Superlayer 超薄磨耗层在厦蓉高速厦成段的技术控制

■洪月华

（福建省高速公路集团有限公司漳州管理分公司， 漳州 363005）

厦蓉高速公路厦成线（以下简称“厦成线”）为双向六车道，作为连接厦门至龙岩、赣州的高速公路主干道，于2013 年通车以来，沥青路面频繁承受重型运输车辆的轮载作用，目前已出现部分第3 车道早期路面性能衰退现象，据交通数据统计2019年厦成线平均日交通量为45 901 辆，且重车比例占达35.3%。 该路段2020 年路面技术状况检测指标数据（路面性能检测指标见表1） 按照JTG 5421-2018《公路沥青路面养护设计规范》 要求采取预防性养护，以提高路面损坏指数、车辙深度指数、路面抗滑性能指数，并有效降低行车产生的噪音音贝等路用功能，从而延长道路服务寿命。

表1 路面性能检测指标数据

1 设计方案

厦成线设计方案采用对原路面局部病害进行处治后， 加铺15 mm 厚Superlayer 磨耗层体系，该超薄罩面采用富沥青用量的骨架密实型间断级配设计， 将热拌Superlayer 改性沥青混合料同步铺筑于高黏改性乳化沥青黏层之上所形成的（15±3）mm超薄罩面。

2 磨耗层沥青材料选择

为解决15 mm 厚的磨耗层层间承受极大水平剪应力和脱层问题，Superlayer 磨耗层的黏层采用破乳速度快、固含量高、黏度大、抗剪强度高、热稳定性优良的高黏改性乳化沥青（技术指标见表2）。同时， 为提高磨耗层的混合料低温及疲劳抗裂性能， 采用Superlayer 高黏高弹改性沥青作为胶结料（技术指标见表3），其设计油石比≥6.5%，软化点（TR&B）≥90℃，沥青膜厚度DA≥9 μm，再加上混合料的骨架密实型级配设计，有效提高沥青混合料高温、低温及疲劳性等综合性能。

3 磨耗层级配设计与评价

集料磨耗性是反映沥青路面抗滑磨性能的关键性指标，加铺超薄罩面做为路面表面层常期受外界环境的侵蚀及行车轮胎的摩擦损耗，能否有效保证路面集料在使用过程中的耐磨及耐久性能，直接关乎道路行车安全。 为提高磨耗层表面磨光磨损过程，磨耗层粗集料采用质地坚硬、表面粗糙、耐磨、具有良好嵌挤能力的玄武岩碎石，并以微狄法尔磨耗损失≤18%作为碎石控制所选用关键性指标。

Superlayer 磨耗层采用沥青路面施工技术规范中的马歇尔设计法作为基本方法和依据，但马氏设计法同Superpave 设计法均属于沥青混合料性能的平衡设计法， 因此在马氏设计法基础上同时采用CAVF 法[1]（由张肖宁教授及其团队从材料组成体积方面入手，提出了沥青混合料组成设计主骨料空隙填充法）与贝雷法[2]（由美国伊利诺州交通部的罗伯特·贝雷（RobertBailey）先生提出的贝雷级配设计检验方法， 提出了混合料级配设计中粗集料骨架嵌挤程度的确定方法， 考虑了各组成集料填充特性的级配方法及判定法则） 结合使用进行磨耗层级配设计， 通过CAVF 法检验沥青混合料是否满足VCAmix≤VCADRC与贝雷参数CA、FAC 与FAf等指标范围进行评价（表4）。

表4 Superlayer 改性沥青混合料矿料级配范围

3.1 CAVF 法确定级配

磨耗层采用3 种规格分别为4.75～8 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm 的玄武岩集料与石灰岩矿粉作为填料。 按照体积关系，粗集料、细集料、矿粉以及沥青用量的质量百分率分别为qc、qf、qp、qa， 粗集料骨架紧装空隙率及沥青混合料设计目标空隙率VCADRC、VV 之间具有如下的组成关系：

其中：γs为粗集料紧装密度；γf和γp分别为细集料和矿粉的表观相对密度；γa为沥青的相对密度。

根据当地气候特点与交通组成等因素，对混合料的设计空隙率VV、沥青用量qa与矿粉用量qp进行设定，将粗集料qc、细集料qf占比作为未知变量，通过上述公式（1）、（2）可以计算其变量结果。 本项目拟定混合料油石比为6.5%，设计空隙率VV 为4.0%，矿粉掺配比为2.0%，实测干捣实状态下粗集料骨架间隙率VCADRC为39.4%， 通过试验4.75～8 mm 与2.36～4.75 mm 配比在85∶15 是粗集料紧装密度最优为1.654 g/cm3，细集料表观相对密度与矿粉表观相对密度分别为2.991 与2.694，沥青相对密度为1.032， 通过上述公式计算得出集料粗细比为72.5%∶26.5%。

最终， 修正后矿料级配合成百分比为4.75～8 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm： 矿粉=61.5∶11.0∶25.5∶2.0（表5），在马氏试验前通过混合料体积参数[3]， 在已沥青混合料设计空隙率与预估油石比下可以推算出沥青膜厚度DA 为12.24 μm≥9 μm。

表5 矿料集料级配组成

通过借鉴SMA 设计理论， 粗集料骨架间隙率VCAmix≤VCADRC[4]评价Superlayer 改性沥青混合料的骨架性。

3.2 贝雷法级配检验贝雷法

核心思想是级配设计中由粗集料颗粒形成嵌挤，细集料进行空隙填充，细集料的捣实体积相当于粗集料所构成的空隙体积。 对粗细集料关键筛孔的划分按公称最大粒径（NMPS）的0.22 倍的接近值来确定（注：因标准筛孔尺寸与美国略有区别，我国同济大学著名道路专家林绣贤教授建议0.25 倍更符合我国实际情况），如表6 所示。

表6 粗细集料级配控制点

为检验矿料料中粗集料嵌挤情况，在级配选定后贝雷法通过3 个参数对级配的骨架性是否良好进行检验：一是粗集料比（CA 比），主要目的是对粗集粗的级配进行约束，CA 比过大则不能形成骨架结构，若太小则容易出现离析；二是细集料中粗比（FAC比）， 来反映级配中细集料部份粗颗粒与细颗粒嵌挤填充情况； 三是细集料中细比 （FAf比），与FAC比类似，反映级配中最细一级的嵌挤情况。公式如下：

式中：PD2为公称最大粒径/2 的通过率（%）；PPCS为第一控制筛孔的通过率（%）；PSCS为第二控制筛孔的通过率（%）；PTCS为第三控制筛孔的通过率（%）。

计算3 个参数结果分别为CA=0.54 （0.4～0.65），FAC=0.51（0.4～0.6），FAf=0.6（0.3～0.6）。

建议CA 比控制在0.4～0.6 具有较好的骨架稳定性；FAc比主要反映VV 及VMA 的体积特征，FAc比过高时填充细集含量增大，在0.45 次方级配曲线图形成“驼峰”曲线，级配容易敏感，高温稳定性与水稳定性均差，反之，FAc比过低，细集料中粗颗粒间隙体积无法足够填充，VMA 与VV 过大将导致级配不均衡，容易渗水出现水损害，建议FAc比控制范围为0.4～0.6；FAf比与FAc比类似，主要影响混合料的体积特征， 通常VMA 随其减小而增大， 一般FAf比 控 制 在0.3～0.6。 贝 雷 法 经 过HeritageResearchGroup 近10 年的内部使用和普渡大学进一步研究、实践和验证，认为采用该方法设计的沥青混合料具有良好的骨架结构，同时达到密实的效果。

3.3 马氏体积参数与混合料性能验证

磨耗层沥青混合料配合比设计采用马歇尔设计法，按照重载交通双面击实75 次标准成型试件，分别测试试件的体积参数（表7），进行水稳定性与高温稳定性及低温抗裂性性能试验（表8），最终确定配合比最佳沥青用量为6.2%（油石比为6.6%）。

表7 沥青混合料马氏体积指标

表8 沥青混合料路用性能指标

试验结果表明，Superlayer 沥青混合料骨架形成嵌挤，具有较好的骨架稳定性，同时混合料密实起到有效密水作用， 设计中采用远大于常规混合料沥青膜厚度的设计思想， 结合Superlayer 磨耗层专用改性沥青，有效提升沥青混合料的抗疲劳开裂性能。

4 超薄磨耗层应用效果评价

对加铺15 mm 厚超薄磨耗层时及运营使用12 个月的检测路面技术状况指标（RQI、RDI、SRI）（表9）进行分析，加铺后及运营12 个月的2 次检测国际平整度指数IRI 均为1.00 m/km， 路面行驶质量指数为95.16，基本保持不变；车辙深度RD 由加铺后的1.71 mm 运营12 个月后上升至1.82 mm，路面车辙深度指数由98.29%下降至97.92%， 下降了0.37%。 路面横向力系数由59.8 上升至66.4，路面抗滑性能指数SRI 由96.54%上升至97.15%， 上升了0.61%。 经过12 个月的运营使用，路面整体性能指数较为稳定。

表9 路面技术状况检测结果

对加铺15 mm 厚超薄磨耗层后及运营使用12 个月的渗水系数、构造深度、层间粘结力以及行车噪音跟踪检测数据（表10）进行分析：渗水系数由加铺后180 mL/min， 运营12 个月下降到131 mL/min；路面构造深度加铺后0.69 mm，运营12 个月0.7 mm，未出现衰减；层间粘结的拉拔破坏力，由加铺后0.47 MPa，运营12 个月上升了0.24 MPa，但是检测时温度下降了3.2℃，故该检测结果仅供参考。

表10 路面渗水系数、构造深度、层间粘结力试验检测结果

对加铺15 mm 厚超薄磨耗层后及运营使用12 个月的行车噪音检测数据进行分析（详见表11），由加铺后66.6 dB 运营12 个月下降到63.8 dB，行驶轮胎碾压使得沥青结构层进一步致密，行车噪音变小，从而提高道路通行舒适度。

表11 路面噪音检测结果对比

5 结论

（1）通过CAVF 法确定的矿料级配能够形成骨架嵌挤，使混合料铺筑后达到外美内实；贝雷法可以系统地评价混合料级配骨架嵌挤的情况。 但细粒式混合料的关键筛孔尺寸， 特别是公称粒径为6.7 mm 超细式混合料对粗细集料的界定还有待进一步研究。 （2）采用CAVF 法中粗集料间隙率最小值测定方法对数据结果具有一定影响。（3）通过科学的统计方法， 应用软件的强大处理能力可以大大加强对施工过程的数据分析， 从而控制质量的均质化。