超薄磨耗层SAC-5沥青混合料设计及性能

李亚龙， 成志强

(1.山西省交通科技研发有限公司， 太原 030006； 2. 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 太原 030006)

截至2020年末，高速公路里程已达16.10×104km，比2019年末增加1.14×104km[1]，高速公路服务水平的显著提高导致养护工作量急剧增加，养护范围和难度也不断加大。新建道路在运营3～5年后，表面层性能开始衰退，路面裂缝、平顺性和抗滑不足等问题显现，给行车安全性和舒适性带来负面影响[2]。随着养护市场规模的不断扩大，养护需求逐年增加，预防养护逐步成为主要的路面养护形式。预防养护[3]是指针对路面整体性能良好但有轻微病害，为延缓性能过快衰减、延长使用寿命而预先采取主动防护工程。依据不同需求，预防养护措施逐步多样化，包括：微表处、同步碎石封层、超薄磨耗层、薄层罩面等，合理的养护措施对于延缓路面性能衰减、延长使用寿命有着重要的作用。

超薄磨耗层一般认为是实施厚度在 10～30 mm 的沥青磨耗层铺装技术，能够有效修复轻度车辙、路面轻微破损、松散等病害。目前，使用较多的级配类型有：NovaChip、SMA-10、SAC-10、EAC-10、SMA-5等；其中，NovaChip因其技术成熟且铺筑速度快、开放交通快，具有低噪音、抗滑系数远高于密级配沥青路面等优点[4]而被广泛使用，但由于实施需专用设备、材料要求高及造价高制约了其大面积使用。其他磨耗层技术虽有不同程度的应用，但长期使用效果不满足要求或未得到充分验证，没有得到推广。

沙庆林[5]提出了多碎石沥青混合料(stone asphalt concrete, SAC)级配设计方法，主要用于提高高速公路沥青面层抗变形能力及抗滑性能，通过大量工程应用实践，为SAC-10～SAC-30的混合料级配提供了参考。当设计细粒式沥青混合料配合比时，粗集料主要用到9.5～13.2、4.75～9.5 mm两个档位的矿料，后者用量占比最大，若集料粒径偏向一侧，混合料性能则不易控制。针对此问题，部分研究提出在4.75～9.5 mm增加控制筛孔，一方面是中间无控制筛孔，易导致大量的粗集料级配失控，影响抗滑性能；另一方面加入控制筛孔则更易控制铺装层厚度。沙院士设计SAC-10级配时，为了更好地控制级配，在4.75～9.5 mm筛孔增加了7.5 mm筛孔[5]。李江龙[6]通过增加8 mm筛孔，并控制筛孔通过率，设计了SMA-8沥青混合料(stone matrix asphalt)，验证其具有较好长期性及耐久性；王慧峰[7]通过增加7.1 mm筛孔，将其作为最大公称粒径控制筛孔进行配合比设计。

综上，随着磨耗层功能性要求高而厚度逐渐减薄的需求，矿料级配设计时有必要在4.75～9.5 mm之间增加控制筛孔。采用SAC级配设计方法，进行了SAC-5沥青混合料设计。依据《试验筛 金属丝编织网、穿孔板和电成型薄板 筛孔的基本尺寸》(GB/T 6005—2008)[8]中筛孔尺寸要求，设计中增加7.1 mm方孔筛作为最大粒径控制筛孔。鉴于超薄磨耗层作为表面层抗滑性能的需求，分别设计了4%、6%、8%空隙率的沥青混合料，通过构造深度及摆值试验反映抗滑性能的变化。最后，综合路用性能各项指标，提出抗滑性能要求较高路段SAC-5沥青混合料用作超薄磨耗层的目标空隙率指标，为推广应用提供技术支撑。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

采用玄武岩集料，矿粉采用磨细石灰岩，SAC级配设计方法需要用到每一档集料和沥青的密度，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[9]测定，2.36～4.75 mm 的集料用网篮法进行测试，0.075～1.18 mm 的集料用塌落度法，矿粉用容量瓶法进行测试，测试结果如表1所示。沥青用比重瓶法进行测试[10]。沥青采用SBS(styrene-butadiene-styrene)改性沥青，相关技术指标如表2所示。

表1 原材料毛体积密度Table 1 Gross bulk density of raw materials

表2 SBS改性沥青技术指标Table 2 Technical indicators of SBS modified asphalt

1.2 配合比设计

将2.36 mm筛孔作为粗细集料分界筛孔，7.1 mm设为最大筛孔，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[9]中方法测定粗集料捣实密度ρ。初设最大粒径筛孔通过率100%，分界筛孔通过率35%，0.075 mm筛孔通过率5%。采用SAC设计方法中集料的级配计算公式[式(1)][5]，计算得到各档筛孔通过率。

(1)

式(1)中：Pdi为筛孔di的通过率,%；Dmax为集料的最大粒径mm；di为不同筛孔尺寸;A、B为系数。

根据所得矿料通过率，计算粗集料的合成毛体积密度γb,ca，细集料的合成毛体积密度γb,fa。结合矿粉密度γa,fi、沥青密度γB及粗集料的干捣实密度ρ，粗集料捣实骨架间隙率VCADRC的计算公式为

(2)

采用预估油石比PB、目标空隙率Va及各筛孔通过率，由式(3)计算混合料中粗集料比例Pca、细集料比例Pfa、填料比例Pfi，从而得到符合条件的骨架密实型级配。

(3)

设定初始PB=6%，分别设定Va为4%、6%、8%，确定各档集料比例。采用马歇尔试验确定各空隙率最佳油石比，油石比范围为5.4%～7.0%，以0.4%间隔，最佳油石比分别为6.2%、5.8%、5.5%。

经实测，在最佳油石比下，3个级配空隙率都小于目标空隙率。根据实测空隙率由式(3)反算各档集料比例，得到最终级配如图1所示。

图1 矿料级配曲线Fig.1 Gradation curve of mineral material

由图1可知，不同空隙率下SAC-5矿料级配变化不大。分析原因为，混合料空隙率为4%时，粗集料占比已达74%，若混合料中沥青含量减少，粗集料含量微增即可达到8%的目标空隙率。为表明SAC-5矿料级配的特点，图1中还绘制了SMA-5[11]、NovaChip-Type A型[4]及微表处MS-3型[12-13]3种类型级配范围中值进行对比。可以看出，几种级配类型与SAC-5最大的区别在于2.36 mm以上筛孔通过率及最大筛孔粒径，说明SAC-5沥青混合料具有细而密的特征，实施过程中更易控制级配及厚度。

1.3 沥青含量检验

对比常用超薄磨耗层措施的沥青用量，如：SMA-5油石比6.2%～7.2%[2,11]，微表处MS-3型油石比6%～8.5%[12]，均高于SAC-5沥青混合料油石比5.8%～6.2%。为确定混合料中沥青用量是否满足集料黏结性要求，依据规范[10]方法进行浸水飞散试验，飞散前后对比如图2所示，试验结果如表3所示。

由图2、表3可知：①不同空隙率下，SAC-5沥青混合料浸水飞散试验结果最大值为5.01%，满足规范不大于15%的技术要求。说明SAC-5沥青混合料中沥青用量能够满足集料黏结性要求；②随着空隙率的增加，飞散损失相应增加。可以看出，试件仅边部掉块，说明在一定程度上，沥青含量减少会使集料间黏结力减小，但不影响试件的完整性。

2 SAC-5沥青混合料路用性能评价

2.1 高温性能试验

以60 ℃车辙试验(动稳定度DS)评价SAC-5沥青混合料的高温稳定性能，结果如图3所示。可

图2 不同空隙率浸水飞散前后对比Fig.2 Comparison before and after immersion in water with different porosity

表3 浸水飞散试验结果Table 3 Result of immersion and scattering test

图3 不同空隙率试件动稳定度Fig.3 Dynamic stability of specimens with different porosity

以看出：①不同空隙率下，动稳定度均达到 7 000 次/mm以上，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[13]中不低于 2 800 mm/次的要求，说明SAC-5沥青混合料具有良好的高温抗车辙能力；②随着空隙率的增大，以空隙率4%试件结果为基准，动稳定度增幅分别为2%、12%。说明混合料中粗集料含量的增加，使集料间嵌挤作用增强，混合料逐步形成紧密的骨架密实结构。

2.2 水稳定性能试验

分别以浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对SAC-5沥青混合料的水稳定性能进行评价，结果如图4、图5所示。

由图4、图5可知：①不同空隙率下，残留稳定度达88.0%以上，残留强度比达86%以上，均满足残留稳定度≥85.0%，残留强度比≥80%的技术要求，说明SAC-5沥青混合料具有良好的抗水损害能力；②随着空隙率增加，稳定度增大，数据波动小，结果稳定。劈裂强度先增加后减小，冻融后数据波动较稳定度大，说明冻融劈裂试验对混合料水稳定性检验条件更苛刻，结果更具说服力；③残留稳定度、残留强度比二者结果均随空隙率增大而增大，进一步说明粗集料之间嵌挤作用增强，混合料形成紧密骨架结构，有利于提升混合料的水稳定性能。

图4 不同空隙率试件残留稳定度Fig.4 Residual stability of specimens with different porosity

图5 不同空隙率试件残留强度Fig.5 Residual strength of specimens with different porosity

2.3 低温性能试验

以-10 ℃弯曲试验的破坏应变作为低温性能指标评价SAC-5沥青混合料的低温性能，结果如表4所示。

表4 不同空隙率试件低温试验结果Table 4 Low temperature test results of specimens with different porosity

由表4可知：①不同空隙率下，低温应变有所减小，但结果均达到 3 000 με以上，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[13]中不低于2 800 με的技术要求，说明SAC-5沥青混合料具有良好的低温抗裂能力；②随着空隙率的增大，弯曲应力、弯曲应变均有所减小，分析原因为，混合料空隙率增大，沥青用量减小，集料-沥青黏附强度降低，导致混合料整体强度减小，低温应变减小。

2.4 抗滑性能

超薄磨耗层用作表面层，除自身力学性能满足要求外，更重要的是具有较好的抗滑效果。良好的抗滑性能有助于减少车辆制动距离，提高行车安全性[14]。测量路面抗滑性能方法较多，容洪流等[15]采用摆式摩擦法与表面回弹法测量路面抗滑性能，李智等[16]对常规试验铺沙法、摆式仪法、轮廓测量仪法及压力胶片法测量对路面抗滑性能评价分析。本文通过铺砂法及摆式仪法评价SAC-5沥青混合料的抗滑性能。结果如图6、图7所示。

由图6、图7可知：①随着空隙率的增大，构造深度及摆值的最小值分别为0.91 mm、72，均满足设计《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[17]、《公路沥青路面养护技术规范》(JTG 5142—2019)[18]技术要求，说明SAC-5沥青混合料作为表面层具有良好的抗滑性能；②随空隙率增大，构造深度及摆值增大，说明路面抗滑性能增强，对于急弯陡坡等对抗滑性能要求较高路段，推荐选用目标空隙率8%混合料用作超薄磨耗层。

3 结论

采用SAC级配设计方法对SAC-5沥青混合料进行配合比设计，并对其路用性能进行研究，得出如下结论。

(1)SAC-5沥青混合料中粗集料含量占比大，当目标空隙率由4%增大到8%时，混合料矿料级配变化不大，最佳油石比减小。

图6 不同空隙率试件构造深度Fig.6 Depth of structure of specimen with different porosity

图7 不同空隙率试件抗滑试验结果Fig.7 Anti-sliding test results of specimens with different porosity

(2)在不同空隙率下，SAC-5沥青混合料60 ℃动稳定度可达7 000 次/mm以上、残留稳定度达88%以上、残留强度比达86%以上、低温破坏应变达3 000，具有优良的高温稳定性、低温抗开裂性能及水稳定性。

(3)SAC-5沥青混合料的抗滑性能随空隙率增大而增大，试验结果满足规范设计要求，具有良好的抗滑性能。对于急弯陡坡等对抗滑性能要求较高路段，推荐采用目标空隙率8%的沥青混合料作为超薄磨耗层。