沥青混合料性能对NovaChip超薄磨耗层工作性能影响研究

祁 睿

(甘肃省兰州公路局，甘肃 兰州 730030)

高速公路在养护过程中经常会遇到诸如产生过多铣刨料、要求使用高效的养护方法以减小交通压力、高速公路的安全性与行车舒适度要求高等问题，而NovaChip超薄磨耗层路面施工技术具有无需铣刨原路面、沥青混合料与乳化沥青同步施工、碾压快速、降低噪音、造价相对较低等优势。NovaChip超薄磨耗层系统，是指采用专门的摊铺设备将NovaBond乳化沥青防水粘接层和NovaBinder断级配混合料同步成型的高效快速养护方案[1-4]，其优良性能已通过大量工程实例得到了充分的证明。NovaChip超薄磨耗层采用专用设备NovaPaver进行施工，其包含受料斗、乳化沥青储罐、宽度可调节的振动熨平板、传送带、NovaBond喷洒与计量系统等，能一次性完成NovaBond的喷洒、热沥青混合料摊铺及熨平等工作[5-6]，并在NovaBond喷洒后快速对热沥青混合料进行摊铺。用钢轮压路机静压至少两遍后，便可使得乳化沥青粘结层破乳，实现超薄热拌沥青混合料与原路面的充分粘结，在1 h之内路面温度可降至50℃，进而开放交通。

NovaChip超薄磨耗层路面施工技术符合我国国内养护技术发展的需求，国内外专家学者也对此进行了一系列的研究。王军[1]对NovaChip超薄磨耗层以试验的方式，对其抗滑性能、水稳定性、高温稳定性、降噪效果及配合比设计进行了研究，并对正在运营的5条高速公路进行了跟踪观测，观测结果表明，超薄磨耗层在各条高速公路中的相应性能均满足规范要求，且能有效改善路面的平整度、抗滑性、车辙以及路面破损，降噪效果明显，各项指标在运营5年内都能保持较好的状态。王宏飞[2]研究了在隧道路面的抗滑处治工程中，NovaChip超薄磨耗层各项因素对路面工作性能的影响，研究结果表明，超薄磨耗层的应用，能够明显地改善路面的安全性能和行车舒适性，有效地对路面进行降噪，显著提高路面的抗滑性能和国际平整度指数。

白志强[3]以湖南郴宁高速公路作为研究对象，介绍了NovaChip超薄磨耗层沥青混合料对应的配合比优化设计过程，并取得了相应的数据，通过多次试验验证及跟踪观测研究，发现超薄磨耗层的各项指标和性能均能满足设计与使用要求。熊健等[4]测试了不同运营时间的NovaChip超薄磨耗层的路面噪音，并与其他类型的路面在此方面的区别及其影响因素进行了进一步的对比分析。研究结果表明，不同路面的抗滑系数与沥青路面的降噪性能之间并没有太多直接的联系，而路面难度渗水系数及其构造深度则与路面降噪性能之间有直接的联系。吴喜荣[7]结合弹性破坏理论的弯曲应变密度临界值、弹塑性断裂力学理论J积分的断裂韧性和双线型黏聚力模型的黏聚力以及裂缝张开位移四个指标，采用试验的方式研究了三种不同类型的沥青混合料在不同温度条件下的抗裂性能，研究结果表明，0℃以下时，可以用弯曲应变密度临界值对沥青混合料的抗裂性能进行评价，且具有较高的可靠性。

以往的研究，大多基于NovaChip超薄磨耗层自身的工作性能或工作性能的判定方式，以及材料自身的性能[5-6,8-17]，但并未对沥青混合料性能与配合比对NovaChip超薄磨耗路用性能的影响及具体的影响程度进行研究，因此，基于对NovaChip超薄磨耗层沥青混合料的材料性能及配合比进行控制，并将其应用于实际工程中，经过长时间的观测对确定超薄磨耗层的工作性能进行研究。

1 材料质量控制与实际级配确定

1.1 材料质量控制

NovaChip超薄磨耗层主要原材料包括集料、沥青、矿粉等。本研究中沥青混合料的结合料为壳牌公司生产的NovaBinder专用改性沥青，粘结料亦采采用该公司生产的NovaBond专用改性乳化沥青，二者皆为该公司专门针对NovaChip系统所研制的新型材料。改性沥青与改性乳化沥青的检测结果分别见表1与表2。

表1 NovaBinder改性沥青性能检测结果表

如表1所示，NovaBinder专用改性沥青的各项指标均满足规范要求与本项目相关的技术要求。

表2 NovaBond改性乳化沥青性能检测结果表

如表2所示，NovaBond改性乳化沥青的各项指标均满足规范要求与本项目相关的技术要求。

NovaChip超薄磨耗层要求集料中的碎石保持干净、坚硬，且具有较好的耐久性和粘附性，本研究中所检测的碎石指标均满足相关规定中沥青混合料用集料质量相的应要求。检测所采用的碎石为当地的玄武岩碎石。在对集料的检测过程中，将集料分为“细集料0-3”、“集料5-10”、“集料10-15”三个不同的测区进行检测，其对应的表观相对密度、砂当量、亚甲蓝值、吸水率，针片状含量等分别进行了检测，检测结果表明，本研究所用碎石的各项指标与性能均满足规范与项目的技术要求。

本研究的矿粉采用石灰石加工生产而成的矿粉。其所检指标包括表观密度、表观相对密度、加热安定性、含水率、亲水系数、粒度范围、外观等均满足规范以及实际工程中沥青混合料用矿粉质量相应要求。

1.2 实际级配确定

在进行级配设计时，首先根据集料的筛分结果，初步选定三个级配，分别为级配1、级配2、级配3，三种级配的矿料比例明细表详见表3。

表3 三种级配的矿料比例明细表

初选级配完成后，根据工程实际应用情况选择油石比，采用旋转压实100次成型试件进行试验，单位压力为600 kPa，用以得出试件的体积指标。成型前根据以往的研究成果与施工经验，先预估初始油石比为5.1%。进行试件的成型的试验结果如表4所示。

由表3与表4可得，级配3各项指标均满足NovaChip超薄磨耗层的设计要求。因此根据所述结果，选择级配3为设计级配。设计级配确定之后，还需确定沥青混合料的最佳油石比。因此，根据以往的研究结果和施工经验，先预估初始油石比(5.1%)然后变化±0.2%，选定4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四个逐次递增的油石比进行旋转压实试验，压实次数N=100。不同油石比条件下设计级配的各项指标试验检测结果见表5。

表4 三种试件级配体积指标及其他指标试验结果汇总

表5 不同油石比NovaChip C型设计级配各项指标试验结果汇总

根据表5中4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四个油石比的各项性能检测结果，并结合当地气候条件及以往设计与施工经验，选取5.1%为设计油石比。

1.3 NovaChip C型沥青混合料性能验证

1.3.1 水稳定性验证

根据设计级配及油石比对沥青混合料进行冻融劈裂试验，油石比为5.1%的超薄磨耗层混合料的抗水损害能力满足设计要求。具体检测结果见表6。

表6 冻融劈裂试验结果

1.3.2 高温稳定性验证

判定沥青混合料路用性能的主要指标之一就是高温稳定性，室内试验常用的方法是车辙试验。根据已经选定的设计级配及油石比，在60℃±1℃，0.7 MPa±0.05 MPa的条件下进行沥青混合调料的车辙试验。车辙动稳定度试验结果见表7。

表7 车辙试验动稳定度

由试验结果可知，本研究选定的NovaChip超薄磨耗层改性沥青混合料符合高温稳定性规范技术要求。

1.3.3 析漏试验验证

超薄磨耗层的油膜厚度比普通情况较大，因此，沥青的用量比常规要多，但是在实际工程中，沥青的总量不能过大，必须小于矿料表面积能吸附的最大量，以避免剩余的自由沥青出现上泛或合料强度下降的情况，也会对路面的构造深度和高温稳定性造成一定影响。故而必须进行析漏试验用以测定胶结料的最大沥青用量。根据选定的设计级配与油石比，用网篮法进行析漏试验。试验条件为185℃±2℃，并将混合料在此温度条件下保温1 h±5 min后进行析漏试验。试验结果见表8。

表8 NovaChip C型析漏试验结果

析漏试验的结果表明，本试验在油石比为5.1%的条件下确定的混合料，其析漏指标符合NovaChip超薄磨耗层的技术要求。

综上，经过试验验证及相关检测，本研究所设计的NovaChip C型沥青混合料的各项指标均满足相关规定及施工要求，试验所得的配合比可用于实际工程。

2 实际应用及其工作性能

2.1 工程概况

某地高速于2002年已经建成通车，已运营17年，根据《公路沥青路面设计规范》[18](JTG D50—2017)关于高速公路路面设计寿命的相关规定为，已进入路面使用寿命的中、后期。通过检测，该路段路面使用性能PQI平均值93.93，路面损坏PCI平均值93.27，路面车辙深度RDI平均值92.93，行驶质量RQI平均值93.73，路面结构强度指数PSSI分布百分率优占93.29，即评价为优，以上数据充分说明该路段综合质量良好。然而，考虑到该路段是连接本地市区与机场的重要通道，也是该省高速公路网的重要组成部分，故而为了延长该路段使用寿命，降低道路维修频率，提高路面使用性能，且该路段的路面情况与力学指标均符合NovaChip超薄磨耗层的应用条件，在对路面实现高效、快速的养护，延长使用寿命的同时，又能减少交通延误提高安全性能，因此，使用NovaChip超薄磨耗层技术对该路段路面进行预防性养护。

2.2 路面工作情况

为了更加方便研究NovaChip超薄磨耗层的预防性养护对现有路面工作性能的改善情况，本研究分为三个不同的阶段对该路面的各项指标进行现场检测。第一阶段为预防性养护实施前对原路面进行检测，第二阶段为超薄磨耗层路面施工结束一周后对施工路面进行检测，第三阶段为NovaChip超薄磨耗层对原路面进行预防性养护施工结束并运营4个月后进行的跟踪检测。对路面的检测内容包括噪音、构造深度、平整度、渗水系数、摩擦系数等方面，检测结果见表9、表10。

表9 原路面与NovaChip实施后现场检测结果

表10 对比噪音检测结果

现场检测结果表明，路面行驶噪音与原路面相比，降低了约2分贝～4分贝；同时路面平整度、抗滑性能、构造深度、渗水系数与原路面相比，均有了大幅提升。究其原因，NovaChip超薄磨耗层采用了断级配骨架空隙结构，空隙率较高，可以有效地降低路面行驶过程中产生的噪音，减少了交通噪音给周边居民日常生活带来的影响。此外，由于NovaChip路面较高的空隙率，且大部分为连通空隙，造成了其渗水系数大于普通密级配沥青路面，因此路面积水可以沿着孔隙及时排除到侧面，路面上很少出现积水，可以有效增大路面的抗滑性，提高行车安全性。

3 小 结

通过将选定的材料按照设计配合比进行试验验证后应用到工程实际中，并对路面进行长期观测后验证了沥青混合料性能对NovaChip超薄磨耗层的影响。试验及观测结果表明：

(1) 对原材料的性能进行检测鉴定，保证原材料性能满足实际工程的应用后，确定了最优级配，结合当地气候条件及以往设计与施工经验，发现该级配下最佳油石比为5.1%。

(2) 油石比为5.1%时，对沥青混合料进行了水稳定性、高温稳定性、析漏试验等各方面的验证，试验结果表明，该沥青混合料性能满足相关规范的要求，可以应用于实际工程。

(3) 将试验确定的配合比应用于实际工程中并进行长期的跟踪观测，观测结果表明，用NovaChip超薄磨耗层对高速公路进行预防性养护，路面可以达到较好的降噪、防滑效果，同时实现对路基的保护，延长路面的使用寿命。