开普封层组成设计及性能试验研究

周丽霞，郭杰森，马 翔

(1.江西省公路桥梁工程有限公司 南昌市 330029; 2.南京林业大学 南京市 210037)

0 引言

在我国通车的500多万公里公路中低等级道路占绝对大的比例，但低等级道路却面临养护资金缺乏、养护条件恶劣的困境，因此，针对低等级道路的经济、快捷养护维修方案一直是行业内的研究热点。开普封层是起源于南非开普敦的一种预防性养护技术，因其施工速度快、造价低廉的特点，在国外得到了大规模的应用[1]。中国于2004年渝邻高速公路草坪道口接线铺筑了第一条开普封层的试验段[2]，随后开展了一系列相关研究工作，并在实体工程中得以推广应用[3-5]。从国内外实际应用情况来看，开普封层的应用产生了良好的经济效益和社会效益，但实体工程中会出现泛油、结构滑移、封层剥落等典型病害[6]。

开普封层是一种封层+表处的复合结构，但在推广应用过程中封层和表处的材料类型并不完全相同，封层以碎石封层为主，一般为单层碎石封层，也有多层碎石封层的应用[7]，碎石封层中的沥青主要有热沥青、乳化沥青两种，表处主要有稀浆封层、微表处两种，目前基本采用性能更优的微表处作为上封层。为了评价材料组合方案对开普封层路用性能的影响，对下封层分别采用单层乳化沥青碎石封层、单层橡胶沥青碎石封层、双层橡胶沥青碎石封层；上封层均采用微表处组成的三种不同开普封层结构开展室内试验研究。基于开普封层的典型病害，重点对其粘结性能和抗裂性能进行研究。

1 材料组成设计

本研究所述开普封层是一种碎石封层与微表处组成的复合结构，因此，对于开普封层的材料组成设计需要分别针对碎石封层和微表处开展。

1.1 碎石封层材料组成设计

碎石封层材料组成设计包括材料类型选择和用量确定两个方面的内容，碎石封层由碎石和沥青组成，在已有相关研究的基础上，本研究单层碎石封层碎石粒径选用5～10mm，双层碎石封层的碎石粒径下层选用10～15mm、上层选用5～10mm，沥青分别选用SBR乳化沥青和橡胶改性热沥青。试验前对碎石、沥青原材料进行了性能检测，检测结果均能满足技术规范[8]的相关要求。

确定碎石封层中材料用量的方法主要包括理论计算法和经验配比法两种[9]，碎石封层理论计算的方法主要有Kearby方法、McLeod方法、Lovering方法和美国沥青协会方法等[10]；经验配比法认为通过理论计算得出的碎石用量是不合理的，而应该在施工过程中，结合现场具体情况确定合理的材料用量。

在确定碎石用量的基础上，采用不同沥青用量成型平面尺寸为10cm×10cm的碎石封层试块，将试块用环氧树脂粘结在车辙板上后进行标准车辙试验，观察试件表面的泛油状况，将泛油临界状况下的沥青用量作为最佳沥青用量。

图1 确定材料用量试验

基于上述方法，两种碎石封层的材料用量如表1所示。

表1 碎石封层材料用量(单位：kg/m2)

1.2 微表处组成设计

微表处的组成设计包括原材料检测、级配选择与组成、材料用量确定等内容，在各种原材料均按照相关技术规范检查并满足要求的前提下，本研究所采用的微表处级配选用MS-3型，由0～3mm、3～5mm和5～10mm三种规格的玄武岩集料和矿粉组成，其组成比例为0～3mm∶3～5mm∶5～10mm∶矿粉=20∶30∶45∶5，级配曲线如图2所示。

图2 微表处级配曲线图

基于上述组成级配及工程实践经验，初选微表处的材料组成比例为矿料∶水∶水泥∶沥青=100∶6∶2∶X，沥青比例X为5.6～7.1之间间隔0.3取值进行对比试验，试验内容包括可拌和时间试验、黏聚力试验、湿轮磨耗试验、负荷车轮粘砂试验，最终确定沥青用量为6.8%，该配比下微表处的各项性能指标结果如表2所示。

表2 微表处混合料性能检测结果

2 路用性能试验研究

2.1 粘结性能试验

与下部路面结构的脱落是开普封层在使用过程中最典型的病害之一，为此，本研究通过剪切试验和拉拔试验对其与沥青混凝土之间的粘结性能进行了系统研究。研究过程中首先成型SMA-13沥青混凝土车辙板试件，然后在SMA-13沥青混凝土试件上成型开普封层，接着通过取芯得到直径为10cm的开普封层与SMA-13沥青混凝土的复合试件进行粘结性能试验。试件分别在0℃、25℃和55℃条件下保温后进行剪切强度试验，结果如表3所示。

从表3中的试验结果可知，随着温度升高，几种开普封层结构的剪切强度均降低，三种结构在中、低温条件下剪切强度以及拉拔强度之间的大小关系均为：双层橡胶沥青碎石封层>单层橡胶沥青碎石封层>单层乳化沥青碎石封层，其中单层橡胶沥青碎石封层较单层乳化沥青碎石封层强度显著提升，而双层橡胶沥青碎石封层较单层橡胶沥青碎石封层略有增加。在高温条件下三种材料剪切强度相差不大，均很小，可能是55℃已经接近所使用的沥青材料的软化点所致。

表3 开普封层粘结性能试验结果

2.2 抗裂性能试验

开普封层多应用于道路养护工程，使用一段时间后的旧路面结构可能会存在各类裂缝类的病害，且开普封层厚度很薄，因此，需要评价开普封层的抗裂性，特别是针对我国的容易产生反射裂缝的半刚性基层沥青路面而言，更有必要研究开普封层的抗裂性。

对于路面材料的抗裂性能评价，多采用反射裂缝模拟类的试验方法，但这类方法耗时较长，且对设备要求较高，采用冲击韧性试验评价不同材料组合开普封层的抗裂性能，该试验对尺寸为250mm×35mm×35mm的小梁试件在-10℃的环境箱中保温5h后进行弯曲试验，试验时施加500mm/min的荷载，记录试验过程中的位移-力曲线，通过峰值应力以内的曲线包罗的面积计算得到冲击韧性值，图3为三种封层结构代表性的位移-力曲线图，虚线部分为单层乳化沥青碎石封层的冲击韧性值包含的面积。

图3 冲击韧性试验位移-力曲线

从图3可以看出，三种开普封层结构的抗裂强度相差不明显，但橡胶沥青碎石封层组合的开普封层具有更大的破坏位移，且双层较单层更大；从达到最大力后的位移-力曲线来看，单层乳化沥青碎石封层表现出更明显的脆性破坏，由此可见，橡胶沥青碎石封层可以明显增加其韧性，表现出更好的抗裂性能，三种材料计算得到的冲击韧性值的大小关系为：单层橡胶沥青碎石封层>双层橡胶沥青碎石封层>单层乳化沥青碎石封层。

3 结论

本研究在材料组成设计的基础上，对三种不同材料组成的开普封层进行了粘结性和抗裂性能的对比分析，主要得到如下结论：

(1)采用橡胶沥青取代乳化沥青作为开普封层下封层的胶结料能够显著提升开普封层的粘结性和抗裂性能，养护方案选择时可优选橡胶沥青碎石封层组成的开普封层；

(2)双层橡胶沥青碎石封层能进一步提升单层橡胶沥青碎石封层组成的开普封层的粘结性和抗裂性能，但具体应用时还需要考虑养护经费，综合经济效益选用；

(3)各类开普封层的施工工艺以及具体使用效果需要通过试验段的对比研究进一步论证。