新型低噪声微表处抗车辙性能影响因素研究

陈萍

（上海市崇明区公路管理所，上海市 202150）

0 引 言

我国建成通车的公路和市政道路已大规模地进入了维修高峰期，各等级的公路和市政道路沥青路面的养护工作得到了越来越广泛的关注，其中微表处作为一种性价比高和实用性广的养护形式得到了广大工程人员的青睐[1]。长久以来，车辆行走在微表处路面上会带来的高于一般道面的噪声，这一点困扰着微表处的研究者和使用者。经过了级配和组成重构的低噪声微表处的诞生给这一养护措施带来了新的面貌，但由于级配的调整和结合料的更换，油石比的增加势必会给微表处的内部结构带来密实和间隙率降低的影响，对剪切应力的抵抗力会带来影响。其中对路用性能影响最关键的在于抗车辙性能，考虑到调整了级配中粗集料的用量会带来混合料高温性能的影响[2-3]，本文将针对全新的低噪声微表处进行抗车辙性能的影响因素研究，以期为低噪声微表处在施工中的配合比组成设计提供重要参考。

1 试验材料与组成设计

1.1 材料

1.1.1 改性乳化沥青

为使研究对象具有代表性，选用上海龙孚道路养护工程有限公司生产的成品改性乳化沥青，采用最新研发的广域型EM530慢裂快凝型乳化剂，它对集料类型和处理程度有较高的容忍度[4]。由EM530乳化的改性乳化沥青技术指标见表1。

1.1.2 集料和矿粉

试验用粗集料来自江苏产玄武岩，细集料为江苏产石灰岩。根据低噪声级配设计，将其筛分成0～3 mm、3～5 mm和5～8 mm三级集料为进行目标级配的合成，矿粉将不参与低噪声微表处级配设计，而是作为外添加物使用。集料的筛分结果见表2。

表2 低噪声微表处粗、细集料质量要求

1.1.3 水泥

水泥作为填料添加进混合料中，应干燥、疏松、无结团，并应符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的相关要求[5]。水泥的掺加量必须通过混合料设计试验确定。

1.1.4 橡胶屑

本文研究用的微表处混合料低噪声的效果主要来自两方面：特殊的级配设计和橡胶屑。因此适当地加入橡胶是降低噪声的关键要素之一[6]，橡胶屑应为通过常温磨碎或粒化方法制成的橡胶颗粒碎屑。研究所用橡胶屑技术指标和实测值见表3。

表3 橡胶屑物理特性技术要求

1.2 dB60级配设计

集料级配对微表处路用性能有着重要的影响，也是影响行车噪声的另一个关键。适当降低粗集料的使用，加入洛杉矶磨耗值更高的中粒径集料（3～5 mm），加强集料间嵌挤效应，降低铺设厚度与集料最大粒径之差，采用间断级配以增加粗集料的比例，是dB60级配的设计原则。但是从级配角度降低噪声的处理对路用性能存在影响，油石比随着粗集料的增加而减少，这将导致耐久性降低[7]。增加油石比有助于提高微表处的耐久度，但会造成对微表处表观结构泛油、粘轮等不利影响。表4为dB60专用低噪声微表处级配。

表4 dB60低噪声级配

1.3 主要试验方法

根据施工技术规范中对微表处性能指标的要求，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[8]中指定试验T0756进行车辙变形试验。

2 抗车辙性能

2.1 油石比

试验选用9.5%～12.5%油石比的dB60级配的低噪声微表处混合料，按试验规范制作试件，用负荷轮试验仪模拟车轮在成型后的微表处混合料上碾压，通过规定作用次数后，测定试样的车辙深度和宽度变形，以试样单位厚度的车辙深度和单位宽度的横向变形评价混合料的抗车辙能力。试验结果见表5。

表5 不同油石比下的轮辙宽度变化率

对于提出新设计方法的低噪声微表处混合料而言，与常规微表处不同的是，随着油石比的增加，轮辙宽度变化率均呈先减小后增大的趋势，这点体现在了图1的试验结果中。存在一个最佳油石比使得低噪声微表处混合料抗车辙能力最优。基于试验结果，此次研究推荐采用11.0%作为最佳油石比。

图1 不同油石比的轮辙宽度变化率随油石比变化曲线

通常对于热拌沥青而言，抗车辙能力和矿料间隙率、油石比、混合料空隙率等因素均有很大关系。车辙深度会随混合料空隙率的增大而逐渐减小，且空隙率是影响抗车辙能力的主要因素。但是微表处由于摊铺厚度较薄，抵抗的多为中轻度车辙病害，单纯调整级配来提升抗车辙性能是不够的，应该通过调整油石比、改变添加物种类等手段，结合实际工程经验和施工环境等条件综合确定合适的材料组成，以提升微表处混合料抗车辙性能。这里的最佳油石比推荐值11.0%可作为低噪声微表处的设计施工配合比初始值。

2.2 水泥和矿粉

选取dB60级配的微表处，以确定的最佳油石比（11.5%）、掺水量（2.0%）分别加入不同比例的水泥和矿粉，进行轮辙变形试验，研究添加剂种类和掺量对抗车辙性能的影响，试验结果见表6。

表6 不同水泥和矿粉掺量下轮辙试验结果

图2的曲线显示，少量水泥的加入可有效提升微表处的抗车辙性能。当添加量在0.5%和1.0%时，微表处混合料轮辙宽度变化率比不添加水泥分别提升了17.0%和33.0%；但当水泥掺量大于1.0%后，轮辙宽度变化率趋于稳定，不再随水泥掺量的增加而改变。可以认为对于dB60级配低噪声微表处抗车辙性能而言，1.0%的水泥掺量是最佳值。过多的水泥无法进一步提升微表处混合料抵抗车辙变形的能力。

由图3可以看到，矿粉的加入对微表处抗车辙能力的提升并不明显。矿粉掺加量为1%和2%时，混合料轮辙宽度变形率相比未添加矿粉时仅分别提升了7.1%和13.4%，之后再继续掺加矿粉对提升微表处抗车辙能力作用不显著。原因在于由于矿粉的加入改变了混合料的级配，细集料增多，虽然降低混合料空隙率可以提升抗车辙性能，但是矿粉会吸附更多的改性乳化沥青。倘若不增加油石比，微表处的拌和性会有一定程度的下降，集料无法被沥青充分裹覆，破乳后混合料抵抗车辙的能力也因此会被削弱。综合来看，单独增加矿粉掺量对提升微表处抗车辙性能意义不明显。

图2 水泥对微表处抗车辙性能的影响

图3 矿粉对微表处抗车辙性能的影响

2.3 橡胶屑

橡胶屑具有吸收和弱化噪声的作用，它的加入可使得微表处混合料在摊铺完成后进一步降低噪声，并且适当可增加微表处的弹性模量。依旧选用dB60微表处级配，采用上一节确定的最佳油石比（11.5%）、掺水量（2.0%）以0.5%和1.0%质量比的间隔分别掺入橡胶屑，进行轮辙变形试验，研究不同掺量的橡胶屑对微表处抗车辙性能的影响，试验结果如图4所示。

图4 湿轮磨耗值随橡胶屑掺量的变化曲线

从图4可知，添加橡胶屑也可以提升微表处的抗车辙性能，2.5%的橡胶屑是一个临界值，在0～2.5%时抗车辙性能增加明显，过了2.5%的临界范围之后抗车辙性能均趋于平稳，更多的橡胶屑并不能带来更优的路用性能。因此从抗车辙角度而言，2.5%为橡胶屑的标准添加量。

3 结语

针对油石比、掺水量、水泥、矿粉和橡胶屑等因素，研究了它们对低噪声微表处混合料的抗车辙性能的影响，主要结论如下：

（1）随着油石比的增加，低噪声微表处轮辙宽度变化率均呈先减小后增大的趋势，存在一个最佳油石比使得微表处混合料抗车辙能力最优。推荐低噪声微表处采用11.0%作为最佳油石比，可作为实际施工中的油石比设计初始值。

（2）少量的水泥可以有效提升微表处的抗车辙性能，但当水泥掺量超过1.0%后，提升效果趋于稳定。单独添加矿粉对微表处抗车辙性能的提升并不明显，因为矿粉会吸附更多的改性乳化沥青，不提高油石比会导致集料无法被沥青充分裹覆，破乳后混合料抵抗车辙的能力也因此会被削弱。

（3）添加橡胶屑可以提升微表处的高温稳定性，根据掺量和高温性能曲线确定，超过2.5%的橡胶屑含量后，性能趋于稳定，基于低噪声微表处，从抗车辙角度考虑，推荐2.5%为标准橡胶屑添加量。