沥青微罩面铺装体系的设计与施工研究

祁文洋， 赵建新

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

路面养护的目的是改善路面服务品质、延长路面使用寿命，以确保行车的安全性和舒适性。路面养护包括矫正性养护和预防性养护，矫正性养护用来恢复已损坏路面的使用性能；预防性养护是在路面产生明显损坏之前进行养护，进而保障路面处于良好服务状态。预防性养护常用措施包括：微表处、铣刨再生、雾封层、薄层罩面、超薄磨耗层等。

超薄磨耗层预养护技术起源于法国，其耐久性良好，且费用效益比较低，已在欧美地区广泛应用[1-2]。2003年，广韶高速公路养护工程中采用了壳牌的NovaChip@超薄磨耗层技术，铺装厚度为1.5～2.5 cm，养护效果良好，自此超薄磨耗层技术开始在我国推广应用[3]。超薄磨耗层用于城市道路路面养护时，由于受原道路设施的限制，需减薄罩面厚度。据此产生了厚度0.8～1.2 cm的超薄磨耗层，称之为“微罩面”[4-5]。铺装体系的耐久性取决于其受力特点以及材料自身的黏结性。然而，目前关于微罩面的研究尚缺乏，未见相关技术标准，某些微罩面工程初期损坏严重。

本文提出了一种适用于城市道路养护的高性能沥青微罩面铺装体系(HPMA)的设计与施工方法，包括：微罩面及层间黏结材料的组成设计方法、制备工艺、技术要求以及施工关键参数等。通过室内模拟试验及试验路的铺筑，验证了HPMA的优异性能。

1 微罩面材料设计

1.1 高性能沥青制备

HPMA专用高性能沥青研发的原则为：在SBS改性沥青性能基础上进一步增强黏聚性能。因此，通过增加SBS掺量，并加入增黏剂，提高沥青黏度及柔韧性；通过加入轻质油，改善SBS在沥青中的溶解性，同时提高沥青的延展性。最终确定高性能沥青中改性剂成分包括：线型SBS、增黏剂及稳定剂，同时加入一定比例的沥青专用轻质油。高性能沥青技术要求列于表1。

高性能沥青试验室内的制备工艺为：将基质沥青置于高速剪切机中，加热至170 ℃，此时添加轻质油，以1 500 r/min的转速进行剪切；沥青温度为180 ℃时，添加SBS，以2 500 r/min的转速进行剪切；至220 ℃时，添加增黏剂及稳定剂，以4500 r/min的转速剪切6 h，取少量样品进行荧光显微镜观测，若观测到SBS分布均匀，则制得高性能沥青。在工厂中的生产工艺流程如图1所示。

表1 高性能沥青技术要求试验项目针入度(25 ℃,100 g , 5 s)/0.1 mm针入度指数PI 延度(5 ℃,5cm)/min ,cm软化点TR&B/℃闪点/℃溶解度/%存储稳定性(163 ℃,48 h,软化点差)/℃弹性恢复25 ℃/%RTFOT残留物(163 ℃,85 min)质量变化/%延度5 ℃,5cm/min针入度比/%60 ℃动力黏度/(Pa·s)技术要求30～50≥0.0≥20≥85≥230≥99≤2.5≥95±0.8≥15≥70≥100 000

图1 高性能沥青生产工艺

1.2 层间乳化沥青制备

HPMA与原路面间的黏结层采用SBR改性乳化沥青，其组成包括：基质沥青、水、盐酸、阳离子活性剂、助剂和稳定剂，其中SBR的掺量为1.5%(外掺)。SBR改性乳化沥青的制备工艺为：先将SBR改性剂与基质沥青通过高速剪切机制备出SBR改性沥青，然后将SBR改性沥青加热到175 ℃，添加皂液(水、乳化剂、助剂、稳定剂)，继而剪切制得乳化的SBR改性沥青。

为确保SBR改性乳化沥青可快速渗入原路面中，以快速充分地发挥其防水黏结效果，通过添加助剂、适当延长剪切搅拌时间等方式，增强活性剂对沥青的分散能力，使乳化粒子微滴平均粒径小于3 μm、粒径小于5 μm含量不低于90%，且分布均匀。制得的SBR改性乳化沥青微观相态结构如图2所示，其技术要求见表2。

图2 乳化沥青微观相态结构(200倍透光显微镜)

表2 SBR改性乳化沥青技术要求试验项目筛上残留物(1.18 mm筛)/%粒子电荷恩格拉黏度(50 ℃)蒸发残留物残留分含量/%针入度(25 ℃)/0.1 mm软化点/℃延度(5 ℃)/cm溶解度/%技术要求≤0.1阳离子(+)1～10≥6060～100≥60≥20≥97.5

1.3 混合料级配组成设计

HPMA的设计铺装厚度为1 cm，为保障材料均匀性，集料公称最大粒径为4.75 mm，采用0～3 mm、3～5 mm玄武岩集料及石灰石矿粉配制。HPMA混合料设计级配组成见表3，同时表3中给出了HPMA级配的上、下限范围，以便实际生产时有一定的调整空间。

表3 HPMA集料级配组成级配类型通过以下筛孔(mm)尺寸的百分率/%9.54.752.361.180.60.30.150.075目标99.898.155.834.320.114.511.69.1上限100100654026171310下限9590402510855

设计需考虑以下因素：提高路面抗滑性能；有利于黏结层乳化沥青水分的蒸发排出，避免层间水对层间黏结效果造成不利的影响。HPMA的设计空隙率为12%，按照传统马歇尔试验方法设计，最佳沥青用量为6.5%。

2 微罩面材料性能评价

2.1 微罩面性能要求

在级配范围内调整HPMA级配曲线，制备不同批次的高性能沥青及层间SBR改性乳化沥青，然后进行各项技术性能测试，取90%的保证率，得到混合料及层间黏结材料的技术指标范围。基于此，提出HPMA技术指标与性能要求如表4所示。

表4 HPMA性能技术指标要求混合料性能层间黏结性能路表性能马歇尔稳定度/kN肯塔堡飞散损失率/%拉拔试验强度(50 ℃)/MPa摆值BPN 构造深度TD/mm≥7≤7≥0.06≥42≥0.55

2.2 铺装体系抗剪性能

采用日本旋回试验评价微罩面在路面结构中的性能[5]。首先制备复合车辙试件，制作方法为： ①制作SMA-13车辙试件，作为基面；②在其上涂刷乳化沥青黏结层； ③铺设1 cm的微罩面混合料，形成复合式车辙试件。然后采用日本旋回车辙试验对复合车辙试件进行测试，其中旋回式车辙试验可同时对试件施加竖向力、水平力，试验过程中记录车辙深度与加载时间的关系，以车辙深度达5 mm时的加载时间为指标。

采用基质沥青、SBS改性沥青、高性能沥青制备微罩面，分别标记为微罩面A、微罩面B和HPMA，3种铺装体系旋回车辙试验结果见图3，可以看出: 微罩面A的车辙变形速率最大，HPMA与微罩面B的变形速率差别不大；HPMA的加载时间为12.6 min，是微罩面A的3倍、微罩面B的1.3倍。上述试验结果表明研发的高性能沥青可显著提升微罩面的抗变形能力。

图3 微罩面旋回车辙试验结果

分析可知高性能沥青表现出高抗剪能力的主要原因如下：高性能沥青中高含量的SBS相互连接成为空间网状结构，增黏剂、稳定剂和轻质油起到改善SBS网状结构与沥青之间相容性的作用，使SBS与沥青的铰链更为充分和紧密，形成以SBS为连续相、沥青为分散相的稳定沥青体系，由此表现出高黏聚性；SBR改性乳化沥青微粒尺寸较小，且分布均匀，具有良好的渗透性，进而可充分发挥SBR改性沥青的黏结效力。

3 微罩面铺装施工工艺

3.1 施工关键参数

混合料生产配合比设计前对拌和楼流量进行标定，应结合拌和楼实际产量，确定每个冷料斗的生产转速比以及热料仓的筛网配置。HPMA混合料的拌和过程控制温度见表5。

表5 HPMA混合料拌和过程控制温度℃沥青预热集料加热拌和出厂贮存170～180180～190175～185降温≤10

混合料铺筑前应洒布SBR改性乳化沥青，洒布量为0.3～0.5 kg/m2，洒布30 min后，可进行混合料的摊铺与压实。根据已有工程技术经验及国内外相关薄层罩面的施工技术文献资料，确定HPMA摊铺与碾压的施工参数：摊铺机熨平板温度为140 ℃～150 ℃，松铺系数为1.2，摊铺速度为3.5 m/min；采用9～12 t钢轮压路机，初压温度≥155℃，静压1～2遍，速度为2～3 km/h；复压温度≥110 ℃，静压3～4遍，速度为3～5 km/h；终压静压1～2遍，速度为3～6 km/h。

3.2 试验路铺筑与检测

试验路位于上海市浦东兰桥路，长度100 m，宽度约6 m。HPMA采用安迈3000型间歇式拌和楼生产，热料仓筛网为4～6 mm、0～4 mm；冷料斗的转速比分别为120%、80%。根据上述转速比进料，模拟正常产量生产，衡定后取各种热仓矿料进行试拌，经反复试拌调整，确定HPMA的生产配合比。

SBR乳化沥青采用洒布车进行洒布；摊铺机型号为DYNAPAC F141C，采用9 t、12 t两台双钢轮压路机进行压实。摊铺和压实关键参数按照施工要求设定。于施工完成后的第2日对试验路进行检测，检测结果见表6。可见试验路各项性能均满足要求，从而验证了HPMA施工关键参数取值的有效性。

表6 HPMA试验段检测结果混合料性能层间黏结性能路表性能马歇尔稳定度/kN肯塔堡飞散损失率/%拉拔试验强度(50 ℃)/MPa摆值BPN 构造深度TD/mm12.12.50.107650.58

4 结论

1) 研发了一种高性能沥青微罩面铺装体系，其中高性能沥青采用基质沥青、轻质油、SBS、稳定剂及增黏剂制备；混合料设计空隙率为12%，公称最大粒径为4.5 mm；层间黏结材料为SBR改性乳化沥青，SBR外掺为1.5%，乳化沥青微滴直径平均粒径为3 μm。

2) 给出了高性能沥青微罩面铺装体系的技术要求。基于旋回车辙试验，验证了铺装体系具有优异的抗剪切性能。分析铺装体系抗剪性能优异的原因：高性能沥青具有高黏聚性，SBR改性乳化沥青具有高渗透性。

3) 提出了高性能沥青微罩面铺装体系施工关键参数，包括微罩面混合料拌和过程温度、拌和楼调整、摊铺机及压路机参数设定等。进行了试验路的铺筑与检测，结果表明试验路性能良好，从而验证了铺装体系施工关键参数取值的合理性。

4) 需进一步研究解决的问题：高性能微罩面混合料的温拌技术研究，如何提升微罩面混合料的施工和易性，降低环境温度对施工质量的影响；评估微罩面在动水压力作用下的耐久性。