超薄抗滑磨耗层（TFC）设计及路用性能研究

李小鹏 南京道润交通科技有限公司

韩亚进 东南大学

沥青路面作为我国高速公路的主要路面形式，具有行驶舒适、便于维修等优点。随着道路通车年限的延长，在车辆荷载及环境条件的作用下，路表功能性能逐渐降低，抗滑性能不足、平整度下降等路表功能型病害逐渐凸显。为此，以预防性养护技术为主的养护措施，越来越多的被用于改善原路面的路表功能性能。常用的预防性养护措施，包括：微表处、稀浆封层、碎石封层及薄层罩面等。微表处及稀浆封层在使用过程中，行车噪声过大，严重降低了驾乘人员的乘车舒适性；碎石封层最为一种洒布型表处层，容易出现剥落等病害，较少用于路面上封层；而薄层罩面，性能较为出色，但仅用于改善路面抗滑性能不足等功能型病害，经济型稍差。

为此，本文研究了一种乳化沥青类、单粒径超薄抗滑磨耗层（Thin friction course，简称TFC），TFC是将乳化沥青、集料及水泥充分拌合后，利用专用的施工机械摊铺于原路面表面，成型厚度仅为5mm。作为一种新型表处层，需要确定TFC各材料的合理配比，在此基础上，结合实体工程确定TFC的路用性能。

1.材料

1.1 乳化沥青

TFC选用高性能乳化沥青作为胶结料，其性能如表1所示。

表1 乳化沥青性能检测结果

1.2 集料及水泥

TFC选用集料为单粒径3-5mm玄武岩集料，TFC中选用水泥作为活性填料，水泥规格为普通硅酸盐PO42.5级。

2.试验方法

TFC选用单粒径集料，成型之后，表面开口孔隙较多，因而其性能主要受剥落性能制约。为评价TFC的抗剥落性能，本文采用湿轮磨耗试验进行评价，并确定乳化沥青、水泥等材料的合理配比。

2.1 TFC成型

根据《微表处和稀浆封层技术指南》，TFC湿轮磨耗试件的成型，主要包括以下步骤，如图1所示。

图1 TFC室内成型步骤

（1）准备直径为31cm的圆形油毛毡，并在油毛毡表面刷粘层油；（2）将集料、水泥、乳化沥青依次分别置于拌锅中，搅拌均匀；（3）将拌合好的TFC混合料，倒在油毛毡上，并借助厚度为5mm的模具，将混合料摊平；（4）将摊铺好的TFC试件，置于60℃烘箱中养生24h。

图2 湿轮磨耗试验步骤

图3 实验板法

图4 乳化沥青用量对TFC剥落率的影响

图5 水泥用量对TFC剥落率的影响

表2 路用性能检测结果

图6 TFC施工流程

2.2 湿轮磨耗试验

将养生好的TFC试件从烘箱中取出，冷却至室温后，置于25℃水中保持1h，随后进行湿轮磨耗试验。如图2所示。

3.TFC材料配比研究

TFC主要由集料、乳化沥青及水泥三种材料拌合而成，其中集料用量由实验板法确定，乳化沥青及水泥用量由湿轮磨耗试验确定。

3.1 集料用量的确定

本文研究的TFC厚度仅为单石厚度，即集料仅为一层，因此采用修正的Kearby设计法，亦即实验板法来确定集料的用量。首先准备30cm＊30cm＊0.5cm的方形钢板，将TFC用的3-5mm玄武岩集料平铺在钢板上，并保证钢板表面均被集料覆盖，且集料颗粒无上下重叠。随后称取钢板被完全覆盖，所需的集料重量，并换算为单个湿轮磨耗试件的重量。如图3所示。

根据实验板法的测试结果，单个湿轮磨耗试件所需集料重量为480g。

3.2 乳化沥青用量确定

根据课题组研究经验，将乳化沥青用量定为集料用量的8%、10%、12%、14%及16%。分别测试不同乳化沥青用量对应的TFC试件剥落率，如图4所示。

根据图4，可以发现，乳化沥青用量的增加能够显著降低TFC的剥落率。尤其是当乳化沥青用量由集料用量的8%增长为10%时，TFC的剥落率由15%降低为4%，降幅显著。这种由于乳化沥青用量带来的TFC剥落率的降低，主要是由于沥青膜增厚导致的。当乳化沥青用量为集料用量的8%时，集料之间的沥青膜厚度较薄，当乳化沥青用量为集料用量10%时，集料之间的沥青膜厚度达到临界值，在此厚度下，集料之间的粘结性能相对较好，粘结强度相对较高。而当乳化沥青用量进一步上升时，TFC剥落率的改善幅度逐渐趋于稳定。根据上述结果，本文认为TFC中乳化沥青用量应大于10%。

表3 TFC试验段检测结果

3.3 水泥用量的确定

为研究水泥用量对TFC抗剥落性能的影响，并确定水泥的用量，本文将水泥的掺量分别定为集料用量的0%、1%、2.5%、4%及5.5%，分别测定不同水泥掺量对应的TFC试件的剥落率，试验结果如图5所示。

根据图5，可以发现，随着水泥用量的增加，TFC的剥落率显著降低，当水泥掺量由集料用量的0%增加为5.5%时，TFC试件的剥落率由4.5%降低为2%。这种由于水泥用量的增加而导致的TFC抗剥落性能的改善，主要归因于水泥的硬化作用。水泥的硬化作用，会使乳化沥青残留物-水泥胶浆的强度显著提升，从而增强集料之间的粘结强度。因而，水泥用量较多的TFC试件，其抵抗磨耗作用的能力也得到了提升，最终表现为TFC剥落率的降低。根据上述结果，本文认为水泥的用量不小于1%。

3.4 TFC性能验证

基于上述研究结果，选用集料质量为480g，乳化沥青用量为集料用量的10%，水泥用量为集料的1%，成型TFC试件。本文为验证此方案下TFC的路用性能，分别测试了TFC的摆式摩擦系数及构造深度指标，并与常规SMA-13及AC-13检测结果进行对比，测试结果如表2所示。

根据表2中三种路面的路用性能检测结果，可以发现，TFC的摆值与SMA-13相当，明显大于AC-13。而TFC的构造深度同样优于SMA-13，并显著大于AC-13。该结果表明，TFC具有良好的抗滑性能，有利于提供车辆良好的摩阻力，保障行车的安全性。此外，较大的构造深度，能够降低行车噪声，提高驾乘人员的行车舒适性，同时能够在雨天及时排除积水，进一步提高行车安全。

4.工程案例

为验证TFC的实际路用表现，本课题选择江苏镇江句容S243省道进行试验段铺筑。

4.1 施工流程

TFC作为一种预防性养护措施，仅适用于原路面结构性能完好、仅存在功能型病害的路段，因此在施工之前应首先对原路面的结构性病害进行处置。TFC施工主要包括以下步骤：

（1）利用森林灭火器对原路面上的杂物、灰尘进行吹除；（2）利用粘层油洒布车，洒布高粘乳化沥青粘层油；（3）利用专用的摊铺机械，进行TFC的拌和及摊铺；（4）待TFC强度基本形成后，利用双钢轮压力机进行静压。如图6所示。

4.2 TFC使用效果

在TFC施工后，对TFC的路用性能进行持续观测，包括构造深度指标及摆值指标，检测结果如表3所示。

根据表3中的路用性能检测结果，TFC路段的构造深度及摆值均明显大于未养护路段，且施工后5个月，其各项指标仍然优于未养护路段。

5.结论

本文基于超薄抗滑磨耗层TFC，研究了TFC各材料用量对其剥落性能的影响，确定了适宜的材料用量范围，在此基础上，分别测定了室内及试验段TFC的路用性能，得到以下结论：

（1）乳化沥青用量的增加能够明显降低TFC的剥落率，尤其是当乳化沥青用量由8%增加为10%时，改善效果最显著；

（2）水泥用量的增加同样能够改善TFC的抗剥落性能；

（3）为保证TFC良好的抗剥落性能，乳化沥青用量不应低于10%，水泥用量不宜低于1%；

（4）TFC的构造深度及摆值均明显大于常规路面，表现出了较好的路用性能。