小粒径开级配超薄罩面路用性能研究

王迎平

(绍兴市上虞区公路与运输管理中心，绍兴 312399)

截至2019年年底，我国公路总里程已达到501.25万km、高速公路总里程达到14.96万km,居世界第一[1]。路网的形成使我国公路的发展由以建设为主转变为建养并重，并逐渐进入养护为主的时代。新形势下，路面养护也产生了新的需求，包括：①快速恢复路面的抗滑性能，保证行车安全；②兼顾处理其他轻度病害，如车辙、裂缝、松散等；③快速施工、快速开放交通，对交通影响最小化；④技术经济性好。针对上述需求，超薄罩面技术成为最佳的养护手段之一。当前的超薄罩面技术已经开始向更小的粒径、更薄的铺装厚度、更便捷的施工方法等应用方向发展。

彭华荣[2]、孙宗全[3]、王斯倩等[4]对Novachip®超薄罩面混合料的路用性能进行了大量研究，主要研究结论表明其具有优良的高温性能、水稳定性、抗滑性能和渗水性能；赵跃[5]通过研究确定对于超薄罩面混合料应采用CAVF法(混凝土混合料的主要集料空隙体积填充法)骨架型级配设计理论,并用CAVF法拟定4种级配的0/5型超薄罩面混合料进行试验设计和性能分析；薛国强[6]通过实验研究证明，与原密级配沥青混凝土路面相比，SMA-5超薄磨耗层的表面构造深度提高38%，摩擦系数提高14%，路面抗滑能力显著提高，SMA-5超薄磨耗层具有很好的降噪效果，路面噪声低于原AC-16路面3～4 dB，且车速越高，差距越大；谭忆秋等[7]选取SMA-10、UTAC-10、Novachip®Type C 3种混合料类型进行试验，研究表明Novachip®Type C混合料抗水损坏能力受动水影响较其他两类型混合料大，由于SMA-10中纤维的存在，3种试验条件下SMA-10的飞散损失均小于其他两种混合料；任瑞波等[8]研究表明SMA-5型高黏沥青混合料具有良好的路用性能，其动稳定度、破坏应变、冻融劈裂强度比、疲劳寿命均优于SBS改性沥青混合料，其中动稳定度和疲劳寿命优势明显；王旭东[9]结合河北省低噪声沥青路面试验路段的修建过程，分析认为路面减噪效果不仅与路面构造深度有关，而且与路面混合料的级配类型、混合料的最大粒径等有关。

本文对公称最大粒径为4.75 mm、铺装厚度最小为1.0 cm的小粒径开级配超薄罩面进行研究。与传统薄层罩面相比，研究的对象具备一定的排水、降噪功能，可以进一步提高雨天行车安全性；能够充分利用石料场富余的小粒径硬质石料，减轻优质粗集料需求带来的环境和资源压力；其更薄的铺装厚度能够将对附属设施的影响控制在最小化水平，施工时旧路面免铣刨，技术经济性更优；另外，还可广泛用于双层排水沥青路面、透水路面、彩色排水路面等功能性路面中，为“海绵城市”道路建设提供技术支撑。

1 组成设计研究

1.1 原材料

1.1.1 沥青

本文研究所用的沥青以高黏度改性沥青(未做专门说明的，均为高黏度改性沥青A)为主。同时，还对其他在超薄罩面中应用较多的沥青类型，如橡胶沥青、专用改性沥青等进行了混合料性能考察，以便指导工程选择适宜的结合料。试验用沥青主要技术指标如表1所示。

表1 试验用沥青主要技术指标

1.1.2 集料

本次试验粗集料为3～5 mm、3～7 mm两档玄武岩，其中3～7 mm玄武岩为料场非常规规格集料；细集料有玄武岩和石灰岩两种，均为0～3 mm规格；填料为石灰岩磨细矿粉。各档集料筛分试验结果如表2所示，各档集料密度试验结果如表3所示。

表2 各档集料筛分试验结果

表3 各档集料密度试验结果

1.1.3 纤维

本次耐久性试验选用的聚氨酯纤维主要技术指标如表4所示。

表4 聚氨酯纤维主要技术指标

1.2 级配设计

本研究以公称最大粒径为4.75 mm的开级配沥青混合料作为主要研究对象，试验采用3～5 mm玄武岩、0～3 mm石灰岩和矿粉，并按2.36 mm通过率间隔约5%设计了5组级配(级配1#～级配5#)。这5组级配的2.36 mm筛孔尺寸通过率范围介于15%和35%之间，另外其1.18 mm筛孔尺寸通过率范围介于10%和26%之间，符合开级配粗集料用量高的特点。

另采用3～7 mm石料设计了一组2.36 mm筛孔通过率为20%的级配6#进行对比。小粒径开级配沥青混合料级配如图1所示。

对不同的级配，统一按5.5%～7.5%的油石比范围，油石比间隔0.5%，配制相应的沥青混合料，计算其最大理论密度，测试其析漏；采用马歇尔双面击实50次成型马歇尔试件，测试试件的毛体积密度、飞散、马歇尔稳定度和流值，计算试件的空隙率等体积参数[10]。配比试验结果如图2所示。

通过试验结果可知：

(1) 空隙率随油石比增大呈减小的趋势。油石比增大到6.5%～7.0%后，空隙率减小幅度趋缓。

(2) 有效沥青饱和度(VFA)随油石比增大呈增加趋势，在试验油石比范围内，VFA介于25%和50%之间。

(3) 稳定度、流值与油石比的关系曲线不具有规律性，这可能与混合料大空隙的特征相关。

(4) 飞散损失随油石比增加总体呈下降趋势，析漏损失随油石比增加总体呈上升趋势。

(5) 2#、6#级配的2.36 mm通过率相当(20%)，6#级配4.75 mm以上的料较多。与2#级配相比，6#级配的空隙率、矿料间隙率、飞散损失更小，稳定度更高。

基于上述试验与分析，不同级配设计油石比与设计孔隙率如表5所示。

表5 不同级配设计石油比与设计孔隙率 (%)

2 路用性能试验

2.1 高温性能

采用60 ℃车辙试验，评价6种级配在设计油石比下的高温性能，不同级配混合料动稳定度试验结果如表6所示。

表6 不同级配混合料动稳定度试验结果 (次/mm)

超薄磨耗层铺装厚度薄，其自身结构发生车辙病害的风险较小。我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中对用于重及以上交通荷载等级的OGFC(开级配沥青磨耗层)混合料的动稳定度技术要求为不低于3 000 次/mm[11]。从本次试验结果来看，6组不同级配沥青混合料的动稳定度均能满足规范要求，高温稳定性能较优异。

2.2 低温性能

采用车辙板切割形成小梁试件，经过低温保温(-10 ℃)后进行三点弯曲试验，不同级配混合料小梁弯曲试验结果如表7所示。

表7 不同级配混合料小梁弯曲试验结果

我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中对冬严寒区要求弯曲应变不低于3 000 με，对冬寒区要求不低于2 800 με，对冬冷区要求不低于2 500 με。6组不同级配的小粒径开级配沥青混合料的低温弯曲应变均大于3 000 με，表现出优异的低温抗裂能力。

2.3 水稳定性能

我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对沥青混合料水稳定性的评价以冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验为主[12]。不同级配混合料水稳定性试验结果如表8所示。

表8 不同级配混合料水稳定性试验结果 (%)

6种不同级配沥青混合料均满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中改性沥青混合料冻融劈裂强度比不小于80%、浸水马歇尔残留稳定度不小于85%的要求，表现出良好的水稳定性。

2.4 抗松散性能

不同级配混合料抗松散性试验结果如表9所示。

表9 不同级配混合料抗松散性试验结果 (%)

由表9可知，6种级配沥青混合料的飞散损失均小于10%，浸水飞散损失均小于15%，随着级配变细，设计空隙率减小，浸水飞散损失呈降低趋势。

3 耐久性影响因素研究

为进一步评价耐久性的影响因素，选择2#级配，进行飞散试验、浸水飞散试验和冻融飞散试验。

3.1 沥青膜厚的影响

对2#级配，计算其沥青膜厚度为11 μm、13 μm和15 μm的沥青用量，成型试件进行飞散试验、浸水飞散试验和冻融飞散试验，沥青膜厚对混合料耐久性的影响如图3所示。

随着沥青膜厚度增加，沥青用量增加，飞散损失、浸水飞散损失和冻融飞散损失都呈减小的变化规律，浸水残留质量比和冻融残留质量比呈增大的变化规律，混合料的耐久性增加。

3.2 沥青类型的影响

对不同沥青采用相同的设计油石比(6.3%)进行飞散试验和浸水飞散试验，不同沥青对混合料耐久性的影响如表10和图4所示。

本次试验所用的9种结合料，大致可以分为SBS改性沥青类(B1、B2)、高黏度改性沥青类(B3～B8)和橡胶沥青类(B9)三大类。从试验结果来看：SBS改性沥青类浸水飞散损失太大，均大于25%，且与标准飞散损失相比，质量损失增幅均达到100%以上，不适用于小粒径开级配沥青混合料。高黏度改性沥青类和橡胶沥青类的浸水飞散损失与标准飞散损失相比，均有较大幅度减小，浸水飞散损失均不大于15%，表现出较好的抗松散能力。另外，黏度相对更大的结合料(B5、B6和B8)的浸水飞散损失更小。

表10 不同沥青对混合料耐久性的影响 (%)

3.3 纤维的影响

针对使用纤维和不使用纤维两种情况，在相同的设计油石比(6.3%)下，进行飞散试验和浸水飞散试验，纤维使用对混合料耐久性影响如表11所示。

表11 纤维使用对混合料耐久性影响 (%)

从表11可知：使用纤维有利于降低飞散损失和浸水飞散损失；对黏度较小的沥青改善效果更明显。

3.4 细集料类型影响

对石灰岩和玄武岩两种0～3 mm细集料，在相同的设计油石比(6.3%)下，进行飞散试验和浸水飞散试验，细集料类型对混合料耐久性的影响如表12所示。

表12 细集料类型对混合料耐久性的影响 (%)

与石灰岩细集料相比，采用玄武岩细集料的沥青混合料的飞散损失和浸水飞散损失更大，增幅分别达到33.8%和16.7%，这可能与玄武岩细集料与沥青的黏附性以及其难以压实等因素有关。

3.5 成型温度影响

采用2#级配在相同的设计油石比(6.3%)下，在不同成型温度下，成型不同孔隙率的马歇尔试件，进行飞散试验和浸水飞散试验，成型温度对混合料耐久性的影响如表13所示。

表13 成型温度对混合料耐久性的影响

设计级配和设计沥青用量相同时，随着成型温度下降，试件的飞散损失和浸水飞散损失均增大，其原因主要有两方面：一是成型温度下降，材料压实困难，空隙率增大；二是温度下降后，高黏沥青变稠，其黏结性受到影响。因此，施工控制时，应尽可能在温度较高时摊铺并完成碾压。

4 结语

(1) 6种级配的小粒径开级配超薄罩面的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗飞散性等路用性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求，在不同性能方面各有优劣，设计时应根据现场环境合理确定级配类型。

(2) 沥青用量的增加能够有效提高混合料耐久性能。

(3) SBS改性类沥青不适用于小粒径开级配沥青混合料，黏度更大的沥青能够有效保证混合料耐久性。

(4) 使用纤维有利于降低飞散损失和浸水飞散损失；对黏度较小的沥青改善效果更明显。

(5) 采用石灰岩细集料相比玄武岩细集料能够更有效地减少飞散损失和浸水飞散损失。

(6) 随着成型温度下降，试件的飞散损失和浸水飞散损失均增大，施工控制时，应尽可能在温度较高时摊铺并完成碾压。