超薄磨耗层高粘沥青混合料配合比设计及性能评价

石定开

（广东惠清高速公路有限公司,广东广州510960）

高等级路面对道路材料的功能性与使用寿命都有较高要求,处于运营状态下的道路不可避免的受到车辆与环境的影响,功能性会有所下降。预防性养护能在一定程度上恢复路面使用性能,但是选择的技术或材料不当也会导致难以达到预期效果。超薄罩面层技术采用同步摊铺施工方法,为现有路面加铺一层较薄的功能层,修补路面的裂缝与轻微沉陷病害,恢复道路的使用性能,具有路用性能好、使用寿命长、施工较简便等特点,近年来在道路预防性养护工作中受到推广[1-2]。本文对三种超薄磨耗层高粘沥青混合料进行研究,开展混合料的配合比设计,通过试验评价并对比各类型超薄磨耗层沥青混合料的性能。

1 原材料

1.1 集料

用于沥青混凝土的集料应当具备表面粗糙、干燥洁净、无杂质、无风化的要求,同时具备一定的抗冲击、抗变形和耐磨耗能力。试验采用辉绿岩作为集料,集料规格为5～10 mm碎石、3～5 mm碎石、0～3 mm石屑,具体性能见表1。

表1 试验所用粗细集料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse and fine aggregates used in the test

1.2 填料

试验用矿粉为碱性石灰岩制成,应干燥清洁、无杂质。表2所示为矿粉基本性能。

表2 试验所用矿粉基本性能Table 2 Basic properties of mineral powder used in the test

1.3 沥青

（1）高粘沥青

沥青的性能对超薄磨耗层混合料有至关重要的影响。超薄磨耗层位于路表,承受恶劣的荷载与环境影响,同时超薄磨耗层集料的公称粒径较小,因此要求选用的沥青具备抗剥落能力强、包裹性好等特点[3-4]。试验选用壳牌生产的特种高粘度改性沥青,具体性能参数见表3。

表3 试验用高粘沥青性能参数Table 3 Performance parameters of high viscosity asphalt for test

（2）乳化沥青

在超薄沥青磨耗层混合料中,乳化沥青起粘结剂作用,促使原路面与罩面层粘结为整体,避免磨耗层与旧路面过早出现脱皮、推移等病害。试验选用的乳化沥青具体性质见表4,各项性能均满足国标要求。

表4 试验所用特种复合改性乳化沥青性能Table 4 Performance of special compound modifi ed emulsifi ed asphalt used in the test

2 混合料配合比设计

2.1 级配设计方法

试验对UTAC、Novachip以及OGFC三种超薄沥青混凝土进行研究,以CAVF法（主骨料空隙填充法）来设计混合料集配曲线。考虑到超薄磨耗层的集料公称粒径较小,在9.5mm与4.75mm粒径间增加7mm沥青作为混合料最大公称粒径控制级配[5]。

2.2 粗细集料分界筛孔的确定

粗细集料的分界筛孔确定是开展CAVF法级配设计的前提。试验采用的最大公称粒径是7mm,需要通过试验确定分界筛孔。试验测定了不同质量分数下、不同粒径档集料的粗骨料间隙率VCAdrc,结果表明：4.75～7 mm档与2.36～4.75 mm档对集料VCAdrc值的影响为,随着含量的增加VCAdrc值呈现出先下降后上升的变化,原因在于起骨架作用的粗集料存在最大密实状态的值,当其质量分数增加到接近单一粒径状态时,集料的粗骨料间隙率会明显增大；1.18～2.36 mm档粒径的集料对间隙率的相关性系数仅为0.1534,影响较小；VCAdrc值随着0.6～1.18 mm档集料的质量分数增加而持续降低,表现出填充作用。因此,试验采用1.18mm作为粗细集料的分界筛孔。

2.3 三种沥青混合料级配设计

由于采用CAVF法进行沥青混合料级配设计的过程类似,本文仅以UTAC-7为例进行介绍。为了增加密级配沥青路面的构造深度与抗滑性能,本次UTAC-7采用间断级配。粗集料的比例为9.5～7 mm：7～4.75 mm：4.75～2.36 mm：2.36～1.18 mm=10：30：60：0,细集料起填充作用,按福勒级数设计级配曲线,最后将粗细集料的级配进行拟合。表5为三种超薄磨耗层混合料的筛孔通过率。

表5 三种超薄磨耗层沥青混合料的级配组成Table 5 Gradation composition of three ultra-thin wear layer asphalt mixtures

2.4 三种沥青混合料沥青用量的确定

（1） UTAC-7最佳沥青用量确定

参考相关文献[6-8],以5.8%作为假定的沥青用量为基准,以0.3%作为间隔,成型马歇尔试件,测定混合料体积参数。测定结果显示：毛体积密度、目标空隙率、稳定度最大值等指标对应的油石比均为5.8%,则OAC1=5.8%,又OACmax=6.4%,OACmin=5.2%,则OAC2=5.8%,计算得OAC=5.8%,即UTAC-7沥青混合料的最佳油石比为5.8%。

（2）Novachip-B最佳沥青用量确定

参考壳牌超薄磨耗层Novachip施工指南,对于半开级配Novachip以目标空隙率和最佳沥青膜厚度作为油石比的确定依据[9-10]。本次试验的设计目标空隙率取10%,最佳沥青膜厚度选择10μm,同样假定基准沥青用量为5.8%,以0.3%为间隔制作马歇尔试件,通过体积法计算空隙率。最终试验确定当油石比在5.0%～5.3%时,通过体积法计算得混合料空隙率、沥青膜厚度与目标值接近,因此,选择以5.1%作为Novachip-B的最佳沥青用量。

（3）OGFC-7最佳沥青用量确定

对于开级配磨耗层OGFC-7,通常采用析漏飞散试验确定其最佳沥青用量。以5.8%作为基准沥青用量,间隔取0.3%,成型5组马歇尔试件,得到的试验结果如图1所示。从图1中可以看出,析漏曲线与飞散曲线的拐点位于4.7%油石比处,表明混合料的油石比在4.7%附近时,飞散损失与析漏损失的变化速率存在较大差异,此时空隙率为20%左右,接近目标空隙率。因此,OGFC-7磨耗层混合料的最佳油石比取4.7%。

图1 各指标与油石比的关系Fig. 1 Relationship between each index and the ratio of oil to stone

3 超薄磨耗层高粘沥青混合料性能评价

3.1 高温稳定性

采用车辙试验评价各超薄磨耗层沥青混合料的高温稳定性,结果见表6。计算三种混合料的动稳定度值分别为3325、4500、3150,均满足规范中3000次的要求,具备较好的高温稳定性。三种超薄磨耗层混合料的高温稳定性排序为Novachip-B＞ UTAC-7＞ OGFC-7。

表6 沥青混合料车辙试验结果Table 6 Rutting test results of asphalt mixture

3.2 低温抗裂性

采用三点小梁弯曲试验评价三种混合料的低温性能,得到如图2所示的弯拉应变、弯拉强度、劲度模量与温度变化的关系图。

图2 各指标随温度变化情况Fig. 2 Variation of each index with temperature

从图2可以看出,三种混合料的应力应变具有相同的趋势,弯拉应变随温度增长而增加,弯拉强度曲线存在峰值点,对应脆化点温度。三种混合料的弯拉破坏强度差异较小,相比之下UTAC-7弯拉应变较大,比Novachip-B、OGFC-7混合料的低温抗变形能力更强。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价各混合料的水稳定性,图3所示为各混合料的残留稳定度情况与冻融劈裂强度比值情况。浸水马歇尔试验结果表明,三种磨耗层混合料的残留稳定度均能达到规范的要求。相比之下,Novachip-B型的残留稳定度值较高,具备较好的水稳定性。从冻融劈裂试验结果来看,Novachip-B的强度比明显高于UTAC-7和OGFC-7,原因在于UTAC-7的空隙率小导致水冻胀的自由空间少,应力较大使混合料内形成大量微裂缝,降低了材料力学性能；而OGFC-7混合料的空隙过大,导致空隙内填充大量水,自由空间不足影响了混合料冻胀后的力学性能。

图3 各混合料水稳定性试验情况Fig. 3 Water stability test of each mixture

3.4 抗滑性能

本次试验采用构造深度和摆值指标评价混合料路面的抗滑性能。通过手工铺砂法测定三种超薄磨耗层沥青路面的构造深度,结果如图4所示。三种混合料路面的构造深度均满足规范0.55mm的要求,不同类型沥青路面的构造深度差别较大,其中OGFC-7的构造深度要明显高于另外两种混合料路面,原因在于OGFC路面具有较大的空隙率。

图4 各混合料抗滑性能试验情况Fig. 4 Sliding resistance test of each mixture

摆值试验能够评价路面在潮湿状态的抗滑性。三种路面的摆值均能满足规范中的45BPN要求,其中Novachip-B的摆值比UTAC-7、OGFC-7大,原因在于：UTAC-7路面构造深度较浅,在路面潮湿状态下提供的阻力面积有限；OGFC-7虽然构造深度较深,但是接触点较少；而Novachip-B路面的粗细集料比例合理、构造深度适中,橡胶片与试件的接触点较多、有效接触面积较大,所以摆值较大。

4 结论

本文对密集配UTAC-7、半开级配Novachip-B、开级配OGFC-7三种超薄磨耗层高粘沥青混合料的配合比、沥青用量进行了研究,对三种混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗滑性能等进行了评价与对比。结果表明,三种沥青混合料的路用性能均能满足规范要求。相比之下,Novachip-B的高温性能最好,UTAC-7的低温抗开裂能力较强,Novachip-B水稳定性较好,OGFC-7的构造深度最大,Novachip-B的摆值较高。