高性能薄层罩面在沥青路面预养护中的应用

曹建新，张京锋，任 民

(1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060； 2.广州市市政实业有限公司，广东 广州 510095； 3.上海孙祖望路桥技术研究公司，上海 200092)

0 引 言

薄层罩面是一种传统的养护技术，在发展过程中曾经遇到过一些困难，主要是由于铺层薄、散热快、吸收压实功的能力又差，通常不能采用振动压实，因而难以获得强度和耐久性要求的最佳空隙率。由于这一原因，美国许多州都将薄层罩面的厚度放宽至38 mm (1.5 in)，该值于是成为最常用的薄层罩面厚度。但是随着厚度的增加，造价也相应地增加[1]。在20世纪80～90年代，对薄层罩面结构厚度与集料公称最大粒径(NMAS)比例的要求为1.5∶1～3.0∶1，混合料的粗集料较多，吸收压实能量的能力差，施加过多压实功，将导致大量粗集料压碎，因而不能满足25 mm薄层罩面的要求。除此之外，薄层罩面与原路面界面的应力负荷过大和层间结合不良，也是薄层罩面容易出现的问题[2-3]。

由于以上问题，常规薄层罩面难以获得良好的成本效益。在20世纪80～90年代，薄层罩面的平均寿命通常只有4～6年，面对迅速发展的微表封层技术，显得缺乏竞争力。

美国SHRP计划的H-101课题“路面预养护的有效性”对4种传统的预防性养护技术进行试验研究，随后的路面长期性能(LTPP)研究项目SPS-3对这4种养护技术的效果进行长期跟踪分析，结果表明：只有在干燥、严寒的地区，薄层罩面与微表封层相比才有一定的优势，在其他气候条件下，薄层罩面的成本效益远不如微表封层(表1)[4-5]。

表1 各种表面处理技术与石屑封层的年费用之比

进入21世纪后，得力于许多新技术的应用，薄层罩面有了很大的技术进步，在大交通量道路的预防性养护中广泛应用。近20年来，薄层罩面技术的新发展主要表现在以下方面。

(1)受20世纪90年代“NovaChip”超薄磨耗黏结层技术的启发，采用SBS含量5%以上的高性能改性沥青、橡胶沥青等高黏度结合料来改善集料颗粒之间的结合强度；采用高性能、无轮迹的改性乳化沥青并提高单位面积的洒布量，改善薄层罩面与原路面之间的黏结强度[6-10]。

(2)采用NMAS更小的集料进行热拌沥青混合料配合比设计，将密级配混合料铺层厚度与NMAS之比加大至3∶1 ～ 5∶1。细级配沥青混合料不仅更加容易压实，而且在同样的空隙率下，由于细料和沥青的堵塞作用，降低了连通空隙的比例，从而大大降低了密级配混合料透水的风险[11-12]。图1展示了NMAS和空隙率对混合料透水性能的影响[13]。从图1中可见，对于NMAS为4.75 mm的混合料，在空隙率高达8%～10%时仍然是不透水的，而NMAS为9.5 mm的混合料在空隙率为9%时，NMAS为12.5 mm的混合料在空隙率为7%时，NMAS为19 mm的混合料在空隙率为6%时，都是明显透水的。

图1 空隙率和NMAS对混合料透水性的影响

(3)在混合料设计方面，除了传统的密级配混合料外，大量采用了SMA等骨架密实型断级配混合料，大大改善了薄层罩面抗车辙的能力[14]。

(4)在施工方面，采用对改善薄层罩面压实质量有重要影响的新技术。一是利用温拌技术来降低对混合料压实温度的要求。通常厚度为25 mm的薄层罩面温度从150 ℃下降至80 ℃的时间要比厚度为40 mm的常规沥青路面磨耗层快1倍，采用温拌沥青混合料可以大幅延长混合料的可压实时间[15]。二是采用高频振动压实、振荡压实、智能压实等新的压实技术来降低过度压实的风险，其中振荡压实由于没有垂直方向的振动、滚轮不会脱离路面，更加适合薄层罩面压实[16-17]。

以上这些新技术的应用使薄层罩面的概率寿命延长至8～10年，大大改善了薄层罩面的成本效益，也为进一步减小薄层罩面的厚度提供了条件。采用常规摊铺设备铺筑高性能薄层和超薄层罩面，就是美国密歇根、得克萨斯等州在上述背景下开发的预防性养护新技术。TxDOT最初将此种超薄罩面称为裂缝衰减型混合料超薄罩面(Crack Attenuating Mix Ultra Thin Overlay)，以示与常规密级配混合料超薄罩面的区别，从2015年起改称为高性能超薄罩面(High Performance Ultra Thin Overlay)[18-20]。

1 对混合料设计和施工的技术要求

1.1 材料的选用与混合料的配合比设计

材料的选用主要是黏层材料、混合料的结合料和集料的选择。黏层材料必须符合规定的剪切和拉拔强度要求；混合料的结合料性能应符合各项路用性能的要求；集料除应符合现行规范对表面层集料的要求外，在粗集料的针片状与磨光值、细集料含粉量方面应有更高的要求。

在混合料的配合比设计方面：对于悬浮密实型混合料，其空隙率应满足3%～5%(改性沥青)、4%～6%(橡胶沥青)的要求，集料的平均沥青膜厚度应符合20～25 μm(橡胶沥青)的要求；对于骨架密实型混合料，其空隙率应满足3%～4%(改性沥青)、4%～5%(橡胶沥青)的要求，集料的平均沥青膜厚度应符合15～25 μm(橡胶沥青)的要求；对于半开级配混合料，其空隙率应满足10%～15%和宏观构造负纹理的要求，集料的平均沥青膜厚度应符合9～12 μm(改性沥青)、25～30 μm(橡胶沥青)的要求；对于开级配混合料，其空隙率应满足18%～20%的要求，集料的平均沥青膜厚度应符合45～55 μm(橡胶沥青)的要求。混合料各项力学性能的指标应符合现行规范的要求。

1.2 气候条件

高性能超薄罩面的施工应尽可能选择在炎热的夏天进行，气温和道路表面的温度不宜低于20 ℃，并在继续上升。

1.3 混合料拌合

混合料拌合的关键在于拌合温度和均匀性的控制。由于采用高黏度结合料，应根据不同结合料的要求确定集料和结合料的加热温度、拌合温度，通常拌合温度需要在180 ℃左右。拌合时间对拌合均匀性有重要的影响，不同的拌合设备需要通过试拌来确定。

1.4 黏层材料洒布

黏层材料洒布的关键是在原路面上形成一层符合规定洒布率的均匀薄膜。影响洒布率和均匀性的主要因素是洒布速度、喷洒压力和洒布重叠度，这些参数需要在试洒布的过程中通过测定纵向、横向洒布率以及均匀性后确定。

黏层材料洒布需要解决的另一个问题是确定洒布在原路面上的黏层材料，需要多长时间才能完全凝固，而不会粘在卡车轮胎和履带上。

1.5 混合料运输与摊铺

混合料运输应加强车辆的保温措施，尽可能减少混合料的热量损失。混合料摊铺的关键是摊铺温度和铺层厚度的控制。应尽可能连续地进行摊铺作业，减少停顿，避免铺层材料的温度离析。铺层厚度应控制在设计厚度的-5%～10%公差范围内。

1.6 混合料碾压

半开级配和开级配沥青混合料的碾压与密级配沥青混合料的碾压有不同的目标，前者并不追求使混合料尽可能变得密实，而是要求将粗集料压实在细料和黏层材料组成的黏结层中。此时的关键是要严格控制碾压温度和压实能量。碾压应在较高的铺层温度下进行，并在碾压第一遍时就能覆盖全部铺层宽度。压实能量不能太大，故不能采用振动压路机和轮胎压路机，以免压碎粗集料或者使结合料唧浆上浮至表面。

2 在滁宁高速公路预防性养护中的应用

2.1 工程概况

滁宁高速公路来安至明光段于2006年9月30日建成通车，2013～2018年的日均交通流量高达50 000～70 000 pcu(折合小型车)。路面结构层总厚度为72 cm(石质路段为70 cm)。其中，沥青混凝土面层厚度为16 cm，分为上、中、下3层：上面层采用4 cm厚AC-13改性沥青抗滑表层，中面层采用6 cm厚AC-20改性沥青混凝土，下面层采用6 cm厚AC-20沥青混凝土。基层采用36 cm厚水泥稳定碎石。底基层采用20 cm厚石灰土(石质路段为18 cm厚低剂量水泥稳定碎石)。2017年，对上、下行线路行车道的弯沉值进行了抽检。结果表明，指定抽检路段的PSSI值为良以上的百分比达100%，为优的百分比不小于90%，因此可以认为道路的结构强度和承载能力是足够的。

历年来的路况调查结果表明滁宁高速来明段的病害主要是裂缝、坑槽和车辙，以及少量的不均匀沉降(桥头跳车)、唧浆、拥包等。2017年对路面破损指标PCI、路面平整度指标RQI、路面车辙指标RDI进行检测，结果为：上、下行线PCI的平均值分别为93.8和93.5，RQI的平均值分别为94.8和94.5，RDI的平均值分别为85.5和84.8。以上检测结果表明全线适宜进行预防性养护。管理部门决定自2019年起按年度对全线进行薄层或超薄层罩面养护。2019年，首先在下行线K38+700～K43+400、全长4.6 km的路段上铺设3 cm高性能橡胶沥青薄层罩面。

2.2 混合料设计

混合料设计中的原材料采用玄武岩轧制的集料，石灰岩磨碎的矿粉和橡胶屑含量为20%的橡胶沥青结合料。矿料的质量符合现行规范的要求。橡胶沥青结合料各项性能指标的检测结果如表2所示。

表2 橡胶沥青结合料性能指标的检测结果

生产配合比的矿料级配设计如图2所示。按照7.2%、7.5%、7.8%三种不同结合料用量拌制橡胶沥青混合料，制作了3组马歇尔试件，并测定了试件的各项体积指标，如表3所示。根据图2，采用7.2%的橡胶沥青作为生产配合比的结合料用量。

图2 矿料的合成级配曲线

表3 橡胶沥青混合料马歇尔试验的体积指标

按照确定的生产配合比拌制沥青混合料，进行了试拌、试铺，并对沥青搅拌设备拌制的橡胶沥青混合料取样进行各项力学性能的检验。表4是橡胶沥青混合料水稳定性检验的结果，图3是橡胶沥青混合料车辙试验的结果。

从表4的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验数据中可看到，橡胶沥青结合料的高黏度和很厚的沥青膜，大大加强了结合料与矿料之间的黏结强度，从而使橡胶沥青混合料具有十分良好的抗水损害性能。

从图3中可以看到，试件1在45～60 min区间的曲线斜率很大，但在随后的区段斜率很快变缓。

表4 橡胶沥青混合料水稳定性检验结果

图3 2个试件的车辙试验曲线

试件2在45～60 min区间的曲线斜率已经变缓，而从总体上看，2条曲线反映的沥青混合料抗车辙性能基本上处于同一水平。上述车辙试验的结果再次证明，对于橡胶沥青这类高黏度混合料，采用碾压10 000次的车辙深度和碾压5 000～10 000次线性变化区间计算的动稳定度来表示混合料的抗车辙性能，能更准确地反映实际的抗车辙能力[21]。

2.3 高性能薄层罩面施工和质量控制

2019年6～7月进行罩面施工，气温较高，满足要求。由于交通流量太大，无法实施全幅封闭，只能改为半幅分开施工。在施工前，对原路面的裂缝、坑槽、较深的车辙实施了修复处理，清除路面标线，并进行了彻底清扫。

在正式施工前，首先铺筑了200 m试验路段。试铺方案的施工工艺要点如下。

(1)无轮迹乳化沥青黏层油的洒布量为0.6 kg·m-2，结束黏层油洒布后，待其完全固结方可进行摊铺作业。

(2)采用1台福格勒SUPER 18000-2 HD摊铺机摊铺，速度设定为4 m·min-1，配备德国摩巴公司的超声波自动找平系统。

(3)采用2台悍马HDO128V振荡压路机碾压，速度设定为2～4 km·h-1，振荡频率为33 Hz，采用紧跟摊铺机碾压的方式，不设初压、复压，初压即采用振荡压实，合计碾压4遍。

(4)在处理纵向冷接缝时，首先对已经铺筑的路面进行切边，宽度为5～15 cm，清理切边后，在立面及接缝面上涂刷乳化沥青。在摊铺时，虚铺热料必须与已铺宽度重叠2.5～4.0 cm，松铺时的高度保证在原路面之上3.5 cm左右。必须第一时间对接缝部分进行碾压，压路机的碾压轮应该大部分在热铺的一侧。在冷铺的一侧，只容许骑跨15 cm的宽度。

在铺设试验路段的同时，对沥青搅拌设备拌制的橡胶沥青混合料进行力学性能检验。在铺筑试验路段结束后，钻取芯样测定铺层的压实度，并用电阻抗密度仪按网格测量的方式测定了整个铺层的压实度分布情况和压实度的均匀性。

表5是试验路段铺层芯样密度的测定数据，图4是380密度仪读数的标定。从表5中可看到，11个芯样的压实度平均值为94%，满足相关规范的要求。用密度仪按纵向5 m、横向1 m的网格测定试验路段整个铺层的压实度，经密度仪标定数据的修正后列于表6；图5是铺层压实度分布频率的统计分析结果。从图5中可看到，铺层压实度分布的均匀性很好，96.75%测点的压实度为93.5%～95.5%。

表5 试验路段铺层芯样密度的测定数据

图4 380密度仪读数的标定

在试铺时还进行了铺层构造深度和渗水系数的测定，其结果如表7所示。从表7中可看到，橡胶沥青混合料的密水性能非常好。

表6 用密度仪对铺层压实度进行网格检测的结果

图5 试验路段铺层压实度分布

表7 铺层构造深度和渗水系数的测定结果

3 结 语

(1)高黏度和高用量的橡胶沥青结合料保证了橡胶沥青混合料具有良好的密水性和抗水损害性能，完全可以用来替代价格昂贵的高含量SBS改性沥青混合料。

(2)S型半断级配悬浮密实型矿料级配的骨架结构增强了混合料承受外力的能力，而橡胶沥青中未完全消融的橡胶屑固体颗粒嵌挤在混合料的集料之间，增大了集料之间的摩擦阻力，两者的结合使S型半断级配悬浮密实型橡胶沥青混合料呈现出很强的抗车辙变形能力。

(3)现行规范规定按碾压1 890～2 520次的区间来计算试件的动稳定度，这个区间对于高黏度的橡胶沥青混合料来说，正处于车辙深度变化曲线斜率急剧变化的过渡段，很可能会由于原始起点和斜率变化不一样而导致完全错误的判断结果。本文采用改进的车辙试验方法，用碾压10 000次的车辙深度和碾压5 000～10 000次线性区间计算的动稳定度来表征橡胶沥青混合料的抗车辙性能，能更准确地反映真实的橡胶沥青混合料抗车辙能力。

(4)在使用无轮迹黏层材料的条件下，采用常规沥青摊铺机铺设用于高性能薄层罩面的高黏度沥青混合料是可行的。