超薄磨耗层相关研究——小粒径骨架密实型级配构造深度研究

周骁琛

（上海城建日沥特种沥青有限公司，上海市201417）

0 引言

沥青路面在通车使用一段时间后，路表面的粗糙度或构造深度将会衰减，纵向平整度、横向平整度会降低。特别是高度渠化交通的高速公路，将影响道路的行车使用及安全性能。在未产生结构性病害的情况下，恢复改善高速公路的表面功能，并在一定程度上，增加高速公路的使用寿命，则需采用一定的预养护措施。

常用的预养护技术为：微表处、稀浆封层、开普封层、雾封层、碎石封层、薄层罩面等等。但在高速公路、高等级公路对路面的功能性及使用寿命的高要求下，使得有些预养护技术的使用效果并不佳。超薄磨耗层技术，因其较高的路用性能、较长的使用寿命越来越受到推崇。

超薄磨耗层虽然有其他预养护工法比拟不上的性能优势，但其本质上仍然是一层功能层，非结构层。原路面若有结构性损伤，则不适合进行薄层加罩。薄层通常为热拌薄层混合料+乳化沥青粘层油的组合结构。粘层油必须要有够高的粘结强度、抗剪强度，才能使薄层避免受到层间损坏。薄层铺装厚度一般为0.8～2.5 cm。这是因为《沥青路面施工技术规范》规定，对热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5～3倍，对SMA和OGFC等嵌挤型混合料不宜小于公称最大粒径的2～2.5倍，故超薄磨耗层的级配一般选择小粒径级配，级配最大公称粒径基本为10 mm以下。

超薄磨耗层作为功能层，虽然不似结构层需要很高的结构强度与抗变形能力，但表面层所需要的抗滑抗噪特性则极为需要。另外作为表面层也需避免出现水损害，骨料松散等早期破坏。这也就意味着薄层混合料的性能仍然有一定的要求，部分性能的要求甚至要高于普通的沥青混合料，故薄层混合料的级配设计仍然需要通过精心的研究。

1 国外研究现状

1.1 德国

德国在上世纪60年代中期，因为要克服道路的抗车辙问题，将原有的浇注式类型路面改进成SMA类型路面。其很好地解决了沥青路面的一些早期病害（如车辙，水损害），同时其较大的表面纹理又保证了其抗滑性，使得其快速在全世界应用开来。如今德国SMA级配最大公称粒径为5 mm、8 mm、11 mm3种，且较多地使用到小粒径级配进行薄层SMA铺装。铺装厚度为2～3 cm，可以说薄层SMA铺装在德国及部分周边国家已得到广泛应用。

1.2 美国

美国的薄层铺装历史较久远，从20世纪50年代使用开级配磨耗层OGFC，厚度1.5～2 cm，改进了碎石封层的一些问题，诸如碎石飞散等。在1992美国从法国引进了专用的设备，铺筑了Novachip超薄磨耗层。其为粗集料断级配类型，空隙率小于OGFC，为 13%～18%，铺筑厚度为 1～2 cm，其逐渐成为美国路面修复和预防性养护的最优推荐方案。到了2002年，美国已有26个州使用了Novahip超薄罩面技术。级配范围见表1所列。

表1 Novachip 9.5级配范围一览表

2 国内研究现状

我国对薄层罩面研究起步较晚，在上世纪80年代的时候，我国铺设了很多厚度仅为2 cm的热拌沥青混合料罩面。因沥青品质及级配问题，这种薄层类型的路面往往构造深度低，路用性能也不理想。

2003年我国引进Novachip专用设备在广韶高速公路的车辙病害维修中铺筑了2 km的试验路。然后在河南的安新路、广东的河惠路及京珠高速公路粤境南段均有Novachip的应用路段。近些年，浙江与北京高速也有了大规模应用。广东华南理工大学虞将苗教授在成熟的NOVACHIP技术体系上再进行了改进，开发了厚度仅为1cm的超薄沥青路面，还使用了高粘高弹沥青及SBS改性乳化沥青保证了混合料的耐久性。凌天清教授开发了低噪声橡胶沥青薄层罩面，其厚度为1.5 cm，使用了开级配设计，具有优良的排水抗噪特性。东南大学倪富健教授也研究了ECA易密实混凝土，为间断级配类型，在江西及浙江高速公路大规模应用，并且应用情况良好.

总结下来，在吸收了国外的技术经验之后，并且在早期的挫折教训之后，我国逐渐对薄层加罩有了很多的认识，研发了很多不错的产品。若按级配分类的话，可分为：间断级配SMA、AC、ECA、SAC，连续级配 AC，开级配 NOVACHIP、OGFC等等。这些级配有不同的特点，有不同的性能优势。前文已提出超薄磨耗层作为功能层，所要体现的关键性能（抗滑，抗飞散等），有更高的要求。故级配的选择应遵循这些关键性能而定。

3 研究内容

3.1 不同级配薄层混合料性能比较

前文已经介绍了国内外薄层混合料。现选出不同粒径不同级配的混合料进行比较，用特种SBS改性沥青作为沥青胶结料，对SMA-10,ECA-10,OGFC-10,NOVACHIP-10,AC-10,SMA-5,AC-5,OGFC-5进行性能比较。几种混合料空隙率与稳定度见表2所列。

从表2可以看出：-5类型级配稳定度略高于-10类型级配，空隙率较大的开级配类型稳定度越低。

（1）高温稳定性：用车辙试验比较各薄层级配高温稳定性,见图1所示。

图1 动稳定度实验结果柱状图

从图1中可以看出，-5级配比他同类型的-10级配动稳定度低，而间断级配与开级配类型要比连续级配动稳定度高，其中ECA-10动稳定最高，其增加了6.7 mm筛孔控制，增多了粗集料比例，使其比同为间断级配SMA类型的动稳定度还要高。

（2）水稳定性：用冻融劈裂抗拉强度比比较，见图2所示。

从图2中可以看出，混合料抗水损性能各级配都能大于75%，且虽然空隙率较低的AC与SMA类型混合料最优，但是也相差不大。抗水损性能与石料品质及沥青膜厚也有非常大的关系，不仅仅受级配类型的影响。故在优良的沥青及石料下，混合料的水稳定性都能得到保证。

抗飞散损失：用肯塔堡飞散损失率比较，见图3所示。

图2 冻融劈裂试验结果柱状图

图3 肯塔堡分散损失率实验结果柱状图

从图3中可以看出，混合料肯塔堡飞散损失率与级配的空隙率关系很大，开级配的混合料抗飞散损失率较差。粒径变小后，抗飞散损失率有了一定的减少。

（3）抗滑性能：用构造深度比较，见图4所示。

图4 构造深度实验结果柱状图

从图4中可以看出，开级配类混合料构造深度最高，间断级配构造深度优于连续级配，粒径变小后构造深度也随之降低。

分析如下：

（1）粒径变小，混合料高温性能与构造深度变小，肯塔堡反散损失下降。

（2）间断级配在高温稳定性及构造深度上优于连续级配。开级配抗飞散能力较弱，故容易发生骨料飞散。从结果上来看，骨架密实结构类型综合性能优秀，但是当使用小粒径级配时，骨架密实结构，构造深度仍不足。

综上所述，骨架密实结构综合性能最为优秀，但是构造深度不足，需优化。而级配设计中各筛孔通过率，油石比，纤维参量等等都会对混合料的构造深度产生影响，故研究这些因素中哪一个能显著影响混合料的构造深度，找到关键的控制点，从而能够改进小粒径骨架密实结构构造深度不足的弱点。

3.2 级配筛孔通过率与构造深度的关系研究

建立正交实验设计表，采用4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm筛孔通过率作为影响因素，每个因素采用三个水平值。水平值以骨架密实级配SMA-10级配中值为基础，4.75 mm通过率选用（42±3）%，2.36 mm通过率选用（25±3）%，0.075 mm通过率选用（10±1.5）%。

以固定油石比，纤维成型混合料，然后测量构造深度。其实验结果见表3所列。

表3 构造深度实验结果一览表

进行极差分析后，证明2.36 mm筛孔为3种筛孔中最显著影响构造深度的因素。其降低一定的百分点，构造深度有明显的提高，故在做薄层级配设计时，为得到更佳的构造深度，优先调整2.36 mm筛孔通过率是最可行的办法。

增加额外筛孔，研究粗集料级配组成变化对构造深度的影响。

增加6.7 mm筛孔与8 mm筛孔，调整6.7 mm，8 mm筛孔，固定其他筛孔通过率，观察构造深度变化，见表4所列。

表4 额外筛孔对构造深度的影响一览表

通过实验发现，8 mm及6,7 mm通过率的改变，在固定关键筛孔2.36 mm通过率时，对构造深度几乎没有影响。

3.3 纤维掺量与构造深度的关系研究

纤维掺量对构造深度的影响，见图5所示。

图5 纤维对构造深度的影响曲线图

由图5可以看出，纤维变化对构造深度影响不大，增加纤维掺量反而使构造深度有略微提高，但是纤维掺量的增多几乎不对空隙率造成影响，故可能是纤维作为沥青吸收剂，吸收了一部分沥青，而使表面构造深度增大。

3.4 油石比与构造深度的关系研究

油石比对构造深度的影响，见图6所示。

图6 油石比对构造深度的影响曲线图

从图6中可以看出，油石比与构造深度无明显关系。

原因是随着关键筛孔通过率固定，则空隙率不会随油石比少量变化而有明显变化，若加入的油量没有因过量而发生泛油，则不会对构造深度有太大的影响。

4 结语

（1）通过各级配性能试验比较，了解到小粒径级配类型中，开级配抗飞散能力较差，连续级配构造深度过低，而间断级配类型，骨架密实性结构综合性能优秀。

（2）骨架密实结构类型使用在小粒径级配中，其作为表面功能层，构造深度不足，需进行改进。

（3）以小粒径骨架密实结构型级配SMA-10级配曲线为例，研究各筛孔通过率对构造深度的影响过程中，发现2.36 mm筛孔通过率为最显著影响构造深度的因素。稍微降低关键筛孔通过率，可对构造深度有明显的改善。

（4）额外的筛孔控制，油石比变化，纤维掺量变化并不对构造深度有较明显影响。