改性瀝青超薄磨耗層在道路養(yǎng)護工程中的應(yīng)用研究

趙立權(quán)，劉 柳，董 銘，聶 雷

（1.長春市市政設(shè)施維護管理中心，吉林 長春130033；2.吉林省中鑫路橋工程有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

在重載交通影響下，瀝青道路運營過程中易發(fā)生早期破壞病害。相對而言，常規(guī)銑刨重鋪養(yǎng)護技術(shù)造價成本高、施工工序復雜，已逐漸無法滿足道路養(yǎng)護的個性化需求，而超薄磨耗層技術(shù)因其低成本、快速化養(yǎng)護特征，正得到越來越多的關(guān)注。

有關(guān)超薄磨耗層在道路養(yǎng)護工程中的應(yīng)用，諸多專家學者已有一定研究成果：李運華等[1]首先分析了NovaChip 的舊路面修復機理，然后結(jié)合工程應(yīng)用實例分析其道路工程養(yǎng)護效果，認為該材料可將外界干擾與原路面隔斷來實現(xiàn)降噪和抗滑目的；殷俊等[2]采用小粒徑集料方案，制備了具有良好抗滑特性及排水能力的超薄磨耗層材料，重點著眼于該材料在施工過程中的碾壓功及溫度控制要點，并設(shè)計室內(nèi)試驗確定了指導現(xiàn)場施工的壓實功控制等參數(shù)；李正中等[3]設(shè)計了密級配UWM10 超薄磨耗層，在常規(guī)路用性能測試的基礎(chǔ)上改進了車轍試驗方案，分析了該材料在長期使用過程中的構(gòu)造深度變化趨勢，認為UWM10 相較于常規(guī)超薄鋪裝養(yǎng)護材料有著更好的路用性能表現(xiàn)；成高立等[4]依托超薄磨耗層養(yǎng)護實例，分析了其各項施工要點及路用性能表現(xiàn)，認為連續(xù)級配的超薄磨耗層在合理瀝青用量及配合比設(shè)計條件下，有著良好的路用性能表現(xiàn)；李麗慧[5]在熱拌瀝青混合料設(shè)計指標要點控制的基礎(chǔ)上進行改進，提出了冷拌冷鋪超薄磨耗層瀝青混合料配合比設(shè)計方案，并驗證了其路用性能表現(xiàn)；楊易等[6]設(shè)計了室內(nèi)試驗，選用改性瀝青作為層間黏結(jié)料，進行AC-13 路面的模擬超薄磨耗層加鋪試驗，分析了4種超薄磨耗層材料與原路面層之間的黏結(jié)效果；楊鷹等[7]選取了半開級配排水瀝青混合料，在其中摻加了纖維以削減其析漏損失，研究結(jié)果證明將其作為超薄磨耗層材料有著很好的路用性能表現(xiàn)。此外，也有研究者針對超薄磨耗層設(shè)計及施工過程中各項路用性能的影響因素，包括UTFO 和SMA 超薄磨耗層材料的加熱溫度、油石比對空隙率的影響規(guī)律等進行研究[8]。

綜上所述，現(xiàn)有針對超薄磨耗層路用性能的分析研究較為普遍，而針對不同改性瀝青及瀝青混合料級配類型所帶來的養(yǎng)護材料性能變化研究存在較大空白。因此，本文選取SBS 改性瀝青、橡膠復合改性瀝青和抗車轍劑改性基質(zhì)瀝青這3 種改性瀝青膠結(jié)料，在此基礎(chǔ)上分別選取OGFC、SMA 和NovaChip 這3種級配類型作為典型的開級配、間斷級配和半開級配選擇；針對上述3 種級配類型，在分別完成級配設(shè)計后，確定不同改性瀝青混合料的最佳油石比，然后成型9 組相關(guān)馬歇爾標準試件，對其路用性能進行檢測并作對比分析。

1 原材料選擇

1.1 集料與礦粉

作為道路養(yǎng)護工程中舊瀝青路面的表面覆蓋層，超薄磨耗層應(yīng)具備足夠的耐磨性和抗滑能力，在集料原材料選擇過程中應(yīng)充分考慮其路用性能要求，選取堅固、耐磨、質(zhì)量合格的集料。此外，為了保證集料間相互嵌擠而得到穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，在選擇粗集料過程中應(yīng)篩選棱角性明顯、形狀不規(guī)則且質(zhì)地堅硬的巖石顆粒；在選擇細集料的過程中應(yīng)注重表面粗糙、干燥潔凈且盡可能避免風化程度高的原材料。本文依托長春市某高等級公路大修工程，粗集料選取了產(chǎn)自當?shù)氐母咂焚|(zhì)玄武巖；礦粉選取了當?shù)氐氖規(guī)r礦粉，要求其0.075 mm 篩孔通過率在90%以上、親水系數(shù)在0.9 以下。

1.2 改性瀝青

超薄磨耗層的結(jié)構(gòu)層層厚較薄，要保證其穩(wěn)定性滿足要求，需要選擇黏附性較高的改性瀝青膠結(jié)料。為研究不同黏度改性瀝青膠結(jié)料對超薄磨耗層路用性能的影響規(guī)律，本文選擇了3 種改性瀝青并成型相關(guān)試件進行對比分析。3 種改性瀝青分別為SBS 改性瀝青、橡膠復合改性瀝青和抗車轍劑改性基質(zhì)瀝青。其中SBS 改性瀝青的SBS 含量為5.0%；橡膠復合改性瀝青是在SBS 改性瀝青的基礎(chǔ)上摻加20%質(zhì)量分數(shù)的0.425 mm 廢橡膠粉制備得到的高黏高彈復合改性瀝青，對應(yīng)的混合料拌和成型方法為濕法；抗車轍劑改性基質(zhì)瀝青則是在各項指標表現(xiàn)較為一般的70# 基質(zhì)瀝青中摻加0.8%質(zhì)量分數(shù)的抗車轍劑制備得到的改性基質(zhì)瀝青，抗車轍劑摻加設(shè)置于該種混合料的拌和環(huán)節(jié)。

3 種改性瀝青指標及檢測方法見表1 ?？梢园l(fā)現(xiàn)，3 種改性瀝青的針入度值從大到小排序為：抗車轍劑改性基質(zhì)瀝青＞SBS 改性瀝青＞橡膠復合改性瀝青，即3 種改性瀝青的黏度從小到大排序為：抗車轍劑改性基質(zhì)瀝青＜SBS 改性瀝青＜橡膠復合改性瀝青。

表1 3 種改性瀝青指標及檢測方法

2 配合比設(shè)計

超薄磨耗層的結(jié)構(gòu)層厚度一般設(shè)計為（20±5）mm，是現(xiàn)階段道路養(yǎng)護工程中較為經(jīng)濟適用的瀝青道路養(yǎng)護方案，可以有效延長瀝青路面的總服役年限，修補瀝青路面早期破壞病害，并能顯著改善路面行車舒適性。應(yīng)用于超薄磨耗層的瀝青混合料級配選擇較為廣泛，常見的級配類型包括AC、OGFC、SMA 和NovaChip 等。考慮到瀝青路面養(yǎng)護后的降噪、排水及抗滑綜合效果，本文在進行超薄磨耗層配合比設(shè)計時對其級配類型進行了篩選，最終選擇的超薄磨耗層結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度為20 mm，級配類型為OGFC-10、SMA-10 和NovaChip-10 這3 種，分別作為典型的開級配、間斷級配和半開級配選擇。

各組級配均以偏級配下限的設(shè)計思路，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計要求進行級配設(shè)計，在集料摻配過程中選取分檔篩分精配的方案。3 種級配類型的級配設(shè)計結(jié)果見表2～表4。

表2 OGFC-10 級配設(shè)計結(jié)果

表3 S MA-10 級配設(shè)計結(jié)果

表4 Nova Chip-10 級配設(shè)計結(jié)果

明確上述3 組級配設(shè)計結(jié)果后，分別針對上述3種級配類型，采用表1 所示的3 種改性瀝青，成型9組相關(guān)馬歇爾標準試件（試件編號見表5）；通過體積法測試這9 組試件的體積參數(shù)，進而確定3 種改性瀝青膠結(jié)料所對應(yīng)的9 組試件的最佳油石比，見表5。

表5 最佳油石比設(shè)計結(jié)果

3 路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

以動穩(wěn)定度表征超薄磨耗層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果見圖1。由圖1 可知：隨著改性瀝青黏度的提升，間斷級配SMA 瀝青混合料試件（SMA）的高溫穩(wěn)定性與之呈正相關(guān)關(guān)系，動穩(wěn)定度從1982 次/mm 提升至6605 次/mm，提升率可達233%；而半開級配NovaChip 瀝青混合料試件（NC）的高溫穩(wěn)定性與改性瀝青黏度呈負相關(guān)關(guān)系，動穩(wěn)定度從3215 次/mm 降低到1651 次/mm，降低了61%；而改性瀝青黏度變化對開級配OGFC 瀝青混合料試件(OGFC)的高溫穩(wěn)定性影響較小，三者動穩(wěn)定度均值為4597 次/mm。

圖1 高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

3.2 低溫穩(wěn)定性

以勁度模量及抗彎拉強度表征超薄磨耗層瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2。由圖2 可知：隨著改性瀝青黏度的提升，試件OGFC 和NC 的低溫穩(wěn)定性均呈現(xiàn)出明顯的線性提升趨勢，其中試件OGFC 的勁度模量從751 MPa 提升至953 MPa，抗彎拉強度從1045 MPa 提升至1242 MPa，試件NC 的勁度模量從1615 MPa 提升至2012 MPa，抗彎拉強度從1864 MPa提升至2402 MPa；而試件SMA 的低溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先降后升趨勢。此外，橫向?qū)Ρ炔煌壟涑∧ズ膶訛r青混合料的總體低溫穩(wěn)定性，以勁度模量為表征指標，從大到小排序為：SMA（平均勁度模量2163 MPa）＞NC（平均勁度模量1751 MPa）＞OGFC（平均勁度模量855 MPa）。

圖2 低溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

以殘留穩(wěn)定度表征超薄磨耗層瀝青混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果見圖3。由圖3 可知：隨著改性瀝青黏度的提升，3 種瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，試件OGFC、SMA、NC 的殘留穩(wěn)定度分別提升了4.9%、3.8%和6.3%；選擇橡膠復合改性瀝青可以最大限度地提升超薄磨耗層瀝青混合料的水穩(wěn)定性。橫向?qū)Ρ炔煌壟涑∧ズ膶訛r青混合料的總體水穩(wěn)定性，從大到小排序為：SMA（平均殘留穩(wěn)定度93%）＞NC（平均殘留穩(wěn)定度91.33%）＞OGFC（平均殘留穩(wěn)定度89.6%）。

圖3 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

4 抗滑性能分析

以構(gòu)造深度表征超薄磨耗層瀝青混合料的抗滑性能，結(jié)果見圖4。由圖4 可知：隨著改性瀝青黏度的提升，3 種瀝青混合料試件的抗滑性能均呈現(xiàn)出先提升后下降的趨勢，選擇SBS 改性瀝青可以最大限度地提升超薄磨耗層瀝青混合料的抗滑性；試件OGFC的構(gòu)造深度峰值為2.32 mm，試件NC 的構(gòu)造深度峰值為1.62 mm，試件SMA 的構(gòu)造深度峰值為1.53 mm。橫向?qū)Ρ炔煌壟涑∧ズ膶訛r青混合料的總體抗滑性，從大到小排序為：OGFC（平均構(gòu)造深度2.12 mm）＞NC（平均構(gòu)造深度1.50 mm）＞SMA（平均構(gòu)造深度1.31 mm）。

圖4 抗滑性試驗結(jié)果

5 結(jié)語

（1）隨著改性瀝青黏度的提升，SMA 改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與改性瀝青黏度的提升呈正相關(guān)關(guān)系，而NovaChip 改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與改性瀝青黏度的提升呈負相關(guān)關(guān)系。

（2）隨著改性瀝青黏度的提升，OGFC、NovaChip改性瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性呈線性提升趨勢；3 種改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的排序為SMA＞NC＞OGFC。

（3）3 種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性均與改性瀝青黏度呈正相關(guān)關(guān)系，水穩(wěn)定性的排序為SMA＞NC＞OGFC。

（4）3 種改性瀝青混合料的抗滑性能隨改性瀝青黏度的增加呈先提升后下降趨勢，選擇SBS 改性瀝青制備的改性瀝青混合料抗滑性能最佳；3 種改性瀝青混合料抗滑性能的排序為OGFC＞NC＞SMA。