超薄磨耗沥青混合料设计方法与施工控制研究

■詹 军

(1.福建省交通科学技术研究所，福州 350004;2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004)

1 引言

福建省地区高温多雨，目前，高速公路沥青路面结构多采用抗水损害较好的密级配沥青混合料，但是，该类型路面降雨后存在表面水膜，会降低路面抗滑能力，对行车安全造成隐患。因此，研究推广一种针对交通量大、路面性能要求高的高等级路面解决方案势在必行。

超薄磨耗层采用一台摊铺机械将间断级配的大空隙热拌改性沥青混合料直接铺筑在同步喷洒改性乳化沥青的粘结层上，厚度一般为10～25mm，其主要应用于高等级沥青路面或水泥路面的预防性养护和轻微病害的矫正性养护，也可以作为新建道路的表面磨耗层。超薄磨耗层施工采用一台摊铺机械同步完成乳化沥青洒布与改性沥青混合料的摊铺，乳化沥青的破乳主要是利用热沥青混合料的高温将乳化沥青中的水汽化来完成，同时部分破乳后的乳化沥青还将随汽化作用向上提升，并填充超薄磨耗层下部的空隙，使超薄磨耗层下部具有防水、封闭裂缝的作用，而上部具有抗滑、耐磨、排水、降噪的作用。

2 超薄磨耗设计方法的研究

2.1 设计方法概述

超薄磨耗层的配合比设计，应充分考虑使用要求、原路面状况、交通量、气候条件等因素，选择适当的超薄磨耗层类型，确定施工方案。由于超薄磨耗沥青混合料细集料很少，模量要远低于普通沥青混凝土，因此，建议采用高粘高弹改性沥青提高抗压回弹模量和劈裂强度。参考日本排水性沥青路面结构设计方法，超薄磨耗层考虑与沥青路面结构采用同样的荷载扩散率和抗疲劳率，由于超薄磨耗层的厚度较小，在路面结构设计中只是作为路面磨耗层，不计算其对路面结构强度的贡献。超薄磨耗层沥青混合料设计应严格按照JTG F40-2004 热拌沥青混合料配合比设计三阶段设计方法进行。超薄磨耗层混合料配合比采用混合料体积设计法进行设计，理论上，试件的成型方法应该尽可能模拟施工现场的成型方式，根据相关调查，超薄磨耗层的压实要求较低，一般采用9～12t 的双钢轮压路机静压2～3 遍即可，旋转压实仪成型试件比马歇尔击实成型试件更接近于现场施工的压实沥青混合料的实际情况，因此，采用旋转压实方法成型试件。按照骨架嵌挤状态必须满足压实混合料的粗集料间隙率VCA 小于粗集料干捣VCA 的原则进行级配设计。

2.2 配合比设计流程

由于目前的超薄磨耗沥青混合料采用高粘沥青，采用表面常数法来计算沥青最佳用量将不再合适，因此增加采用析漏和飞散试验结果来综合确定沥青的最佳用量。增加低温性能试验和水稳定性试验。设计流程见图1。

2.3 目标空隙率的设定

空隙率对排水性能有着重要的影响，空隙率太小会限制排水功能，空隙率太大会对结构承载能力以及耐久性造成影响。空隙率的选择应在透水性与结构承载力以及耐久性之间平衡。参考美国ATPB 的使用经验，ATPB 混合料的空隙率在15%～25%之间。日本OGFC 推荐方案，OGFC 混合料的空隙率在17%～22%。根据大量的室内试验和工程实践，结合超薄磨耗层的实际厚度，超薄磨耗层的空隙率应控制在大于10%。

图1 配合比设计流程

2.4 级配的选择

超薄磨耗层矿料级配采用间断级配，必须具有相互嵌挤的粗集料骨架，形成石-石嵌挤结构。超薄磨耗层作为薄层罩面厚度一般10mm～25mm，摊铺厚度宜为最大公称粒径的2.0～2.5 倍。考虑到不同的使用要求，超薄磨耗层按照公称最大粒径，有三种级配类型，故超薄磨耗层用最大粒径一般为4.75mm、9.5mm 或13.2mm。级配范围见表1。

2.5 原材料要求

2.5.1 集料的选择与规格要求

考虑到用于上面层，为保证超薄磨耗层的抗滑性能，要求所用粗集料具有较高的坚固性和耐磨性，超薄磨耗层所用粗集料的质量要求指标主要是针对其在高速公路中使用的要求，其他公路的质量指标可参照规范要求进行适当降低。沥青路面集料的选择必须经过认真的料源调查，确定料源应尽可能就地取材。质量符合使用要求。推荐的料场级配如表2～4。

2.5.2 沥青产品

超薄磨耗层所用粘层油为改性乳化沥青，改性乳化沥青不单单起到粘结表面层与下承层的作用，更重要的是可以部分进入上部沥青混合料中，提高沥青混合料的路用性能，并且起到封层作用，因此作用至关重要。具体指标见表5。对于改性沥青结合料，应根据当地气候与交通状况而定，由于所用级配采用的间断级配，空隙率较大，可以在混合料中加入其它添加剂，以增加其混合料的粘结性能。改性沥青指标应符合表6 的要求。

表1 超薄磨耗层混合料矿料级配范围

表2 集料规格要求 （厚度1.0~1.5cm）

表3 集料规格要求 （厚度1.6~2.0cm）

表4 集料规格要求 （厚度2.0~2.5cm）

表5 粘层油质量技术要求

表6 改性沥青质量技术要求

2.6 确定最佳沥青用量

超薄磨耗层混合料采用旋转压实方法成型试件，根据沥青膜厚度、混合料体积性质和性能测试确定最佳沥青用量。

2.6.1 确定初始沥青用量

通常，在原材料因素和水、交通等外部因素确定后，适当提高沥青用量是改善超薄磨耗层材料抗水损害能力的重要方法。沥青用量可按集料的表面积与沥青膜平均厚度的乘积确定，而表面积可按下列经验关系式估算：

矿料表面积=0.41+0.41a+0.82b+1.64c+2.87d+6.14e+12.29f+32.77g(m2/kg)

式 中：a、b、c、d、e、f、g 分 别 是4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm 和0.075mm筛孔的通过百分率。

由于超薄磨耗采用的是高粘沥青，因此，在确定沥青用量时，沥青膜厚度应不小于10μm。

2.6.2 确定矿料配比

用计算得出的沥青用量拌和混合料，采用旋转压实方法成型试件，成型试件直径100mm，旋转压实仪的单位压力为600kPa，设定旋转压实次数为100 次。材料加热及试件成型温度范围见表7，混合料的体积特性要求见表8。超薄磨耗层矿料级配要求中，筛孔4.75mm 和2.36mm 是关键筛孔，是矿料级配形成间断级配的关键，建议4.75mm 通过率与2.36mm 通过率差值小于5%。同时应严格控制0.075mm 通过率。

表7 材料加热及试件成型温度范围

表8 超薄磨耗层沥青混合料体积特性要求

2.6.3 混合料性能验证

超薄磨耗层沥青混合料配合比设计完成后，应进行谢伦堡沥青析漏、肯塔堡飞散与冻融劈裂试验分别检验最大沥青用量、最小沥青用量和混合料水稳定性。考虑到泛油等病害，因此，在进行性能验证时对析漏的要求比一般的沥青混合料更严格一些，具体应符合表9 各项指标要求。

表9 超薄磨耗层沥青混合料设计检验指标

3 施工工艺与质量控制

2008 年至今在福建省高速公路铺筑了近100 万m2超薄磨耗层，包括沥青路面上面层的加铺层或隧道水泥路面加铺层。施工过程中与其他地段衔接处采用调坡的方式调整路面标高。施工的气温应高于10℃；不得在雨天施工；严禁在过湿或积水的路面上进行施工。

3.1 对原路面要求

超薄磨耗层主要应用于高等级沥青路面或水泥路面的预防性养护和有限的矫正性养护，并不能作为结构补强层，原沥青路面必须有足够的结构强度。（1）当原路面整体结构强度不足时，即PSSI＜80，不应采用超薄磨耗层罩面。原沥青路面应保持较好的路面状况。（2）当原路面破损情况严重时，即DR＞2%，不应采用超薄磨耗层罩面。原沥青路面应具有较好的平整度。（3）当原路面平整度较差时，即IRI＞3.5m/km，不建议采用超薄磨耗层罩面。（4）原沥青路面不能有较深车辙。当原路面车辙较深时，即RD＞15mm，应先对路面进行车辙填充，然后再进行超薄磨耗层罩面。（5）原沥青路面裂缝密度不能过大，当原路面裂缝率较大时，即CR＞1%，应先对路面裂缝进行处理，然后再进行超薄磨耗层罩面。

3.2 沥青混合料的拌和

超薄磨耗层沥青混合料应采用间歇式拌和机拌制，冷料仓的数量满足配合比需要，通常不宜少于5～6 个。拌和楼筛网设置直接决定了拌和产量、混合料级配的稳定性和生产的经济性，不同筛网设置适用于不同的混合料生产，在筛网选择上主要考虑了以下两方面：（1）最大筛孔的振动筛设置与混合料的最大粒径相一致；（2）筛孔选择与混合料控制点孔径相一致。超薄磨耗沥青混合料粗集料用料比例较大，为保证热料仓内平衡和防止溢料，生产过程中严格控制和处理好各冷料仓的上料速度。超薄磨耗的生产拌和与SMA 相类似，间歇式拌和机每盘的生产周期不宜少于50s，拌和楼出料温度为180℃，生产过程中根据集料干湿程度调节燃油器功率大小，确保出料温度。拌和机除尘设备完好，能达到环保要求。

3.3 沥青混合料的运输

超薄磨耗层沥青混合料具有较大的空隙率，热量散发较快，因此运料车宜用苫布覆盖保温、防雨、防污染。宜采用较大吨位的运料车运输，运料车的运力应稍有富余，施工过程中摊辅机前方应有运料车等候，待等候的运料车多于4 辆，以保证连续摊铺。从拌和机向运料车上装料时，应多次挪动汽车位置，平衡装料，以减少混合料离析。

3.4 混合料的摊铺

超薄磨耗层采用专用摊铺机进行施工，设备能够一次性完成粘层油喷洒、热沥青混合料摊铺及熨平，可在粘层油喷洒后5s 内进行热沥青混合料摊铺，在热沥青混合料摊铺之前，设备履带或其它部位不能接触喷洒在路面上的改性乳化沥青。摊铺机开工前应提前0.5～1h预热熨平板不低于100℃。按试验段确定的松铺厚度调整熨平板高度。铺筑过程中应选择熨平板的振捣或夯锤压实装置具有适宜的振动频率和振幅，以提高路面的初始压实度。摊铺过程中应随时检查摊铺层厚度及路拱、横坡。熨平板加宽连接应仔细调节至摊铺的混合料没有明显的离析痕迹。

摊铺机必须连续不间断地摊铺，摊铺速度宜控制在5～12m/min 范围内，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料的离析。发现混合料出现明显的离析、波浪、裂缝、拖痕时，应分析原因，予以消除。用机械摊铺的混合料，不宜用人工反复修整。当不得不由人工作局部找补或更换混合料时，需仔细进行，特别严重的缺陷应整层铲除。

3.5 混合料的压实

超薄磨耗层路面采用9～12t 的双钢轮压路机静压2～3 遍(总遍数)，横向接缝处采取振动碾压，压路机的振动频率宜为35～50Hz，振幅宜为0.3～0.5mm。

由于超薄磨耗层摊铺厚度薄，降温速度快，因此，压路机应紧跟摊铺机后匀速碾压，并保持较短的碾压区长度，以尽快使表面压实，减少热量散失。在不产生严重推移和裂缝的前提下，在混合料摊铺后应在尽可能高的温度下进行碾压。超薄磨耗层碾压必须在路面温度降至120℃之前进行,同时不得在低温状况下作反复碾压，使石料棱角磨损、压碎，破坏集料嵌挤。

3.6 接缝与开放交通

超薄磨耗层路面纵向接缝施工中，应特别注意混合料碾压对温度的要求，纵接缝施工要求混合料温度取允许范围上限为宜，熨平板加热温度满足本规范要求，应控制在混合料温度降至120℃前完成接缝处碾压施工。超薄磨耗层应在铺筑路面温度降为50℃以下时方可开放交通。

3.7 施工过程中质量管理

对于超薄磨耗层应特别重视材料质量、施工温度和压实工序的管理，使混合料形成充分嵌挤并达到稳定的状态，切忌片面追求平整度而降低压实温度。超薄磨耗层施工过程中应设专人查看粘层油喷洒情况，如出现多洒、少洒或漏洒情况应立即与操作人员沟通停止摊铺，对设备进行调试，严重的应将铺筑的混合料予以铲除。随时对新铺路面外观进行目测，表面必须平整密实，不得有轮迹、裂缝、推挤、油斑、油包、离析等现象。接缝必须紧密平顺，无跳车。每日应从拌和站或施工现场随机取样1～2 次，检测混合料的级配和沥青含量。抽检混合料的级配和沥青含量满足表10 的要求时，可不对拌和站各生产参数调整。反之，应查找原因，调整生产，使混合料的级配和沥青含量满足表10 的要求。

表10 混合料级配和沥青含量允许偏差

每日应从拌和站或施工现场随机取样1～2 次，检测混合料的体积特性。当采用旋转压实成型试件时，试件空隙率应满足设计要求，即大于10%；当采用马歇尔击实成型试件时，测定的稳定度和空隙率、VMA 等指标应满足表11 要求。指标异常时，应及时查找原因。

表11 混合料技术要求 （马歇尔试验）

4 结语

超薄磨耗层是一种高品质、高性能的路面结构类型，在福建省高速公路得到了大量的应用，获得了较好的评价。为充分发挥超薄磨耗层良好的路用性能，本文提出以下建议：

（1）粘层油质量的好坏直接影响超薄磨耗层的使用寿命，必须严格控制粘层油的质量与洒布量。

（2）注意石料的质量控制，要求所用粗集料具有较高的坚固性和耐磨性，玄武岩和辉绿岩相对石灰岩具有较高的强度，且玄武岩和辉绿岩的棱角性优于石灰岩，故在高速公路工程中，推荐使用玄武岩或性能较好的辉绿岩作为其粗集料。

（3）超薄磨耗沥青混合料对集料的配比的要求非常严格，级配和沥青含量的变化会引起混合料性能的大变化，因此必须特别重视矿料级配的控制。

（4）空隙率对超薄磨耗层的排水降噪至关重要，设计空隙率应大于10%，最好要有富余。

（5）混合料级配和沥青含量允许偏差为最低标准，实际控制指标可根据道路等级、业主要求和施工条件适当提高。