ARC-5超韧磨耗层沥青混合料性能研究

陆福才 闫泽南

摘要：为提供一种性能优异的超薄磨耗层沥青混合料应用于高速公路预防性养护工程，文章以高韧超弹复合改性沥青作为胶结料，并通过增设7.2 mm作为最大筛孔制备了三组不同级配的ARC-5沥青混合料，系统性研究了其各项路用性能。结果表明：ARC-5沥青混合料各项性能指标均远大于规范要求，具有良好的路用性能；随着孔隙率的增大，ARC-5沥青混合料最佳油石比、低温弯曲应变减小，动稳定度、残留稳定度、残留强度比、构造深度均有所增大。

关键词：超韧磨耗层；预养护；高韧超弹改性沥青；路用性能

中图分类号：U416.03    文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0071-03

0 引言

沥青路面结构中的表面层直接与轮胎和大气相接触，在车辆载荷、太阳辐射和水分等综合影响下，比其他路面结构层更容易受到破坏。一般来说，沥青路面表面层在使用3～5年后，会出现车辙、裂缝、坑槽等缺陷［1］。路面功能的下降将影响驾驶体验和安全，并降低道路的完整性和使用寿命。因此，有必要对沥青路面表层进行预防性养护，为路面提供良好的平整性、抗车辙性、抗水损害性，确保驾驶的舒适性和安全［2］。

沥青路面预防性养护措施包括薄层罩面、封层、再生三大类，其中薄层罩面是指厚度在10～25 mm的能改善路表使用功能的沥青结构层。常见的超薄磨耗层级配类型有NovaChip、SMA-5、AC-8、SMA-10、SAC-5等，不少学者对上述级配类型超薄磨耗层沥青混合料的路用性能开展了研究。李亚龙等［3］采用多碎石沥青混合料（SAC）级配设计方法设计了SAC-5沥青混合料，并通过试验研究了不同孔隙率下的路用性能。张彩丽等［4］通过试验和控制变量法分析了级配、沥青用量、压实度、粉胶比等对SAC-7沥青混合料路用性能的影响。李蓬伟等［5］通过多碎石断级配思想和基于路用性能与抗滑性能均衡的设计方法设计了AC-8沥青混合料，并对其路用性能和工程应用开展系列研究。徐小龙等［6］以自主制备的橡胶高黏改性沥青作为胶结材料，系统评估了SMA-5及SMA-10各项路用性能后发现SMA-5在摊铺厚度和高温稳定性等方面占优，而SMA-10在低温抗裂性等方面具有优势。

ARC超韧磨耗层（Anti-reflective Cracking）是一种新兴的路面预防性养护技术，其采用高韧超弹特种沥青作为胶结料，具有超强的韧性和抵抗变形的能力，能有效防止反射裂缝的产生［7］。作为一种超薄磨耗层，ARC超韧磨耗层实施厚度仅为1.2～2.0 cm，且施工方式灵活多变，具有广泛的应用前景［8］。当前，国内鲜有学者对其性能开展研究。本文通过级配优化设计和室内试验开展不同级配ARC-5沥青混合料的性能研究，以期为ARC超韧磨耗层的推广应用提供数据支撑。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

相较于传统表面层，超薄磨耗层由于结构层厚度减薄，其在车辆荷载作用下承受的弯拉应力和剪应力更大，为保证沥青对集料骨架的约束作用，应选择黏度大、韧性高、弹性好的专用沥青结合料。本研究沥青采用PG-82型高韧高弹复合改性沥青，其各项技术指标及检测结果见表1。所用粗、细集料均为产自同一厂家的辉绿岩。粗集料粒径为3～6 mm，坚硬耐磨，与沥青粘附性好；细集料粒径0～3 mm，干燥洁净、无风化、无杂质。粗、细集料各项性能指标及检测结果见下页表2。选用的矿粉为碱性石灰岩磨细而成，比表面积大，对沥青的吸附性强，且外观干燥洁净、无杂质、不成团，主要性能指标见下页表3。

1.2 超韧磨耗层沥青混合料组成设计

以2.36 mm作为区分粗细集料的分界筛孔，并增加7.2 mm为最大尺寸筛孔。依据规范中级配设计的一般方法，在选择集料结构时，根据各档矿料的筛分结果，在设计级配范围内调试选出3组级配，级配曲线如图1所示。

按规范分别制作3组级配的马歇尔试件，确定各级配最佳沥青用量，并测定试件的毛体积相对密度、空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等体积参数。3组级配最佳沥青用量及马歇尔试验结果详见表4。

由表4可知，3组级配均满足压实状态骨架间隙率VCAmix＜捣实状态骨架间隙率VCADRC，表明3组级配均为骨架密实型结构，粗集料的嵌挤作用能够形成，沥青混合料具备一定抵抗变形的能力。分析马歇尔试验参数可知，3组级配各项参数均满足技术要求，从级配1到级配3毛体积密度γf逐渐增大，空隙率VV逐渐减小。随着2.36 mm筛孔通过率的增大，沥青混合料中细集料增多，增强了对粗集料骨架的填充作用，沥青胶浆对骨架的约束与粘结作用更加显著，从而使得马歇尔稳定度MS增大，但由于粗集料含量相应减少，骨架结构的嵌挤力降低，一定程度上使流值FL增大。

1.3 沥青含量检验

为验证初拟的沥青含量是否满足要求，根据规范进行谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验。试验结果如表5所示。

由表5可知，3组级配最大沥青析漏损失和飞散损失分别为0.27%、7.2%（标准飞散）、7.9%（浸水飞散），均满足工程技术要求，表明沥青含量能保证对集料的粘结作用；飞散损失随着沥青混合料空隙率的降低而减少，3组级配中，飞散损失最大的为级配1，最小的为级配3，这是由于较少的细集料含量会使相应的沥青含量减少，沥青含量的减少在一定程度上会使集料的粘结性降低。

2 ARC-5沥青混合料性能评价

2.1 高温性能

为评价混合料的高温稳定性能，分别对3组级配的ARC-5沥青混合料进行60 ℃车辙试验，试验结果如图2所示。

由图2可知：3组级配下，沥青混合料的动稳定度均≥12 000次/mm，远大于规范要求，说明ARC-5沥青混合料具有优异的高温抗变形能力。其中，级配1动稳定度最大，为12 764次/mm；级配2次之，为12 275次/mm；级配3最小，为12 034次/mm，这表明随着混合料空隙率的增大，级配组成中粗集料含量相对增多，集料间嵌挤程度增强，形成了更加稳定的骨架结构，高温条件下抵抗变形的能力得到提升。

2.2 低温性能

采用小梁低温弯曲试验评价混合料的低温抗裂性能，试验结果如表6所示。从表6可以看出，ARC-5沥青混合料具有良好的低温性能，3组级配最大弯拉应变均≥7 000 με，其中级配3的抗弯拉强度和弯拉应变最大，级配1的最小，分析原因为从级配1到级配3沥青混合料空隙率依次减小，沥青用量依次增加，混合料沥青膜厚度相应增加，这使得沥青与集料间产生更大的粘附强度，有助于增强沥青混合料的整体强度和韧性，提高低温抗裂性能；另外，更为稳定、嵌挤程度更高的骨架结构也有助于承担外部荷载，提高传递荷载的能力。

2.3 水稳性能

对3组级配的ARC-5沥青混合料开展浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，以评价其水稳定性能。试验结果如图3、图4所示。由图3、图4可知：3组级配的残留稳定度均>85%、残留强度比均>80%，两项指标满足规范要求，说明ARC-5沥青混合料具备良好的抗水损能力。从级配1到级配3，空隙率降低，残留稳定度和残留强度比均有所减小，这进一步说明粗集料的嵌挤作用有利于形成相对稳定的结构，对提高沥青混合料的水稳定性具有积极作用。

2.4 抗滑与抗渗性能

针对3组级配制得车辙试件，采用手工铺砂法和渗水试验测定ARC-5超韧磨耗层的构造深度与渗水系数，试验结果如图5所示。由图5可知，3种级配ARC-5超韧磨耗层具有良好的抗滑性能，均满足构造深度≥0.55 mm的规范要求。随着级配1到级配3空隙率的减小，细集料增多，构造深度也呈现出减小的变化规律。3组级配混合料渗水系数均≤80 mL/min，其密水性满足高等级路面的规范要求，能在一定程度上防止由于水损害产生的早期路面病害。

3 结语

本文设计了3组不同级配的ARC-5超韧磨耗层，并对其各项性能进行试验研究，得出主要结论如下：

（1）增设的7.2 mm最大筛孔能使混合料中粗集料更加均匀，有利于骨架结构的形成和高温抗变形能力的提高，同时有利于降低超韧磨耗层的摊铺厚度。

（2）采用PG-82型高韧高弹复合改性沥青制备的ARC-5沥青混合料具备良好的路用性能，尤其是高温性能的表现，不同级配下ARC-5沥青混合料的60 ℃动稳定度最高能达到12 764次/mm。

（3）随着空隙率的增大，ARC-5沥青混合料构造深度增大，抗滑性能越好；3组级配渗水系数试验结果均满足规范要求，具有良好的抗渗水性能。

参考文献

［1］朱振祥，田 隽，王 冻，等.高粘弹改性沥青SMA-5超薄磨耗层路用性能研究［J］.山东交通科技，2019（5）：71-73.

［2］Jinquan W ，Jia S ，Sang L ，et al.Laboratory and Field Performance Evaluation of High-Workability Ultra-Thin Asphalt Overlays［J］.Materials，2022，15（6）：2 123-2 123.

［3］李亚龙，成志强.超薄磨耗层SAC-5沥青混合料设计及性能［J］.科学技术与工程，2022，22（8）：3 309-3 314.

［4］张彩利，李天豪，丁维哲，等.超薄磨耗层高黏高弹沥青混合料性能研究［J］.科学技术与工程，2023，23（28）：12 241-12 249.

［5］李蓬伟，闫泽南，骆俊晖，等.细粒式密级配超薄磨耗层设计及工程应用分析［J］.西部交通科技，2023（5）：74-78.

［6］徐小龙，陈 飞，江 飞，等.橡胶改性沥青SMA-5、SMA-10性能对比分析［J］.建筑技术开发，2023，50（4）：162-164.

［7］曹小燕，麦荣章，许湛成.最大粒径不同的ARC超韧磨耗层性能对比研究［J］.西部交通科技，2022（8）：5-8.

［8］李尚彬.ARC超韧磨耗层在“白改黑”复合式路面中的应用研究［J］.交通科技，2021（2）：74-77.

作者简介：陆福才（1987—），工程师，主要从事道路工程检测与咨询工作。