薄层罩面沥青混合料路用性能评价

陈淼荥

（广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511450）

0 引言

随着交通运输事业的快速发展，我国已建成覆盖全国各地的公路网，公路建设逐渐向养护管理转变。据交通运输部统计数据显示，截至2020年底，公路养护里程占公路总里程的99%。在交通荷载或自然环境影响下，沥青路面易产生车辙、开裂、坑槽和松散等病害，严重影响路面使用寿命和行车舒适性[2]。针对不同的路面病害，可采用不同的养护技术，常用的主要包括灌缝技术、铣刨技术和薄层罩面加铺技术。其中薄层罩面加铺技术具有延长路面使用寿命、改善路表整体病害和提高行车舒适性等特点，在路面养护中得到广泛应用[3-4]。薄层罩面技术是针对路面开裂、龟裂、路表松散等情况，在现有道路面层上加铺一层较薄（通常为30mm厚）的沥青混合料，整体改善路表性能。我国薄层罩面应用研究较晚，2003年引进了NovaChip沥青混合料罩面技术[5]，薄层罩面技术的研究应用得到了快速发展。对薄层罩面技术的研究集中在组成材料和施工工艺等方面[6-9]。

薄层罩面加铺后，直接承受行车荷载和环境因素的影响，因此对混合料路用性能要求较高，此外，由于沥青混合料罩面层较薄，要求矿质集料公称最大粒径不宜过大。不同级配的沥青混合料空间结构不同，沥青混合料路用性能也不同[10]。因此，本研究通过分析具有不同空间结构的薄层沥青混合料的路用性能，以期为薄层罩面养护技术的应用提供一定的参考。

1 试验材料与方法

1.1 沥青

研究所用沥青为SBS改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）（简称《试验规程》）的规定测试其性能，试验结果如表1所示，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）（简称《施工技术规范》）的要求。

表1 SBS改性沥青性能

1.2 沥青混合料配合比设计

集料和矿质填料均为石灰岩加工而成，其性能指标均满足《施工技术规范》要求。薄层罩面厚度一般小于30mm，沥青混合料级配最大公称粒径不宜大于9.5mm。本研究选用AC-10、SMA-10、OGFC-10和NovaChip-B四种沥青混合料作为研究对象。矿料级配如表2所示。

表2 沥青混合料配合比

研究采用马歇尔试验进行沥青混合料配合比设计，马歇尔试件尺寸为101mm×63.5mm，双面各击实50次。根据马歇尔试验结果计算得到AC-10、SMA-10、OGFC-10和NovaChip-B沥青混合料的最佳沥青用量（OAC）、空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）、稳定度（MS）及流值（FL）等参数，如表3所示。

表3 混合料马歇尔试验结果

2 路用性能试验结果与讨论

2.1 高温稳定性

针对高温稳定性，采用《试验规程》规定的车辙试验进行，试件尺寸为300mm×300mm×50mm（长×宽×高），将车辙板试件置于60℃恒温箱中保温5h，采用车辙试验仪在60℃环境中进行车辙试验，轮压为0.7MPa。以动稳定度（DS）和车辙深度（RD）作为评价指标，试验结果如图1所示。

图1 沥青混合料车辙试验结果

根据《施工技术规范》的规定，要求DS＞3000次/mm。由图1可知，AC-13,SMA-10,OGFC-10和NovaChip-B沥青混合料每毫米车辙所需轮碾次数分别为4 374,6 676,6 140和7 054次，均满足规范要求，而且四种沥青混合料的RD值最大仅为2.1mm，说明四种沥青混合料有较好的高温稳定性。此外，从DS和RD值均可看出，各沥青混合料高温稳定性由大到小依次为NovaChip-B＞SMA-10＞OGFC-10＞AC-10。NovaChip-B、SMA-10和OGFC-10的DS值较AC-10沥青混合料分别提高了61.27%、52.63%和40.37%。由于所用的沥青相同，因此其高温性能差异的主要原因在于：NovaChip-B、SMA-10混合料为间断型的骨架密实结构，其内部作用力包含沥青胶浆与集料间的黏结力和骨料间的嵌挤力两部分，在相同外力作用时，其性能最稳定；OGFC-10为开级配沥青混合料，沥青胶浆含量少，主要以骨料嵌挤力为主，而AC-10为密级配沥青混合料，主要以沥青与集料黏结力为主，并且当温度高于沥青软化点时，沥青会逐渐软化，与集料的黏结作用降低，因此在高温条件下以嵌挤力为主的OGFC-10薄层混合料高温性能优于AC-10。

2.2 低温抗裂性

采用《试验规程》规定的小梁低温弯曲试验测试沥青混合料的低温抗裂性能。小梁试件尺寸为250mm×30mm×35mm（长×宽×高），采用车辙板切割而成；试验温度为-10℃；加载速率为50mm/min。以弯拉应变ε和弯曲劲度模量S作为评价指标，ε越大，S越小时，混合料低温抗裂性能越好。试验结果如图2所示。

图2 沥青混合料低温弯曲试验结果

根据《施工技术规范》的要求，沥青混合料在冬严寒区（温度低于-37℃）的ε值不小于3 000με。由图2可知，除了OGFC-10，其余混合料均能满足规范要求；而OGFC-10弯拉应变为2 637.93με，满足冬冷区（-21.5~-9.0℃）不小于2 500με的要求，因此，四种沥青混合料具有良好的抗裂性能。此外，结合ε和S，四种沥青混合料低温抗裂能力由大到小为NovaChip-B＞SMA-10＞AC-10＞OGFC-10，且NovaChip-B、SMA-10和AC-10沥青混合料的ε值较OGFC-10分别提高了34.64%、22.88%和17.65%。产生差异的原因是由于各沥青混合料的空间骨架不同，NovaChip-B和SMA-10为间断型的骨架密实结构，除了沥青胶浆与集料间的黏结力之外还具有骨料间的嵌挤力，AC-10含有较多的细集料和沥青，混合料密实，空隙较小，而OGFC-10沥青胶浆含量较少同时具有较大空隙率，因此在相同加载条件下，抗裂性能低。

2.3 水稳定性

根据《试验规程》，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分析沥青混合料的水稳定性，以残留稳定度（MS0，指试件浸水48h后的稳定度与标准试样稳定度之比）和冻融劈裂强度比（TSR，指冻融试件劈裂强度与未冻融试件劈裂强度之比）来表征沥青混合料的抗水损坏能力。试验结果如图3所示。

图3 沥青混合料水稳定性试验结果

由图3可知，OGFC-10混合料的MS0值和TSR值最小，分别为85.49%和80.92%，均满足《施工技术规范》要求，说明四种沥青混合料具有较好的水稳定性。根据MS0值和TSR值评价沥青混合料水稳定性能，则AC-10＞SMA-10＞NovaChip-B＞OGFC-10，且AC-10、SMA-10和NovaChip-B的MS0值和TSR值相比于OGFC-10分别提升了8.8%,6.2%,3.94%和12.5%,9.0%,4.9%。这是因为AC-10细集料含量较多且油石比较大，形成了较为密实的沥青混合料结构，空隙率较小；NovaChip-B和SMA-10为间断型的骨架密实结构，空隙率稍大，而OGFC-10为开级配沥青混合料，空隙率最大，无论是在60℃恒温水浴条件下还是冻融循环条件下，空隙越大，水渗透性越强，抗水损坏能力越低。

2.4 抗滑性能

采用铺砂法试验可以较好地测试并区分不同混合料的表面粗糙程度。构造深度是路面抗滑性能的一项重要指标，反映了路面纹理深度，构造深度越大，路面抗滑性能越好，但构造深度太大时，易导致噪声增大，路面透水可能性增大，建议构造深度不宜大于1.4mm。本研究采用手工铺砂法，以路面构造深度（TD）来表征沥青混合料的抗滑性能，车辙板尺寸为300mm×300mm×50mm。试验结果如图4所示。

图4 抗滑性能试验结果

由图4可知，AC-10,SMA-10,OGFC-10和NovaChip-B混合料的TD值分别为0.59mm,0.96mm,1.2mm和1.14mm，均满足限值不小于0.55mm的要求。说明四种薄层沥青混合料皆有较好的路面抗滑性能。四种沥青混合料抗滑性能由大到小为OGFC-10＞NovaChip-B＞SMA-10＞AC-10,OGFC-10,NovaChip-B和SMA-10较AC-10抗滑性能分别提升了88.24%,93.2%和135.3%。这是由于沥青混合料表观构造不同，开级配多孔性的OGFC-10沥青混合料不仅表面具有良好的构造深度，而且混合料内部由于具有较大空隙保证了内部的宏观构造；AC-10混合料细集料含量较多且油石比较大，结构较为密实，空隙率较小，呈现出平整光滑的表面特性，降低了表面抗滑性能。

3 沥青混合料路用性能对比

表4对比了不同级配沥青混合料的路用性能。综合考虑，NovaChip-B沥青混合料内部黏结力和嵌挤力都比较好，高温稳定性和低温抗裂性能均最好，同时具有较好的水稳定性和抗滑性能，因此建议采用NovaChip-B混合料作为罩面。实际运用中可根据当地气候、交通条件下所需要的性能要求，参考本表格确定薄层罩面混合料类型。

表4 不同级配沥青混合料路用性能对比

4 结语

本研究分析了不同级配薄层罩面沥青混合料的路用性能。研究发现沥青混合料的空间结构分布会严重影响其路用性能，NovaChip-B和SMA-10混合料属于间断型的骨架密实结构，其内部作用力包含沥青胶浆与集料间的黏结力和骨料间的嵌挤力两部分。因此具有更好的高温稳定性和低温抗裂性，同时具有良好的抗水损坏能力和抗滑性能；AC-10属于连续型骨架密实结构，空隙率小，表面平整光滑，因此其抗滑性最差，而抗水损坏性能最好；OGFC-10表明粗糙，空隙率大，因此其抗滑性能最好，而抗水损性能最差。综合考虑，NovaChip-B混合料的高温稳定性、低温抗裂性能均最好，同时也具备良好的抗水损坏性能和抗滑性能，因此，建议可采用NovaChip-B薄层沥青混合料。