隧道路面超薄磨耗层层间黏结效果研究

傅 励

(1.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015； 2.交通建设工程湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410015)

0 引言

截止2020年底，我国公路隧道超2.1万处，总里程约2.2万km，我国已成为世界上隧道最多、最复杂的国家。公路隧道空间狭小、相对封闭、环境潮湿，其路面的建设与一般路段相比，对抗滑性、噪声、耐久性、废气排放等都有较高要求。由于我国早期隧道路面技术相对薄弱，有相当多的路面为水泥混凝土路面，存在抗滑性差、噪声大、易断板等问题，安全性也较差。即使设计为沥青路面，也存在废气排放大、抗水损害性差等问题[1-4]。

根据国内外相关研究，高性能沥青混凝土路面相比于水泥混凝土路面可有效提升抗滑性[5]。多空隙沥青混凝土和小粒径超薄沥青混凝土可有效降低噪声[6-7]。高黏度改性沥青可有效提升沥青混合料抗水损害能力和抗老化能力，并具有一定降噪效果[8]。温拌技术可明显减少施工排放，改善施工环境[9-10]。针对目前隧道路面结构与材料现状，沥青混凝土路面加铺采用温拌技术施工的高黏度改性沥青大空隙超薄磨耗层是一种有效可行的方法。超薄磨耗层作为一种新型加铺技术，一种广泛使用的预养护手段，在抗滑、降噪等方面有优异表现，但是因为厚度仅为1.5～2.5 cm，受荷载作用极容易出现剥落等问题，因而加铺超薄磨耗层与沥青路面的层间黏结效果是保证超薄磨耗层质量的关键之一，而超薄磨耗层材料、黏层材料和用量则是影响层间黏结效果的主要因素[11-12]。

为研究隧道路面超薄磨耗层与下卧层层间黏结效果，本文以层间抗剪性能为主要研究指标，通过室内试验，研究了开级配OGFC-13混合料、半开级配NovaChip®Type C混合料、密级配AC-13C混合料3种不同磨耗层沥青混合料，SBS 改性乳化沥青和Nova BondTM改性乳化沥青2种黏层材料与0.4、0.7、1.0、1.3 L/m2共4种不同黏层油用量对隧道路面磨耗层与下卧层层间抗剪性能的影响，为隧道路面超薄磨耗层的推广应用提供了支撑。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

本文考虑隧道路面实际工程情况，采用了4种不同类型的混合料，包括用作超薄磨耗层的OGFC-13混合料、Nova Chip®Type C混合料、AC-13C混合料和用作下面层的AC-20C混合料。沥青胶结料、矿物集料、矿物填料类型如表1所示，均满足相关规范或设计要求。黏层材料采用SBS 改性乳化沥青和Nova BondTM改性乳化沥青进行对比，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13]或Nova Chip®超薄磨耗层系统设计要求。

表1 沥青混合料原材料Table 1 Asphalt mixture raw materials混合料类型沥青胶结料矿物集料矿物填料技术要求OGFC-13壳牌高黏度改性沥青玄武岩矿粉JTG F40NovaChip Type CNovaBinderTM改性沥青玄武岩矿粉NovaChip 超薄磨耗层系统设计要求AC-13CSBS I-D 聚合物改性沥青玄武岩矿粉JTG F40AC-20CSBS I-D 聚合物改性沥青石灰岩矿粉JTG F40

1.2 级配设计

本文设置的3种磨耗层级配为密级配、半开级配、开级配，AC-13C、OGFC-13C、AC-20C级配设计参照相关规范[14]， Nova Chip®Type C级配采用Type C型半开级配，级配曲线如图1所示。

由图1可知，密级配AC-13C、半开级配Nova Chip®Type C 和开级配OGFC-13共3种超薄磨耗层沥青混合料的级配在4.75 mm 筛孔通过率有明显区别，通过率依次减少，造成3种沥青混合料组成结构形态有较大差别。密级配AC-13C 为骨料悬浮型结构；半开级配Nova Chip®Type C 类似SMA 沥青混合料，为骨架密实型结构；而沥青混合料OGFC-13 为骨架空隙型结构。沥青混合料的使用性能与其级配组成密切相关，选择粗型级配有利于沥青混合料的高温抗车辙性能，能够有更好的降噪效果，但是层间接触面积减少，黏结效果会变弱。

图1 级配曲线

1.3 最佳沥青含量

AC-13C混合料和AC-20C混合料通过制作马歇尔试件，根据试件密度、空隙率、稳定度、流值、沥青饱和度、矿料间隙率与沥青用量的变化情况确定最佳沥青含量，分别为5.0%、4.4%。OGFC-13混合料由于马歇尔试验与用油量的关系曲线不存在峰值，故通过析漏试验与飞散试验确定最佳沥青含量为5.4%，空隙率为19.5%。Nova Chip®Type C混合料基于Nova Chip®超薄磨耗层系统Nova Chip®体积特性的建议要求和油膜厚度指标(油膜厚度最优为10 μm)，以及析漏试验、水稳定性试验、冻融劈裂强度比验证，确定最佳沥青含量为4.8%，见表2。

1.4 试验设计

1.4.1试验方案

试验方案设计如表3所示。共设置了3个变量，包括磨耗层混合料类型、黏层材料种类、黏层材料用量3个影响层间黏结效果的最主要因素。其中磨耗层混合料采用密级配AC-13C、半开级配Nova Chip®Type C 和开级配OGFC-13作为3个水平，黏层材料采用SBS 改性乳化沥青，Nova BondTM改性乳化沥青作为2个水平，黏层材料用量则有0.4、0.7、1.0、1.3 L/m2共4个水平。

表2 最佳沥青用量Table 2 Optimum asphalt content混合料类型沥青胶结料最佳沥青含量/%OGFC-13壳牌高黏度改性沥青5.4Nova Chip Type CNovaBinderTM改性沥青4.8AC-13CSBS I-D 聚合物改性沥青5.0AC-20CSBS I-D 聚合物改性沥青4.4

表3 试验方案Table 3 Test scheme变量磨耗层混合料黏层材料黏层材料用量/(L·m-2)水平OGFC-13,No-vaChip Type C, AC-13CSBS 改性乳化沥青,NovaBondTM 改性乳化沥青0.4,0.7,1.0,1.3

1.4.2试件成型

成型过程依据规范[14]中T0703-2011相关规定，采用10 cm 车辙模具成型试件。成型步骤如图2所示，针对2种不同乳化沥青，成型方式有所区别。

图2 试件成型步骤

1.4.3试验参数

采用直剪仪进行直剪试验，采用常温 25 ℃作为试验温度，剪切加载速率为5 cm/min。参照规范[13]中T0719-2011沥青混合料车辙试验，试件在恒温室中保温 5 h。

2 结果与分析

2.1 磨耗层类型对层间抗剪强度的影响

本文设置了3种不同类型的磨耗层进行对比，3种磨耗层的主要区别是级配和沥青胶结料。对比相同条件下3种不同类型磨耗层(OGFC-13、Nova Chip®Type C和AC-13C磨耗层)对抗剪强度的影响，如图3所示。

图3 不同磨耗层对抗剪强度的影响

OGFC-13磨耗层与AC-13C磨耗层对抗剪强度的影响规律类似，并且AC-13C磨耗层表现更优。Nova Chip®Type C磨耗层的表现相对于OGFC-13磨耗层较优，并且在特定条件下存在明显优势。很显然，不同磨耗层类型对抗剪强度的影响存在明显差异，这主要是因为混合料级配类型存在差异。如图4所示，进行层间抗剪试验时，由于OGFC-13属于开级配沥青混合料，空隙率较大，与下面层接触面较少，故抗剪性能表现较差。而AC-13C属于密级配沥青混合料，与下面层接触面较大，故抗剪性能表现相对较优。但同时AC-13C属于悬浮-密实结构，缺乏骨架支撑，剪切力增加到一定程度时，磨耗层本身容易发生变形。因而虽然NovaChip®TypeC混合料属于半开级配，空隙率较高，但有骨架支撑，在特定条件下抗剪性能表现出更高的上限。

图4 层间剪切受力示意图

2.2 黏层材料对层间抗剪强度的影响

本文设置了2种不同类型黏层材料，一种是常用的SBS改性乳化沥青，另一种是Nova Chip®Type C磨耗层专用的Nova BondTM改性乳化沥青，对比相同条件下2种不同类型黏层材料对抗剪强度的影响，如图5所示。

图5 不同黏层材料对抗剪强度的影响

2种黏层材料对抗剪强度的影响规律类似，但总体来说Nova BondTM改性乳化沥青抗剪性能要优于SBS改性乳化沥青，抗剪强度峰值出现于Nova BondTM改性乳化沥青与Nova Chip®Type C磨耗层的组合。但值得注意的是，当用量大于0.4 L/m2时，相较于SBS改性乳化沥青，Nova BondTM改性乳化沥青对OGFC-13和AC-13C磨耗层层间抗剪强度的提升十分显著。但作为Nova Chip®Type C磨耗层的专用黏层材料，其对抗剪强度的提升却并不明显。

2.3 黏层材料用量对层间抗剪强度的影响

如图6所示，根据以往经验，本文设置了4种不同黏层材料用量(0.4，0.7，1.0，1.3 L/m2)，并针对4种不同黏层材料用量进行了6组对照试验。

如图6所示，6组对照试验中有5组抗剪强度随黏层材料用量增加先增加后减小，即用量在0.4～1.3 L/m2范围内存在最优用量。AC-13C磨耗层与SBS改性乳化沥青的组合下，抗剪强度随黏层材料用量的增加而减小，说明该组合最优用量小于等于0.4 L/m2。如图7所示，磨耗层级配、黏层材料性能都会直接影响黏层油最佳用量。黏层材料会在上下2层接触界面形成1层油膜，该油膜需要一定的厚度保证黏结效果，但不宜过厚，过厚时在剪切力的作用下油膜内部也可能发生变形。另外，可以看出，无论采用何种黏层材料，OGFC-13磨耗层最优用量在0.7 L/m2附近，Nova Chip®Type C磨耗层最优用量在1.0 L/m2附近，这说明黏层材料的最佳用量与磨耗层类型相关。而AC-13C磨耗层使用SBS改性乳化沥青时的最优用量小于等于0.4 L/m2，使用Nova BondTM改性乳化沥青的最优用量为0.7 L/m2，说明不同黏层材料也会影响黏层材料最优用量。

图6 不同黏层材料用量对抗剪强度的影响

图7 黏层材料作用示意图

3 结论

a.在相同黏层材料类型和相同黏层材料用量条件下，Nova Chip®Type C磨耗层抗剪性能上限最高，但与AC-13C磨耗层互有优劣，OGFC-13磨耗层抗剪性能表现最差。在黏层材料类型和黏层材料用量均为最优条件下，Nova Chip®Type C磨耗层抗剪性能>AC-13C磨耗层抗剪性能>OGFC-13磨耗层抗剪性能。说明Nova Chip®Type C磨耗层作为1种新型磨耗层技术，有着较为优异的层间抗剪性能。而级配也会对层间抗剪性能有显著影响，空隙率越高，层间抗剪强度下降越明显。

b.相同条件下，洒布Nova BondTM改性乳化沥青抗剪性能总体要优于洒布SBS改性乳化沥青，但低用量时(0.4 L/m2)例外。一定用量下(0.7～1.3 L/m2)，相对于洒布SBS改性乳化沥青，洒布Nova BondTM改性乳化沥青对OGFC-13磨耗层和AC-13C磨耗层提升显著，对Nova Chip®Type C磨耗层提升不明显。

c.洒布黏层材料存在最优用量，最优用量值与磨耗层类型和黏层材料类型有关。最优用量集中在0.7 ～1.0 L/m2左右，其中Nova Chip®Type C磨耗层最优用量>AC-13C磨耗层最优用量>OGFC-13磨耗层最优用量。