常用薄层罩面类型 AC、OGFC、SMA 和 SAC 的路用性能进行对比分析选择 SMA 混合料作为薄层罩面类型。 同时对薄层罩面 SMA-10 的原材料进行研究分析，沥青、矿料均满足要求。

   （2）通过对薄层罩面SMA进行马歇尔试验及路用性能检验进行配合比设计，确定SMA-10的级配范围和沥青用量。

   （3）成果为纤维沥青薄层罩面技术材料优选及组成设计优化提供理论依据及技术支撑。

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[5]张玉富，杨瑞华，许志鸿.SMA 和 SAC 的路用性能比较[J].上海公路，2009.2：45～47.

[6]姜景全，刘刚.高速公路沥青路面养护罩面层混合料的分析[J].北方交通，2007.8：4～6.

[7]李小松，用于薄层罩面的 AC-10 沥青混凝土级配组成及路用性能的研究[D]西安：长安大学硕士学位论文，2009.6.

[8]沈金安，李福普.SMA 路面设计与铺筑[M]北京：人民交通出版社，2003.

[9]李小青，王火明，陈李峰.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].现代交通技术，2009.4（6）：1～3.

[基金项目]河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

[文章编号]1619-2737（2014）10-20-816

[作者简介] 刘剑刚（1973-），男，籍贯：河南平顶山人，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术工作。