探讨某高速公路超薄磨耗层配比设计及抗滑性能

彭宇文

(湖南高速华达工程有限公司，湖南 长沙)

引言

近年来，交通压力日益增大，使得我国部分运营中的高速公路产生了不同形式的路面破坏，其抗滑性能产生大幅度下降，严重威胁行车安全。高速公路运营过程中导致其抗滑能力下降的因素众多，但起决定性作用的指标主要有两种，即：横向摩擦系数和路面构造深度。目前，针对湿热条件下超薄磨耗层沥青混凝土抗滑性能影响因素的研究成果数不胜数，但大多数是在室内试验基础上进行的，未考虑温度、湿度等环境因素的影响，研究结果缺乏合理性。为此，本文结合实际工程案例，对湿热环境下高速公路超薄磨耗层配合比设计及抗滑性能展开研究。

1 工程概况

某高速公路工程地处我国西南地区，属亚热带气候，设计里程37.45 km，采用双向四车道布置，设计速度100 Km/h，局部路段速度为120 Km/h。该高速公路所在地区常年湿热多雨，道路受温度、湿度影响较大。

2 增设超薄磨耗层的作用

超薄沥青磨耗层主要是在不改变道路承载性能的基础上，对存在质量缺陷的路面实施修复的特殊施工方式。通过超薄磨耗层沥青罩面能有效提高路面平整度，改善道路路用性能，保证车辆运行稳定性，降低安全风险，是性能优良的路面维护技术。

（1） 超薄沥青磨耗层主要是将间断级配沥青混合料与乳化沥青拌合、摊铺形成的道路面层，其厚度较薄，一般不超过3 cm，抗滑效果显著。与微表处、石屑封层等技术相比，其强度较高、耐磨性好、抗滑降噪性能优良。

（2） 超薄沥青磨耗层不仅技术简便、效率高，且成型能立即通车，可最大限度降低对交通的影响；同时能有效提升道路平整度，增强路面防排水性能。

（3） 超薄磨耗层集料级配良好，空隙率大，具有较好的消声降噪效果，许多国家将其作为降噪面层。结合有关研究成果，针对路面轻微裂缝、车辙、抗滑能力较低的质量缺陷，采用超薄磨耗层技术效果显著。目前，该技术在我国北方部分高速公路已得到成功应用，但在南方湿热地区应用较少。

3 原材料

超薄磨耗层位于道路结构最表层，直接受车轮与空气作用，且成型后厚度较薄，混合料内部粗集料占比较大，通过相互嵌锁形成骨架空隙结构。因此超薄磨耗层路用性能明显优于其他面层，同时对原材料的要求更高。

3.1 沥青

本工程采用SBS（1-C 级）沥青进行超薄磨耗层施工，其相关技术指标检测数据见表1。

表1 SBS 改性沥青技术指标检测结果

3.2 集料

超薄磨耗层粗集料为性能优良的英安岩，其体积密度为2.8～3.3 g/cm3，具有较强的抗压缩性能，最大压缩强度达300 MPa，相对密度远远高于石灰岩、花岗岩等材料，在公路工程、铁路工程以及飞机航道建设中应用广泛，具有强度高、耐磨性好、压碎值小、沥青粘附性好等特点。超薄磨耗层施工时，其沥青拌合料性能与集料性能密切相关，直接决定道路路用性能，因此在进行混合料拌制时，应尤为重视集料质量。本工程采用的集料完全符合规范要求，粗集料为粒径5～10 mm的英安岩碎石。

超薄磨耗层沥青混合料为骨架空隙结构，其内部细集料含量较少，但对其性能影响却十分显著。因此，应加强细集料质量控制。细集料选择碎石屑或机制砂，质地洁净、干燥，粒径满足规范要求，且与沥青之间具有优良粘附性能。由于我国石灰岩分布较多，性质稳定，开采方便。因此本工程细集料采用粒径为0～5 mm石灰岩机制砂。

3.3 矿粉

矿粉作为超薄磨耗层沥青混合料中不可或缺的关键成分，具有增强粗集料之间粘结力的作用。矿粉作用机理主要表现在可与沥青形成吸附作用，且具有较大的比表面积，与沥青充分融合后，有效降低其润滑性能，增大摩阻力。本工程采用石灰岩矿粉，经技术指标检测，其表观密度为2.754 g/cm3，高于标准值2.5 g/cm3，符合要求。

3.4 原材料试验环境

开展原材料性能试验，其外部环境条件完全按照南方地区湿热条件执行，其温度保持在20～30 ℃范围内，湿度保持在40%～60%范围内。

4 湿热环境下超薄磨耗层配比设计及性能分析

4.1 矿料级配组成要求

本工程采用细粒式沥青混凝土AC-8，其矿料级配见表2。

表2 细粒式沥青混凝土AC-8 的矿料级配

4.2 矿料级配合成计算

采用水洗法进行沥青混凝土矿料级配筛分试验，从而测得矿料级配大小；结合实际情况，本工程级配大小为粗集料:细集料:矿粉＝61:30:9。其具体级配变化趋势见图1。

图1 细粒式沥青混凝土AC-8 的矿料级配曲线

4.3 马歇尔试验

采用马歇尔试验对细粒式沥青混凝土AC-8 进行检测，其检测结果见表3、图2～图5。通过图2～图5 能够看出，在最佳油石比条件下，AC-8 混合料空隙率为6%。通过差分法，对该条件下油石比进行计算，求得结果为6.35%。据此判定最佳油石比为6.35%。

表3 细粒式沥青混凝土AC-8 马歇尔试验结果

图2 油石比与毛体积密度的关系

图3 油石比与矿料间隙的关系

图4 油石比与沥青饱和度的关系

图5 油石比与空隙率的关系

4.4 路用性能试验

通过车辙试件及冻融劈裂试验对油石比为6.35%AC-8 沥青混合料实施路用性能试验[1]，其检测数据见表4、表5。通过表4、表5 能够看出，AC-8 沥青混合料各种性能指标均符合规范要求，粗集料采用5～10 mm 的英安岩级配碎石，细集料、矿粉均采用0～5 mm 机制砂，其配比为粗集料:细集料:矿粉＝61:30:9。

表4 细粒式沥青混凝土AC-8 车辙试验结果

表5 细粒式沥青混凝土AC-8 冻融劈裂试验结果

5 湿热环境下超薄磨耗层抗滑性能分析

5.1 温度和湿度对抗滑性能的影响

试验以温度、湿度为控制变量，分别设定6 种温、湿度条件，并根据各种温湿度条件进行试块养护，以有效检测出AC-8 沥青构造深度。按照单一变量4 块，共需试块48 个。通过试验结果分析可知:（1） 温度、湿度任意一个变量发生变化，均会导致试件构造深度发生改变。（2） 当湿度条件相同时，构造深度与温度呈负相关关系，即温度越高，构造深度越小。（3） 当温度条件相同时，构造深度与湿度呈正相关关系，即湿度越大、构造深度越大，当湿度达到一定程度后，其深度变化逐步趋于稳定。数据显示，当湿度为0 或超过81%时，试件构造深度均未超出0.05，表明湿度对构造深度影响程度较小。件3 个，实施马歇尔标准击实试验，测定其构造深度变化情况。通过轮碾试验，将其作用部位混合料切割成矩形，并对其构造深度实施测量，比较试验前后构造深度变化情况。通过下式（1）求得各油石比深度残留率。具体结果见表6。

由表6 能够看出，油石比越大，试件构造深度残留率越小。同时相关研究表明，沥青混合料油石比越大，超薄沥青磨耗层抗滑性能愈加显著，因此实际工程施工时必须对油石比实施科学把控。通过本工程相关试验，确定最佳油石比为6.35%，其应用效果显著。

表6 AC-8 混合料油石化- 构造深度试验结果

5.3 提高沥青路面抗滑性能的措施

结合本工程实际情况，建议从以下三个方面提升沥青路面抗滑性能。

（1） 结合现场实际情况，对油石比进行科学调整，工程实践表明，在保证道路抗滑性能满足使用需求的前提下，可适当降低油石比。

（2） 科学选择沥青材料。结合试验数据，采用I-D级改性沥青制备磨耗层。

（3） 增大粘附性。沥青路面经行车荷载反复作用，

5.2 油石比对抗滑性能的影响

当温度、湿度较高时，沥青混凝土面层油石比会发生显著变化，降低面层构造深度[2]。

根据油石比不同分别制作检测试件，各油石比条件下制作试车轮作用位置沥青含量显著增大，降低路面抗滑性能。因此，需科学调整沥青与集料间的粘附性[3]。

6 结论

综上所述，本文结合实际工程案例，对高速公路超薄磨耗层配合比设计及抗滑性能展开综合探究，通过具体工程试验确定了湿热环境条件下超薄磨耗层配比，其粗集料采用5～10 mm的英安岩级配碎石，细集料和矿粉均采用0～5 mm 机制砂，其配比为粗集料:细集料:矿粉＝61:30:9，油石比为6.35%。

（1） 沥青混合料构造深度与外部温度、湿度密切相关。当湿度条件相同时，构造深度与温度呈负相关关系，即温度越高，构造深度越小。当温度条件相同时，构造深度与湿度呈正相关关系，即湿度越大、构造深度越大。

（2） 油石比与试件构造深度残留率呈负相关关系，油石比越大，其残留率越小。因此实际工程应用中必须对油石比实施科学把控。

（3） 当温度、湿度较高时，沥青混凝土面层油石比会发生显著变化，降低面层构造深度。因此，可从优化油石比、选用高质量沥青及增大集料粘附性三方面入手，全面提高超薄磨耗层抗滑性能。