细粒式密级配超薄磨耗层设计及工程应用分析

李蓬伟,闫泽南,骆俊晖,梁文浩

(1.广西荔玉高速公路有限公司,广西 南宁530022;2.广西北投交通养护科技集团有限公司,广西 南宁530200;3.广西平宣高速公路有限公司,广西 南宁530022)

0 引言

随着公路行业的不断发展,路网功能日益完善、服务水平显著提高,使公路养护任务急剧加重,养护范围和难度不断增大,我国逐渐从注重公路建设过渡到建养并重的阶段[1]。超薄磨耗层作为一种功能型表面层预防性养护技术,能够有效预防和修复路面轻微病害、减缓路面性能衰减、延长使用寿命,同时具有改善路面抗滑性能、提高降噪能力、施工简便等优点[2]。在保证路面具有与传统沥青罩面相同使用性能的前提下,超薄磨耗层能将厚度减薄至25 mm以内,可节约造价与成本30%～40%,社会经济效益明显,具有广阔的发展前景[3-5]。

现阶段,国内使用较多的超薄磨耗层级配类型有SMA-10、NovaChip、GT-8高韧超薄磨耗层、OGFC抗滑表层等,以上超薄磨耗层由于实施时需使用专用设备、材料要求和价格较高、单位面积平均造价高等原因限制了其推广使用。另外,开级配或半开级配超薄罩面相较于密级配而言耐久性会大大折减,更容易产生开裂破坏,而且由于空隙率较大,表面空隙容易被杂物堵塞,从而影响降噪和排水性能[6-7]。

基于此,本文针对当前超薄磨耗层存在的技术需求问题,通过材料和配合比设计优化,进行了细粒式密级配沥青混合料设计以及路用性能验证,并通过工程实际应用,提出配套施工工艺及相关参数,验证实际路用效果,以期为南方多雨地区提供一种性能优异的密级配超薄抗滑罩面的选择,为超薄磨耗层理论研究与实践应用提供参考。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

本文以三种改性沥青作为超薄磨耗层的备选沥青,并分别对三种沥青进行相关性能检测试验,试验结果见表1。从表1可以看出,1#SBS改性沥青和2#SBS改性沥青高温性能差异不大,均高于橡胶改性沥青,但1#SBS改性沥青低温抗裂性能较2#SBS改性沥青好。比较两种SBS改性沥青运动黏度后认为,2#SBS改性沥青黏度过高,会导致施工和易性差和能源消耗增加,1#SBS改性沥青各项性能均在技术标准合理范围内,高低温性能均较优,可作为超薄磨耗层沥青最优选。

表1 三种改性沥青技术指标检测结果表

粗集料选用5～10 mm英安岩碎石,技术指标检测结果见表2。细集料选用0～5 mm石灰岩机制砂。填料为石灰岩磨细得到的矿粉。

表2 粗集料主要技术指标检测结果表

1.2 配合比设计

1.2.1 矿料级配组成

本文在进行沥青混合料结构类型选择时,采取细粒式、密实型级配的设计思路,优先选择骨架密实结构:通过增加碎石含量提供微观纹理、粗集料断级配设计提供宏观构造;通过控制细集料含量、增强密实效果来减小孔隙率,以保证混合料具有足够的粘结能力、水温稳定性和耐老化性。选用的密实型超薄磨耗层矿料级配为AC-8型,目标配合比为6%,增设7.2 mm方孔筛作为最大公称粒径控制筛孔。通过水洗法确定的AC-8超薄磨耗层沥青混合料筛分结果及目标配合比矿料合成级配见表3。图1为矿料合成级配曲线。

图1 矿料级配曲线图

表3 AC-8沥青混合料矿料级配合成计算表

1.2.2 沥青含量的确定

超薄磨耗层作为路面结构中的表面功能层,对抗滑性、水稳定性和耐久性提出了更高的要求。本文提出一种基于路用性能与抗滑性能均衡的超薄磨耗层沥青混合料设计方法,即通过开展马歇尔试验得到沥青混合料中矿料嵌挤最紧密状态(矿料间隙为最小)时的油石比OAC1;开展析漏试验获得析漏损失率-油石比曲线拐点对应的油石比OAC2;结合轮碾试验和人工铺砂法获得试件构造深度残留率(轮碾后试件构造深度占轮碾前的比率),满足抗滑性能衰减要求时最大油石比OAC3;综合OAC1、OAC2、OAC3和设计空隙率确定最佳油石比和沥青含量。

1.2.2.1 马歇尔试验

以0.4%为间隔选取5个不同的油石比分别成型马歇尔试件。细粒式密级配超薄磨耗层AC-8马歇尔试验结果见表4和下页图2。由表4和图2可计算得到:沥青混合料最紧密嵌挤状态对应的油石比OAC1为6.79%。

(a)毛体积密度与油石比

表4 AC-8马歇尔试验结果表

1.2.2.2 析漏试验

以0.4%为间隔成型8种不同油石比的沥青混合料试件,分别进行析漏试验,所得析漏损失率与油石比拟合曲线如图3所示。从图3数据可知,AC-8沥青混合料析漏损失率与油石比曲线出现陡增拐点位置对应的油石比OAC2为7.0%。

图3 AC-8沥青混合料析漏试验结果曲线图

1.2.2.3 抗滑耐久性试验

评价路面结构层抗滑性能的指标主要有路面摩擦系数、构造深度(表面纹理深度)和横向力系数等[8]。由于构造深度测试方法简单快捷、应用广泛,因此选择该指标作为细粒式密级配超薄磨耗层沥青混凝土设计的抗滑指标。

本文采用的评价超薄磨耗层抗滑耐久性试验具体流程为:(1)检测不同油石比标准马歇尔试件的构造深度TD1;(2)采用定制夹具固定试件后放在轮碾仪下进行一定条件下的往返碾压试验,测量轮碾后的表面构造深度TD2;(3)以构造深度残留率TDR=TD2/TD1表征试件在车辆荷载反复作用下的抗滑性能衰减情况。同样以0.4%为间隔选取5个不同油石比开展抗滑耐久性试验,试验结果如表5所示。

表5 AC-8抗滑耐久性试验结果表

从表5数据可以看出,随着油石比的增加,试件构造深度衰减率逐渐降低,说明沥青含量越小时路面结构层具有更好的抗滑耐久性。本文以70%构造深度残留率对应的油石比作为抗滑耐久性能的控制点,可得到OAC3为6.0%。

1.2.2.4 确定最佳油石比

根据前文提到的最佳沥青含量确定方法,以OAC1、OAC2、OAC3综合确定AC-8沥青混凝土的最佳油石比OAC为6.6%。

1.3 路用性能评价

1.3.1 抗水损性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0709-2011和T 0729-2000相关规定对油石比为6.6%的AC-8沥青混合料开展浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。所得试验结果如表6和表7所示。

表6 浸水马歇尔试验结果表

表7 冻融劈裂试验结果表

由表6和表7可知,细粒式密级配AC-8沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为94.7%和99.3%,均不低于85%、80%的技术要求,表明该混合料具有较好的水稳定性能。

1.3.2 高温稳定性

按照规范对油石比为6.6%的AC-8沥青混合料试件开展60 ℃车辙试验,试验结果如表8所示。由表8可知,6.6%油石比的AC-8沥青混合料动稳定度结果为6 642.8次/mm,大于规范要求的3 000次/mm。此外,三组试件动稳定度结果的变异系数为18.6%,满足试验规程中≤20%的规定,证明该混合料的高温抗变形能力良好。

表8 车辙试验结果表

1.3.3 低温抗裂性

秀容川再不能镇定了，他把蚂蚁、虫子这段连看了两遍，心想：“这不是写我吗？我小时候，就有这事儿。难道我真是秀容月明的儿子？”

为探究AC-8型沥青混合料低温抗裂性能,按照规范对其进行小梁三点弯曲试验。所得试验结果如表9所示。

表9 低温弯曲试验结果表

由表9可知,AC-8沥青混合料低温弯拉破坏应变为3 012με,满足规范规定的≥2 500με的要求,说明AC-8沥青混合料具有良好的低温抗裂性能。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

广西某高速公路全长180 km,为双向四车道,设计时速为120 km/h。道路沿线气候温和、雨量充沛、湿度较大,年平均降雨量可达1 344 mm。自2005年12月建成通车以来,交通量逐年增长,年平均增长率达20%,且交通组成中大货车占比较高。随着服役年限的增加和交通荷载的影响,该高速公路沥青路面出现了不同程度的损坏,主要包括麻面掉粒、轻微车辙、坑槽、纵横向裂缝等病害,亟须进行养护维修。

2.2 超薄磨耗层施工

2.2.1 原路面病害处治

由于超薄磨耗层无法作为结构补强层为原路面提供强度支持,因此在铺筑前需对原路面进行弯沉检测,若路面强度不符合要求时,应采取注浆加固或铣刨回填等补强措施。另外,在超薄磨耗层施工前需对原路面存在的局部病害进行处治。对于宽度<3 mm、仅出现于表面层的裂缝可不作处理,但是必须确保防水粘结层沥青洒布时将裂缝完全覆盖;对于宽度为3～5 mm、出现在整个沥青面层和基层表面的裂缝,可采取灌缝后粘贴抗裂贴的处治措施;对于宽度>5 mm、贯穿整个面层和基层的裂缝,应采取铣刨回铺原沥青混凝土至原路标高的措施;对于深度>1 cm的轻微车辙可不作处理;对于存在深度为1.0～2.5 cm的中度车辙应采取铣刨方式处治,铣刨深度根据车辙深度确定。

(1)进行沥青混合料拌和时,SBS改性沥青温度控制在160 ℃～175 ℃,集料温度控制在190 ℃～205 ℃,完成搅拌后混合料的出厂温度保持在175 ℃～185 ℃。温度超过195 ℃时应将混合料废弃。

(2)由于超薄磨耗层厚度较薄,摊铺速度较快,为避免出现供料中断的情况,需保证有三台以上运料车在摊铺机前方等候卸料。装料前应在车厢内涂抹隔离剂,并按照车头、车尾、中部的顺序分三次进行装料,避免装料过程中出现离析。

(3)运料车行驶过程中保持匀速,不得突然刹车或转向,且应采取保温、防雨措施,全程采用篷布覆盖车顶。混合料到达施工现场后,派专人通过车厢测温孔检测混合料到场温度,超过施工温度要求时,应严禁使用。

2.2.3 摊铺与碾压

(1)摊铺前将熨平板温度预热至≥100 ℃,并按照施工要求调整熨平板高度和振动频率。摊铺过程中保证摊铺机匀速、平稳、不间断地运行,不得任意快速摊铺,再停下来待料。

(2)超薄磨耗层的压实采取初压、复压、终压结合的方式进行,初压为钢轮压路机静压前进,弱振返回一遍;复压时钢轮压路机来回振动碾压三遍、轮胎压路机揉搓碾压三遍;最后采用钢轮压路机静压收光一遍即可完成碾压工序。

2.3 施工质量检测

根据《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)对碾压完成后的超薄磨耗层开展构造深度、摩擦系数、渗水系数及平整度现场试验检测,检测结果如下页表10所示。从表10路面现场测试结果可知,AC-8型超薄磨耗层各项指标均满足技术规范,具有良好的抗滑、防渗性能以及平整度。

表10 超薄磨耗层现场测试结果表

3 结语

本文采用断级配骨架密实结构对AC-8沥青混合料进行配合比设计,并开展路用性能和工程实例应用研究,得出以下结论:

(1)通过提高碎石含量和采用断级配设计思想优化AC-8沥青混合料矿料组成结构,保证了AC-8沥青混合料具有良好的短期抗滑性能和长期抗滑性能。

(2)在密实型级配的设计思想下,超薄磨耗层混合料的设计空隙率仅为6%左右,可有效防止雨水下渗,改善沥青路面水稳定性。

(3)基于性能均衡的配合比设计方法得到的AC-8超薄磨耗层沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳性均满足规范要求,且抗滑性能衰减得到了较好的控制。

(4)通过对工程实例开展工后质量检测,表明AC-8超薄磨耗层具有良好的防渗性能、抗滑性能及平整度。