基于甘肃兰州机场高速应用的NovaChip混合料性能研究

吴小虎

（甘肃兰州公路管理局，甘肃 兰州 730030)

0 引言

NovaChip是将15mm～25mm厚的断级配改性热沥青混合料NovaBinderTM摊铺 在NovaBondTM（聚合物改性乳化沥青粘层）上，使用超薄摊铺机进行施工。在实施过程中改性乳化沥青粘结层NovaBondTM喷洒与改性热沥青混合料NovaBinderTM摊铺同时进行，经压路机压实以后一次成型。超薄沥青混凝土面层起源于20世纪70年代的法国，主要作为沥青路面的表面层材料得以应用[1,2]。超薄磨耗层 NovaChip 系统在2002年开始引入中国，目前已经在全国十个省市开展应用，但对于NovaChip的研究仍不够深入，因此本文依托甘肃兰州机场高速实体工程项目，研究NovaChip以及专用的NovaBinder胶结料性能，以达到更加确定其性能，更好推广超薄磨耗层在国内的应用[3,4]。

1 项目概况

机场高速公路是甘肃省高速公路网的重要组成部分。起点位于G30连霍高速柳忠段兰州市天水路收费站，途径北龙口、忠和镇、树屏镇、终点位于中川机场。连接起G30和G6两条国家级高速公路，也是机场到兰州的中通道，在甘肃省的高速公路网中占有举足轻重的地位。机场高速公路全线总长65.85KM，由三部分组成，分别是柳忠高速天水路收费站至忠和立交段（简称柳忠段）、兰海高速忠和立交至树屏立交段（简称兰海段）、兰营高速全线（简称尹中段）。经观测，日平均交通量5万多辆，节假日达到7万多辆，且重型货车较多，交通通行压力和养护压力十分巨大。设计拟对机场高速公路全线完成全幅Novachip薄层罩面，厚度2.5cm，可以起到抗滑、降噪及雨天降低行车水雾的作用，罩面长65.975公里、面积140万平方米，该工程是Novachip薄层罩面技术应用的世界最大单体工程，并且首次尝试了夜间施工和错峰施工，实施后路面面层厚度为19cm。

2 NovaChip配合比设计

2.1 粗细集料

NovaChip作为表面层，首先得满足耐磨的要求。粗集料磨耗的常规评价方法为洛杉矶法和狄法尔法两种，必须同时符合要求。细集料除了要满足一般沥青路面规范的技术要求外，细集料不得采用天然砂，Novachip混合料采用与粗集料岩性一致的机制砂。对进场集料按规定进行检验。进场细集料堆放场地必须符合相关要求进行硬化，排水顺畅，必须设置大棚，呈台阶堆放。具体规范要求见表 1和 2。

表1 粗细集料性能指标

表2 细集料性能指标

2.2 填料

沥青混凝土路面宜采用洁净石灰岩扎制的碎石石料经研磨得到的矿粉作为填料，矿粉必须现场加工。严禁使用回收粉尘作为填料。矿粉必须干燥、清洁。进场集料按规定进行检验，每 50T 检验一次。不得采用拌和楼回收的粉尘，以确保沥青碎石的质量。散装矿粉采用储存罐存放，保持干燥，防止受潮。

2.3 改性沥青

NovaChip混合料系统使用的NovaBinder专用改性沥青应满足下表3的要求。

表3 改性沥青技术指标

2.4 外掺剂

如若所选用集料粘附性达不到设计要求，可添加42.5水泥作为抗剥落剂。对于提高集料粘附性的消石灰应满足国家有关规范要求，42.5水泥掺加必须单独设罐，但其用量宜控制在1.5%以内。

2.5 配合设计

Novachip超薄磨耗层混合料的设计方法不同于传统的热拌合沥青混合料的设计方法。混合料最佳用油量的确定基于Novachip超薄磨耗层系统体积特性的建议要求及油膜厚度指标。结合国内外Novachip超薄磨耗层配合比设计经验及Novachip-Type C沥青混合料空隙率比较大的特点，采用旋转压实方法成型试件。Novachip C型沥青混合料级配采用壳牌（中国）有限公司《Novachip（超薄磨耗层）系统设计施工指南》中的要求，本次级配设计过程中，根据集料的筛分结果首先初选出三个级配（级配1、级配2、级配3），然后根据工程实际应用情况选择油石比，采用旋转压实100次成型试件进行试验，得出试件的体积指标，根据体积指标及初始旋转次数压实度等。图1为三种级配曲线图。

参照项目所在地区沥青路面 Novachip C 型沥青混合料目标配合比的工程应用情况，选择油石比 5.1%作为三种试级配用油石比，旋转压实 100 次成型试件，级配3各项指标满足 Novachip C设计要求，结合当地情况及实践经验，本次设计拟选择级配3为设计级配。设计级配确定后，采用四个油石比分别为：4.7%、4.9%、5.1%、5.3%进行旋转压实试验。在选择设计油石比的试验时，压实次数 N 设计=100 次。结合设计经验和项目所在地区气候条件取设计油石比为5.1%，相对应的沥青混合料性质如表4所示。

图1 初选三个级配曲线

表4 沥青混合料体积性质表

3 NovaChip混合料性能研究

3.1 沥青的粘结强度试验

由于在 NovaChip 系统需要专用聚合物改性乳化沥青，采用特殊的配方进行设计，才能够实现热混合料层和下承层的有效粘结，因此对专用的Novabond改性乳化沥青的层间粘结性能进行研究，对5种常见粘结料进行拉拔试验，试验结果如图2。

图2 沥青粘结性能比对

由图2可知，五种沥青的粘结强度均随构造深度的增大而增大，Novabond改性乳化沥青的粘结强度优于其他四种沥青，但整体上Novabond改性乳化沥青的粘结强度收构造深度影响最大。

3.2 温度与剪切强度影响关系

为研究不同温度对Novabond改性乳化沥青粘结力的影响，在室内不同温度条件下对相同洒布量和相同空隙率的试件进行剪切试验，试验结果如图3。

图3 温度与剪切强度影响关系

由图3可以看出，沥青混合料粘层油界面粘结力剪切强度随温度的升高其剪切强度逐渐下降，当温度超过40℃时，沥青混合料之间的粘结力较低，路面容易破坏，这主要是由于在高温下沥青变为流动态，剪切强度降低。

3.3 空隙率与剪切强度影响关系

室内以不同空隙率的 Novachip 沥青混合料试件在相同温度条件下进行剪切试验，试验结果如图4。

图4 空隙率与剪切强度影响关系

由图4可知，Novachip 沥青混合料与普通沥青混合料之间的剪切强度随空隙率的变化而变化，当空隙率较小或较大时其剪切强度都较低，空隙率在 12%左右时其剪切强度较高，所以在实际施工过程中应随时检测Novachip 沥青混合料的空隙率以确保混合料之间的粘结力，提高工程质量。

3.4 冻融与剪切强度影响关系

室内以不同空隙率的 Novachip 沥青混合料试件在-18 度到60度之间的温度条件下进行多次冻融循环后，测其剪切强度，试验结果如图5。

图5 冻融与剪切强度影响关系

由图5可知，不同空隙率的 Novachip 沥青混合料与普通沥青混合料经过多次冻融循环之后，其剪切强度随着空隙率的增大而降低，且受孔隙率影响较大。

4 结论

本文以甘肃省兰州公路局利用NovaChip技术在机场高速大修的应用为基础，研究了NovaChip技术中原材料的性能要求以及配合比设计方法，并通过对专用的Novabond改性乳化沥青的粘结性能研究得到以下结论：

1）沥青混合料粘层油界面粘结力剪切强度在温度超过40℃时最低，路面容易破坏；

2）Novabond改性乳化沥青的粘结强度优于其他四种沥青，但受构造深度影响较大；

3）Novachip 沥青混合料空隙率在12%左右时其剪切强度较高，在实际施工过程中应随时检测 Novachip 沥青混合料的空隙率以确保混合料之间的粘结力，提高工程质量；

4）Novachip 沥青混合料经过多次冻融循环之后，其剪切强度随着空隙率的增大而降低，且受孔隙率影响较大。