NovaChip加铺沥青混合料性能提升评价

孙栖梧

（湖南高速设计咨询研究院有限公司， 湖南 长沙 410076）

随着基础设施建设发展，中国公路建设逐渐从以新建为主转向建设和养护并重。同时，在《交通强国建设纲要》等战略实施背景下，公路建设的质量提出了更高要求［1］。沥青路面是中国公路高级路面之一，目前现有沥青路面结构承载性能整体良好，但抗滑和平整度等指标存在衰减快的问题。超薄磨耗层技术作为一种可快速提升旧路面抗滑、平整度等缺陷的技术，同时具有良好的经济性，因此，超薄磨耗层技术得到了较为广泛的应用［2-7］。

NovaChip 超薄磨耗层是一种间断级配骨架空隙结构，已成为近年来中国最常采用的超薄加铺养护技术之一［8-14］。该技术采用专门的机械设备（NovaPaver），在破乳的乳化沥青（NovaBond）上进行混合料铺筑，对沥青路面上的轻型车辙和裂缝具有较好的修复作用［15］。在中国，该技术的研究相对滞后。目前，对其的研究仍主要集中在相关实体工程的性能验证分析及材料优选方面。李晓龙等［16］研究了高温条件下NovaChip 加铺层的层间抗剪性能的影响因素。叶伟［17］探究了改性乳化沥青材料对加铺层的层间黏结效果的影响，并取得了初步应用。钱普舟等［18］结合工程实践，探究了加铺前抛丸处治、层间施工工艺以及黏层油类别等对NovaChip加铺效果的影响。还有不少学者分析了沥青种类、压实施工温度对NovaChip路用性能的影响［19-20］。

目前的研究主要集中在加铺前超薄磨耗层使用性能分析以及在加铺时的层间处治效果评价方面，而对加铺后整体性能提升的评价研究相对较少。因此，本研究拟采用加铺后复合试件进行设计试验，通过小梁弯曲试验、三点弯曲疲劳试验以及改进的车辙试验，分别对不同黏层洒布量下复合试件的抗弯拉性能、疲劳性能、浸水后的高温稳定性以及抗松散性能进行分析。同时，研究黏层洒布对这些性能的影响效果，以期为超薄磨耗层技术在公路养护中的应用提供更加全面的评价。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

1） 沥青材料。

试验采用由壳牌公司生产的专用NovaBinder改性沥青作为超薄磨耗层胶结料，其相关技术指标见表1。

表1 NovaBinder改性沥青技术指标Table 1 Technical specifications of NovaBinder modified asphalt

在进行超薄磨耗层施工前，需要对原沥青路面铺设黏层油（乳化沥青）的洒布，试验采用的乳化沥青为改性乳化沥青，其技术指标见表2。

表2 改性乳化沥青技术指标Table 2 Technical index of modified emulsified asphalt

表3 NovaChip超薄磨耗层路用性能试验结果Table 3 Road Performance test results of NovaChip ultrathin abrasion layer

关于成型沥青的下承层，采用常用的AC-13 混合料，并使用符合规范要求的SBS I-D 改性沥青作为沥青材料［21］。

2） 集料。

采用玄武岩作为粗集料，按粒径分档。

① 粒径为（4.750，9.500］ mm 的集料划分到［5.000，10.000） mm档；

② 粒径为（9.500，13.200］ mm 的集料划分到［10.000，15.000］ mm档。

细集料则选用石灰岩，粒径为［0.00，4.750］ mm的集料划分到［0.000，5.000） mm 档。依照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005），对所选的集料进行检测［22］，其结果均满足规范要求［21］。

3） 矿粉。

选用石灰岩研磨矿粉作为填料，其各项技术指标均满足规范要求［21］。

1.2 NovaChip超薄磨耗层配合比设计

结合工程经验，采用了马歇尔法进行NovaChip超薄磨耗层的配合比设计。设计参照NovaChip 推荐级配（Type C 类型）［14］，合成级配如图1 所示。在各档集料掺配比例中，矿粉占9.5%，［0，5） mm 档占19.0%，［5，10） mm 档占22.0%，［10，15］ mm 档占49.5%。通过体积指标试验分析，确定了最佳油石比为5.0%。再对混合料进行高温（车辙试验）、低温（小梁弯曲试验）及水稳（浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验）性能分析，试验结果显示该混合料符合规范中对SMA-13性能的要求［21］，见表2。

图1 NovaChip超薄磨耗层合成级配Fig. 1 Synthetic gradation of NovaChip ultra-thin abrasion layer

1.3 试验设计

为评价加铺NovaChip 超薄磨耗层对混合料性能的提升效果，采用小梁弯曲试验、三点弯曲疲劳试验及改进的车辙试验，分别对加铺前后的混合料试件进行测试分析。同时，考虑黏层施工质量对层间黏结效果影响，还研究了不同黏层油洒布量对这些性能提升效果的影响。

2 小梁弯曲试验

试验采用300 mm×300 mm×70 mm 的双层车辙板试件进行研究。这种双层车辙试件的具体构造为：下层采用SBS改性AC-13混合料，制成300 mm×300 mm×50 mm 的车辙试件；上层采用300 mm×300 mm×20 mm的NovaChip超薄磨耗层。

复合试件成型过程如下：

1） 采用标准车辙试件成型方法，制备出50 mm厚的车辙试件。试件成型后，将其脱模，并放入高度为70 mm的定制车辙试模中。

2） 在下层车辙试件表面洒布乳化沥青，其洒布量分别为0.6、0.8、1.0、1.2 kg/ m2。

3） 待乳化沥青破乳后，使用NovaChip超薄磨耗层混合料来成型上层试件。冷却后将试件脱模，并切割成多块小梁试件。

考虑到规范中小梁弯曲试件的尺寸大小为250 mm×30 mm×35 mm［23］，综合考虑加铺路面结构的实际厚度及试验的可操作性，本研究的无加铺层试件采用规范标准试件尺寸，该复合试件尺寸大小为250 mm×30 mm×55 mm。其中，复合试件下层高度为35 mm，加铺磨耗层高度为20 mm，具体构造如图2 所示。试验在15 ℃的温度下进行，加载速率为50 mm/ min。

图2 双层试件示意Fig. 2 Schematic diagram of double-layer specimen

采用这些试验方法，分别测得各小梁试件的最大破坏荷载，测试结果图3所示，具体数据见表4。

图3 小梁弯曲试验结果随乳化沥青洒布量变化Fig. 3 Variation of trabecular bending test results with emulsified asphalt spreading volume

表4 15 ℃小梁弯曲试验结果Table 4 Trabecular bending test results at 15℃

从图3可以看出：

1） 通过加铺NovaChip超薄磨耗层，试件抗荷载能力得到了显著提升。相比没有磨耗层的试件，加铺后的试件破坏荷载提升了36.4% ～ 82.5%。这是由于加铺试件的厚度增加，提高了试件的整体抗弯拉性能。还发现在洒布黏层上、下两层的黏结成型效果良好，整体效果优良，有效发挥了加铺层的承载作用。

2） 随着乳化沥青洒布量的变化，试件的最大破坏荷载与乳化沥青洒布量的曲线为下开口抛物线。这是因为黏层油的洒布有助于提升复合试件的成型效果，但当洒布量过大时，复合试件整体的抗弯拉性能会下降。根据NovaChip 超薄磨耗层的设计思想，黏层油应该上透至NovaChip 超薄磨耗层混合料底部约1/3 层厚处。当洒布量过大时，黏层油渗透深度过大，沥青含量过高，可能会破坏上层试件的骨架结构，从而降低其承载强度。

综上所述，当洒布量为0.8 ～ 1.0 kg/ m2时，复合试件的整体抗弯拉性能最佳。

3 三点弯曲疲劳试验

根据小梁弯曲试验的结果，以及表4 中所列的不同乳化沥青洒布量下各试件的最大破坏荷载PB，对复合试件进行了疲劳试验。在疲劳试验中，分别采用了0.3、0.4、0.5、0.6 的应力比水平，施加应力P=PB×Si（Si为应力水平），试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz。不同乳化沥青的洒布量以及各应力水平下的测试应力见表5。

表5 三点弯曲疲劳试验测试应力Table 5 Stress was measured by three point bending fatigue test kN

根据表5 的计算结果，对各试件进行不同应力水平下的三点弯曲疲劳试验。疲劳寿命试验的结果如图4所示。

图4 不同应力水平疲劳试验结果Fig. 4 Fatigue test results of different stress levels

从图4可以看出：

1） 随着应力水平的增加，所有试件的疲劳性能均出现了大幅度衰减。无论在哪个应力水平下，没有加铺磨耗层的试件的疲劳寿命都是最短的。应力水平越低，疲劳寿命的提升效果就越显著。当应力水平为0.3 时，无加铺磨耗层的试件疲劳次数为8 712 次，而加铺磨耗层后的试件疲劳次数最低为12 748 次，最高可达16 993 次，疲劳寿命至少提高了46%。当应力水平增加至0.6 时，没有加铺磨耗层的试件疲劳次数降低至675 次，而加铺磨耗层后的试件疲劳次数最低为1 244 次，疲劳寿命至少提高84%。总体而言，无论哪个应力水平下，加铺NovaChip 超薄磨耗层能显著提升沥青混合料的疲劳寿命。

2） 当乳化沥青的洒布量分别为0.8、1.0 kg/m2时，混合料的疲劳寿命最长，而且二者相当接近。其他试件的疲劳寿命大小顺序依次为1.2 kg/m2、0.6 kg/m2和无加铺试件。在没有加铺NovaChip超薄磨耗层的情况下，沥青混合料试件的疲劳寿命相比于加铺NovaChip 超薄磨耗层时的疲劳寿命有大幅度降低，但无论是小梁弯曲试验还是疲劳试验，持续增大乳化沥青的洒布量并不会使得沥青混合料的疲劳寿命持续增长。这是因为过少的洒布量会导致上层混合料与下层混合料之间的黏结性不足，从而使疲劳寿命的增长受限。随着乳化沥青用量的增加，上下层之间黏结所需的乳化沥青逐渐达到饱和状态，持续增大用量反而会造成黏层油过剩，降低预期的黏结效果，影响整体的受力性能。

4 改进车辙试验

由于在设计NovaChip 混合料时已经进行了车辙试验等路用性能的验证，考虑到超薄磨耗层的施工厚度一般较小（约为20 mm），在荷载作用下，特别是在水-力耦合条件下，容易产生松散。为了评估加铺后磨耗层的抗松散性能，对车辙试验进行如下改进：

1） 在试验前，将车辙试件称重，并置于60 ℃的水中浸泡5 h。

2） 擦干水分后，将试件置于60 ℃的车辙试验箱中进行车辙试验。

3） 车辙试验完成后，用毛刷刷掉表层的松散集料颗粒。

4） 将车辙试件烘干至恒重，然后称取试件的质量。

5） 分别测试试件的动稳定度和集料松散率。

试验得到的试件动稳定度及加铺前、后试件松散量的结果如图5所示。

图5 不同乳化沥青洒布量下改进车辙试验结果Fig. 5 Improved rutting test under different emulsified asphalt sprinkling amounts

从图5可以看出：

1） 加铺NovaChip超薄磨耗层后，复合试件的动稳定度显著提升，这说明加铺层有效地增强了试件在浸水后的高温稳定性。与没有加铺层的试件相比，加铺后的试件的动稳定度提升了约10%。在不同黏层油洒布量下，复合试件的动稳定度差异较小，且没有明显的变化规律。这表明黏层油的洒布量对试件高温稳定性没有显著影响。在浸水后，复合试件的黏结效果良好，没有形成潜在的脱层剥落风险。

2） 在车辙试验完成后，复合试件的松散质量明显小于无磨耗层试件的，且在洒布量为0.8～1.0 kg/ m2时，松散量较小。这是因为当层间黏结良好时，车辙试验中的集料松散主要发生在试件的表层。由于NovaChip 超薄磨耗层具有优良的力学性能，在湿热耦合加载条件下，它不仅具有优异的抗车辙性能，还具优秀的抗松散能力。

5 结论

通过进行小梁弯曲试验、三点弯曲疲劳试验以及改进的车辙试验，评估了在不同黏层油洒布量下，加铺NovaChip 超薄磨耗层对沥青混合料性能的提升效果，得到以下结论：

1） 加铺NovaChip超薄磨耗层后，沥青混合料抗弯拉性能得到了提升，复合试件的破坏荷载提高了36.4% ～ 82.5%。超薄磨耗层还能显著延长沥青混合料的疲劳寿命，尤其是在较低的应力水平下，该提升效果更显著。

2） 通过改进的车辙试验，加铺NovaChip超薄磨耗层可以使动稳定度提升约10%，并且层间黏层油的洒布量对提升效果没有显著影响。

3） 黏层油的洒布量对复合试件的抗弯拉性能、疲劳寿命及改进车辙试件的松散率具有显著影响，并且洒布量与复合试件的抗弯性能、疲劳寿命及改进车辙试件的松散率之间的函数关系均为下开口抛物线。综合考虑，推荐乳化沥青黏层油的洒布量为0.8～1.0 kg/ m2。