新型路面养护材料-超薄沥青磨耗层混合料的设计及性能研究

刘 辉

（上海城建养护管理有限公司，上海200063）

1 超薄磨耗层概述

超薄磨耗层作为一种新型路面养护材料，主要应用于高等级沥青或水泥混凝土路面的预防性养护和轻微病害的矫正性养护，也可作为新建道路表面磨耗层，具有抗滑、抗车辙、抗磨耗的优良性能，是一种超长耐久的沥青路面表面层。关于超薄磨耗层的研究最早始于法国，到20世纪80年代，其研究开发了一种厚度为20～25 mm的间断级配沥青磨耗层，该结构显著改善了沥青混凝土的宏观构造，且通过使用改性沥青和纤维，能够达到提高沥青混凝土耐久性的目的，具有构造深度大、抗滑性能好、行车噪声低的特点，很适用于重交通道路的面层养护。我国高速公路正处于建设和养护并举的高峰期，结合我国的实际情况，开展超薄磨耗层研究和推广应用，对公路建设和路面预防性养护具有重要的意义。

2 原材料性能及配合比设计

2.1 原材料性能

由于超薄磨耗层处于沥青混凝土路面上面层，直接承受行车荷载和自然界的影响，因此对沥青与粗集料的要求较高。一般采用软化点和60℃粘度指标较高的改性沥青，对粗集料的压碎值也有较高要求。一般采用SBS改性沥青，其各项指标见表1所列，符合《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）》要求。

宜采用2.5～5.0 mm花岗岩碎石、0～2.5 mm玄武岩石屑及石灰岩矿粉。粗集料冲击值为3.5%，磨耗值为9%，压碎值为12%。粗、细集料及矿粉主要技术指标和筛分试验结果见表2和表3所列，符合《公路沥青路面施工技术规范（JTGF40-2004）》的要求。

表1 SBS改性沥青主要技术指标一览表

表2 矿料主要技术指标一览表

表3 矿料筛分试验结果一览表

纤维采用VLATOP80颗粒状木质素纤维，密度为0.45±0.05 g/cm3，其他指标符合《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）》的要求。

2.2 混合料配合比设计

为了减少配合比设计时的试配次数，保证骨架密实结构的形成，采用主骨料空隙体积填充法进行超薄沥青混合料级配组成设计。由于超薄沥青混合料需要掺加纤维且其掺量是按照混合料量外掺，故需要按照体积关系对主骨料空隙体积填充法的计算公式进行修正：

式中，ωc、ωf、ωp、ωa分别为粗集料、细集料、矿粉的质量分数以及油石比；ωfib为纤维对混合料的掺加质量比例；VCA、Vvs为主骨架空隙百分率和混合料目标空隙率；ρsc为粗集料捣实密度；ρtf、ρtp为细集料及矿粉的表观密度；ρa、ρfib为沥青及纤维的密度。

根据上述原材料试验结果可知，粗集料毛体积相对密度为2.609，粗集料捣实密度ρsc为1.512 g/cm3；主骨架空隙百分率VCA为42%；细集料及矿粉的表观相对密度(ρtf和 ρtp)分别为 2.580、2.674；沥青及纤维的密度(ρa和 ρfib)分别为 1.026、0.45。取油石比=6.4%，矿粉用量=l2%，目标空隙率=4%，纤维对混合料的掺量=0.3%，代人式(1)、式(2)，计算得到粗集料用量=70.0%，细集料用量ωf=18.0%。由此得到，油石比为6.4%，2.5～5.0 mm花岗岩碎石用量、0～2.5 mm玄武岩石屑及石灰岩矿粉配合比为 70∶18∶12，纤维掺量为 0.3%，计算得到的合成级配如图1所示。同时将美国最大公称粒径为4.75 mm的SMA沥青混合料级配范围列出以作对比。

图1 SMA-5级配比较曲线图

可以看出，合成级配处于美国推荐的级配范围之内，且2.36～4.75 mm的集料占了63%，充分体现出小粒径、多碎石、断级配的特点。根据集料组成设计结果，初步选定油石比为5.8%、6.1%、6.4%、6.7%、7.0%进行马歇尔试验，试验结果见表4所列。根据马歇尔试验，初定最佳油石比为6.3%。

2.3 最佳油石比的验证

按初步选定的油比6.3%成型试件，分别进行谢伦堡沥青析漏试验、肯塔堡飞散试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和车辙试验等，试验结果见表5所列。根据验证结果，最终选定超薄磨耗层沥青混合料的最佳油石比为6.3%，其各项路用性能能满足规范要求，可以作为预防性养护维修的超薄罩面，也可作为新建路面的表面层。

表4 SMA一5沥青混合料马歇尔试验结果一览表

表5 最佳油石比下超薄磨耗层沥青混合料的性能验证一览表

3 超薄磨耗层的应用

3.1 超薄磨耗层应用场合

3.1.1用于沥青路面的预养护

沥青路面在使用一段时间后，在还没有出现明显病害之前，路面结构尚处于稳定状态时采用超薄磨耗层实施预养护，能使路况长期保持良好状态，减少道路使用营运费用。超薄磨耗层由于路面薄，投资费用不大，适时地进行预养护非常有益，它可有效地改善表面纹理和抗滑性，提高路面耐久性。

3.1.2用于高速公路路面表面层维修

高速公路路面的表面纹理、平整度等会随时间有所衰减，与采用碎石封层、稀浆封层、微表处等技术相比较，加铺超薄磨耗层能有效地改善路面纹理构造和平整度。同时，对于高速公路沥青路面不存在结构性问题的情况下，在原路面上直接加铺超薄磨耗层，可能是一种更好的选择，而不一定要非将上面层铣刨后再加铺不可。

3.1.3用于改善水泥路面行车的舒适性

在水泥路面板块稳定的情况下，上面加铺超薄沥青磨耗层，能改善行车的舒适性和安全性，降低交通噪声，改善交通环境。由于超薄磨耗层仅20 mm，对路面标高影响不大，因此特别适合新建城市道路水泥路面上应用。

3.2 超薄磨耗层的应用实例

某高速公路铺筑了超薄磨耗层路面。混合料设计级配为SMA-5，粗碎石为颗粒形状很好的花岗岩碎石，结合料为SBS改性沥青，纤维采用颗粒状木质素纤维。混合料孔隙率为4%，油石比为6.3%，析漏试验与松散试验均满足要求，动稳定度为6 488次/mm，冻融劈裂强度比（TSR）为94.4%。

为防止发生磨耗层发生脱层现象，要特别注意做好粘层，使上下层牢固粘结，这是超薄磨耗层成败的关键之一。为此喷洒改性乳化沥青，洒布量约为0.4～0.5 kg/m2。超薄磨耗层设计厚度25 mm，采用一般的沥青摊铺机就能施工。因为薄，热量容易散失，故摊铺后立即进行紧跟碾压。

为了检验试验路的施工质量和实际路用效果，在试验路施工结束后，进行了取样抽提试验，对试验路进行了抗滑性能(构造深度、摩擦系数)和渗水性能(渗水系数)检测。

3.2.1抽提试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)T0722-1993和 T0725-2000进行抽提试验并检验矿料级配。沥青含量：4.72%。

3.2.2构造深度

沥青路面的抗滑性能是一项重要的路用性能，它取决于集料自身的表面纹理结构 (微观结构，现用粗集料的加速磨光值PSV表述)，以及混合料的级配所决定的表面构造深度(宏观结构)。

采用《公路路基路面现场测试规程》(JTJ059-95)T096 l-95试验检测路面表面构造深度。从检测数据可以看出，磨耗层的表面构造深度比密级配沥青路面提高许多，显著提高了路面的抗滑能力。

3.2.3摩擦系数

采用《公路路基路面现场测试规程)(JTJ059-95)T0964-95试验方法，应用摆式摩擦系数测定仪测定沥青路面的抗滑值，用以评定路面在潮湿状态下的抗滑性能。从检测数据可以看出，磨耗层的摆值高于密级配沥青路面，提高了路面的抗滑能力。抗滑性能检测结果见表6所列。

表6 抗滑性能检测结果一览表

3.2.4渗水系数

采用《公路路基路面现场测试规程》(JTJ059-95)T0971-95试验方法，应用路面渗水仪测定沥青路面的渗水系数。经试验，SMA-13密级配混合料路面渗水系数为10 mL/min，磨耗层路面直接透水，无法进行渗水系数测定。

由于试验路中沥青路面下层的SMA-13密级配混合料基本不透水，可防止水向下渗透，并且磨耗层的车辙、水稳定性和抗冻性指标均满足规范要求，因此可为路表提供优良的服务功能。

该路段原计划将旧路面铣刨后加铺4 cm沥青面层，现改为铺筑2.5 cm超薄磨耗层，虽超薄磨耗层单价高，但因为厚度减薄，单位面积的费用反而有所降低。同时超薄磨耗层预计使用寿命比普通沥青混凝土长，使用效果好，所以性价比高，综合社会经济效益好。

4 结语

通过以上研究和分析，可以得出以下结论：

（1）超薄磨耗层构造深度大，具有抗车辙、抗水损坏、抗疲劳等技术性能，适用于提高表面层服务功能的养护维修工程，也适用于新建公路的磨耗层。

（2）磨耗层一般厚度为20 mm～25 mm左右，混合料宜采用断级配、改性沥青，以提高其抗滑性和水稳性，必须铺筑在路面结构强度和下承沥青面层的高温抗形变能力满足要求的路面上。

（3）磨耗层的下层应采用密实、不透水的密级配形式，以利于突出其表面功能作用，将路面的使用功能与沥青面层整体的受力有机地结合在一起。

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