基于刚性路面的沥青薄层罩面性能研究

郭玉龙　同浩

摘要：文章采用骨架密实型级配和高弹改性沥青成型沥青混合料，测试马歇尔指标、高温性能、低温性能，并记录分析现场不同施工工艺对路面压实效果的影响。研究表明：采用辉绿岩作为粗骨料成型的沥青混合料具有良好的水稳定性和高、低温性能，掺入纤维可以提高混合料的路用性能;沥青混合料的水稳定性与体积指标有相关性，在不同水稳定性测试方法下的变化规律不一致;级配和碾压方法对混合料的压实效果影响显著，适当提高0～3 mm矿料掺量，使用胶轮进行初压能够有效提升刚性基础上的沥青薄层罩面压实度。

关键词：预防性养护;沥青混合料;超薄罩面;路用性能;压实特性

中国分类号：U416.222文章标识码：A070254

0 引言

预防性养护在道路服役期内作为保障道路正常通行、提高服务质量的首要措施，已经成为公路建养的重要内容。路面养护设计和施工技术规范、规程是指导道路路面养护设计的依据[1-3]，随着新材料和新技术不断在道路养护施工中被使用，调查和分析实体养护工程的施工经验对开展养护设计和施工具有指导意义[4]。

三柳高速公路位于广西境内，2017年建成通车，双向四车道，全长168.7 km，设计时速为100 km/h，路面结构为30 cm水泥混凝土+3 cm橡胶沥青混凝土+20 cm水泥稳定碎石+18 cm水泥稳定碎石底基层+20 cm级配碎石。经过三年运营，道路抗滑性能和平整度出现衰变，路面板块出现开裂、脱空、破碎等病害，路基整体情况良好。本次对该道路采用沥青混合料进行加铺是该路面首次全线路的预防性养护，本文依托2020年10月开展的K56+840～K62+084预防性养护试验段，对水泥路面加铺沥青混凝土超薄罩面的配合比设计与压实工艺进行分析。

1 原材料

超薄罩面使用高弹改性沥青为胶结料，粗集料和细集料选用广西当地的辉绿岩，填料为石灰岩矿粉，相关技术指标见下页表1～3。

2 级配与性能研究

2.1 配合比设计

本次试验路段设计了三种级配，级配曲线如图1所示。其中Ⅰ#级配公称最大粒径为13.2 mm，Ⅱ#级配为9.5 mm，Ⅲ#级配为7.2 mm，此外还在Ⅲ#级配基础上掺加0.3%聚酯纤维，形成了四种沥青混合料。三种级配均为骨架密实型级配，其中Ⅲ#级配在生产过程中加设了9 mm筛孔，粗集料粒径更为集中。

对上述四种沥青混合料进行配合比设计，测试最佳油石比下的性能指标如表4所示，沥青混合料的各项性能指标均能满足规范要求。

2.2 水稳定性

采用冻融劈裂实验与浸水马歇尔试验对四种沥青混合料的水稳定性进行测试，试验结果如表5所示。

在两种试验方法下的四种沥青混合料水稳定性均满足规范要求，残留稳定度由大到小为：Ⅰ#级配>Ⅱ#级配>Ⅲ#级配>Ⅲ#级配+纤维，冻融劈裂强度比由大到小为：Ⅰ#级配>Ⅲ#级配+纤维>Ⅲ#级配>Ⅱ#级配。由此可知，Ⅰ#级配的水稳定性最好。由于试验方法不同，沥青混合料的水稳定性评价存在较大差异，当采用冻融劈裂实验评价沥青混合料的水稳定性时，Ⅲ#级配与Ⅲ#级配+纤维也具有较好的水稳定性。文献[5～6]研究认为沥青混合料的体积指标对水稳定性有显著影响，本研究将四种沥青混合料的水稳定性指标与VV、VMA、VFA进行分析，如图2、图3所示。残留稳定度与VV和VMA相关性较为显著，均随VV和VMA的减小而增大，随VFA呈先增大后减小的变化趋势;冻融劈裂强度比与VV、VFA无明显相关性，随VMA的增大呈现先减小后增大的变化趋势。

2.3 路面压实特性

沥青混凝土加铺层与水泥路面刚度差异较大，为使加铺层形成良好的压实效果，在试驗段摊铺碾压过程中调整压实功和压实机具。记录气温（数据来源于中国天气网）、出料温度、摊铺碾压方式，施工完成后对路面进行检测，如表6所示。

根据表6可知，碾压方式和级配对压实效果影响较大，本项目在选择初压方式时，设置了胶轮、钢轮静压、钢轮振动三种方法。碾压效果显示，采用胶轮碾压能够显著提高路面的密实程度，但可能出现提浆过多造成路面泛油现象。根据配合比可知，三种级配中压实度最大的是Ⅱ#，该级配4.75 mm通过率为40.5%，根据颗粒堆积理论，具有较多的细集料能够实现更好的空隙填充效果[7]。Ⅲ#级配掺加纤维后也具有较大的压实度，但依然小于Ⅱ#级配。该级配生产时在拌和楼热筛发系统中加设9 mm筛孔，导致粗集料粒径更加集中，粗骨料间骨架特征更加显著，需要较多的细集料填充[7-8]。此外，过多的粗集料在压实过程中容易形成骨架支撑，压实功分布不均匀，细集料对矿料骨架难以形成良好嵌挤和填充。

渗水系数测试为多个断面测试结果的平均值，表6的五种方案的渗水系数具有较大差异，其中Ⅱ#级配渗水系数较小，当采用胶轮进行初压时，其渗水系数进一步减小，说明胶轮的揉搓效果有利于集料在刚性基础上的挤压密实。

采用横向力检测车测试路面的抗滑性能，Ⅱ#级配低于Ⅲ#级配，其主要原因是Ⅲ#级配粗集料趋近于单一粒级，且含量高于Ⅱ#级配，骨架特征更加显著。对比不同压实方式的路面抗滑性能，结果显示，改变压路机进行初压对路面横向力系数影响较小。

3 结语

（1）采用高弹改性沥青和辉绿岩成型的骨架密实型沥青混合料路用性能均能满足规范要求，提高骨架嵌挤程度和掺加纤维可以提高沥青混合料的高、低温性能。

（2）不同的试验方法对沥青混合料水稳定性的评价具有差异性，冻融劈裂试验的劈裂强度比在数值上低于浸水马歇尔残留稳定度，沥青混合料的水稳定性与体积指标具有相关性。

（3）骨架密实型沥青混凝土薄层罩面在水泥路面上能够实现良好的压实度，级配与碾压方法对压实效果具有较大影响，使用胶轮进行初压和提高粉料比例有利于提高压实度。

（4）薄层罩面渗水系数较大，其原因是水泥路面刚度大，在摊铺、碾压沥青混合料时，加铺层骨料无法与水泥路面产生挤压密实作用，层间界面明显，路面横向连通空隙率较大。采用胶轮进行初压时，能够减小渗水系数，说明胶轮的揉搓效果有利于集料在刚性基础上的挤压密实。

参考文献：

[1]JTG 5142-2019，公路沥青路面养护技术规范[S].

[2]JTG 5421-2018，公路沥青路面养护设计规范[S].

[3]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[4]刘 克，徐 福，杨 波，等.运营22年贵清一级公路路面维修特点研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2015，34（5）：69-74，94.

[5]王家舒，高 英.沥青混合料体积指标对路用性能的影响[J].江苏大学学报（自然科学版），2018，39（5）：604-610.

[6]徐慧宁.体积指标对沥青混合料路用性能的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[7]谭忆秋，邢 超，任俊达，等.基于颗粒堆积理论的沥青混合料细观结构特性研究[J].中国公路学报，2017，30（7）：1-8.

[8]邢 超.沥青混合料骨架填充体系细观结构及应力应变传递机制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

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