新型高黏沥青超薄磨耗层的性能及应用研究

2021-11-08蓝日彦王红伟李运高张嘉豪

西部交通科技 2021年8期

蓝日彦，王红伟，李运高，张嘉豪

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

国外首先在20世纪60年代提出了超薄沥青混凝土的概念，英法等国都研发出了各自的超薄面层，并铺筑试验路[1-2]。美国的沥青磨耗层研究则始于20世纪70年代，美国首先开发出了大孔隙的OGFC沥青磨耗层，而后科氏公司提出并完善了Novachip技术，并在美国高速公路中得到了广泛应用[3-4]。超薄沥青磨耗层在我国的应用相对较晚，在20世纪90年代后期，国内一些省份首次尝试采用了该项技术[3]。但是由于没有成熟的经验指导，配合比设计时级配只能按照现有规范的标准，结果因级配空隙率过大导致混合料稳定性不够好，在实际道路中的使用效果并不理想。

总体来说，超薄沥青磨耗层在我国的研究和应用并不成熟，在胶结料、级配、配合比设计和实际应用方面都较多依赖国外技术。因此，为了进一步完善我国在超薄沥青磨耗层方向的研究，本文提出一种以新开发的高黏复合改性沥青为胶结料、以STC新级配类型组成的超薄磨耗层为研究对象，通过对这种新型超薄磨耗层的配合比设计和室内性能进行研究，提出其使用技术要求。通过室内试验和铺筑试验路综合评价其使用性能，为这种新型超薄沥青磨耗层的应用提供技术参考。

1 试验材料与设计级配

1.1 原材料

超薄沥青磨耗层所使用的沥青应该具有良好的黏性、粘附性以及高低温性能，因此超薄沥青磨耗层选取新型的高黏复合改性沥青作为胶结料，该沥青是由高黏改性剂与废旧胶粉复合改性制备得到，此次选取最佳改性剂用量为5%高黏剂+15%废旧胶粉。高黏改性沥青的基础性能指标如表1所示。

表1 高黏改性沥青性能指标表

超薄沥青磨耗层作为表层，直接承受交通荷载，集料首要满足的是其耐磨性能[4]。因此在选择集料时首选磨耗损失小、质地坚硬、粗糙、有棱角的优质集料。为了使得到的超薄沥青磨耗层配合比设计应用更广泛，选用国内广泛应用的玄武岩、花岗岩和石灰岩作为研究对象。

1.2 磨耗层级配

根据超薄沥青磨耗层的需求和特点，推荐采用间断级配，其中粗集料所占比例在60%～70%区间较为合理，同时矿粉的比例不宜过多以免造成空隙率较小。通过比较和调配最终确定两种常用合适的级配类型：STC-10和STC-13。两种级配的范围如表2所示。

表2 超薄沥青磨耗层沥青混合料级配范围表

2 配合比设计关键技术指标的确定

高黏改性沥青超薄磨耗层是一种新型的磨耗层，为了将其在国内推广应用，其配合比设计研究便十分必要。SUPERPAVE配合比设计方法中体积指标对整个配合比设计的合理性有着十分重要的影响，而STC级配的结构特性决定了其体积指标若以传统方式测定必然会导致误差存在，因此研究首先对STC超薄沥青磨耗层体积指标的确定方法进行研究，以期提出更加适合STC超薄沥青磨耗层配合比设计的体积指标技术要求。

传统的体积法在测定毛体积密度时，是将试件的开闭口孔隙以及表面凹陷全部计算在其中，这必然会导致计算的密度偏小而空隙率偏大，尤其是对于超薄沥青磨耗层，影响将会更加显著。而美国为了能够更准确地测定毛体积密度，研究提出了塑封法(Corelok)。塑封法就是用聚乙烯塑料袋来密封试件抽取真空，采用表干法的方式测密度，根据塑料袋的密度和体积来修正试验结果，该方法操作简单且不易受时间、类型和形状的影响，操作简便且测试准确度更高[5]。

基于上述分析，本文对STC-10和STC-13两种级配进行体积指标的研究。同时为了增加超薄沥青磨耗层级配的适用性，分别以玄武岩、花岗岩和石灰岩为集料进行试验，从而使试验结果所得体积指标具有一定的代表性和广泛的适用性。

本文所研究磨耗层沥青用量区间参考Novachip(超薄磨耗层)的沥青用量取4.5%～6.0%之间[6]，表3、表4给出了三种集料在两种级配(STC-10和STC-13)下采用体积法和塑封法测试所得的体积指标结果。

表3 体积法测试体积指标汇总表

表4 塑封法测试体积指标汇总表

最后根据体积法和塑封法体积指标的测试结果，提出高黏沥青STC超薄磨耗层的体积指标技术要求(见表5)，为后续的配合比设计和实际施工应用提供了参考。

表5 高黏沥青STC超薄磨耗层体积指标技术要求表

3 室内试验性能研究

在提出高黏沥青超薄磨耗层的体积指标技术要求后，对其使用性能还需有进一步的研究。基于此，提出将STC-13型超薄磨耗层和国内外常用的AC-13、SMA-13、Sup12.5进行室内试验对比研究，进而对高黏沥青超薄磨耗层有进一步认识。

3.1 不同老化程度的排水沥青混合料疲劳方程分析

按照各混合料类型的级配控制方法和对应的级配范围的要求进行级配设计。四种混合料的设计级配曲线如图1所示，可以发现STC-13和SMA-13的级配组成是较为相似的，属于间断级配。而为了尽可能少地减少多因素对试验的影响，对三种对照组的混合料统一使用常用的SBS沥青作为胶结料，四种混合料的集料均采用玄武岩。

图1 四种混合料级配曲线图

对四种混合料进行配合比设计，确定各自最佳油石比。其中对STC-13混合料按照前文推荐的测试方法确定体积指标。对超薄沥青磨耗层选取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%四种沥青用量，通过旋压机旋压100次制作旋转压实试件，每个沥青含量下的试件数目为3个。以塑封法测得混合料的体积指标如表6所示。

表6 STC-13混合料体积指标表

由表6可知，除了4.5%沥青用量外，混合料的体积参数均符合表5中提出的技术要求，综合对比不同沥青用量下的体积指标及油膜厚度，确定STC-13混合料的最佳沥青用量为5.2%。通过上述相同方法最终确定其他三种混合料的最佳沥青用量为5.4%(AC-13)、6.5%(SMA-13)、5.2%(Sup12.5)。

3.2 高温性能

为了对比四种混合料在最佳沥青用量下的高温稳定性，制备四种混合料在最佳沥青用量下的马歇尔试件，通过马歇尔试验得到稳定度和流值，结果如图2所示。

(a)稳定度

从图2的稳定度和流值指标来看，密级配的AC-13稳定度最大且流值最高，而间断级配的STC-13与同属密级配的Sup12.5的稳定度值均在10 kN左右，略小于AC-13的；而STC-13的流值要远小于Sup12.5和AC-13的，较小的流值说明STC-13的抗变形能力要优于另外两种密级配的混合料。同时同为间断级配的SMA-13的稳定度和流值都是最小的，因此认为STC-13的高温性能优于SMA-13的。

因此作为磨耗层来说，AC-13虽然有着很高的强度，但是过大的变形是不适合磨耗层的性能需求的。Sup12.5与STC-13有着相近的强度，但是流值却过大，STC-13的性能是较为合理均衡的。

3.3 低温性能

为了探究超薄沥青磨耗层的低温性能，在最佳沥青用量下对STC-13混合料进行-10 ℃下的间接拉伸(劈裂)试验，并与AC-13、SMA-13和Sup12.5三种混合料进行对比，得到的间接拉伸试验结果如图3所示。

由图3(a)(c)可知，四种混合料的劈裂抗拉强度和破坏劲度模量由大到小依次是AC-13>STC-13>Sup12.5>SMA-13。这较为直观地反映了各类混合料抵抗拉应力的能力。其中AC-13和STC-13的强度是较为优异的，低温抗拉性能较强。

同时结合图3(b)破坏拉伸应变指标，进一步分析发现，虽然四种混合料的破坏拉伸应变均在0.01左右。但是强度最大的AC-13的破坏拉伸应变值是最小的，为0.009；而强度较高的STC-13的破坏拉伸应变则是仅次于SMA-13的0.0113。由此得知STC-13有着足够抗拉强度的同时，也有着较好的拉伸应变，这正是磨耗层材料所需要的，因此STC-13混合料的低温性能较其他三种更为优异。

3.4 水稳定性

为了研究高黏超薄沥青磨耗层的水稳定性，在最佳沥青用量下对四种混合料进行冻融劈裂试验，得到四种混合料的冻融劈裂残留强度比(TSR)结果如图4所示。

(a)劈裂抗拉强度

图4 冻融劈裂试验结果柱状图

由图4结果可知，四种混合料的TSR值均符合规范≥80%的要求，这说明其水稳定性都是较为出色的。通过对比可以发现，两种密级配混合料的TSR值要略高于间断级配的SMA-13和STC-13。与SMA-13相比，STC-13虽然有着更大的空隙率，但是TSR值也更高。说明STC-13的水稳定性也是较为优异的。

4 试验路验证

为了进一步研究和验证高黏沥青超薄磨耗层的实际路用性能。研究以某绕城公路的表面修复工程为依托，进行试验路铺筑，试验路长度为1 km。

高黏沥青超薄磨耗层(STC-13)的铺筑采用快速同步施工，在原有路面喷洒改性乳化沥青作为黏层，黏层洒布量为0.78 L/m2，在洒布黏层的同时立即摊铺2 cm厚的高黏沥青超薄磨耗层。对原有路面进行性能检测的同时对新铺筑的磨耗层和混合料进行性能检测，并在竣工通车一年之后对磨耗层表面性能进行测试，其结果如表7所示。