薄层AC-10沥青表面层在广东高速公路的应用分析

2022-07-07薛耀东

工程与建设 2022年3期

薛耀东

(南京润程交通科学研究院有限公司，江苏南京 210000)

0 引言

目前常用的薄层罩面包括ECA-10、SMA-10及Novcachip等[1]，其中ECA-10易压实沥青混凝土由东南大学提出，施工需加入化学添加剂掺入沥青中降低沥青黏度，SMA-10具有良好的抗车辙和抗滑能力，施工造价相对较高，NovaChip施工必须采用专用改性乳化沥青(NovaBinderTM、NovaBondTM)和特定摊铺设备(Novapave),且不能作为结构补强层。

路面表层真正起到抗磨光和抗磨耗作用的只有表面的1 cm深度范围，1 cm以下部分的玄武岩和辉绿岩并未发挥其独特的功能性作用，可以替换为价格相对便宜的中、下面层料。在路面总厚度不变情况下，减薄上面层厚度，增加中面层厚度，满足路面表层结构性和功能性需求的同时可以降低施工成本。

如何降低施工成本、简化施工工艺，解决超薄磨耗层减薄厚度与沥青混合料压实特性和路用功能性的矛盾，优化常规AC型沥青混合料级配设计，本文以常见的几种薄层罩面为对照组，通过室内试验对比研究优化后的AC-10的路用性能。并通过工程应用进行实际路用功能性分析。

1 混合料配合比设计

1.1 合成级配的选择

沥青混合料作为一种流变性材料，其压实受到荷载大小、荷载作用时间和温度的影响，在压实过程中表现出明显的黏-弹-塑性的变形特性。超薄沥青路面需解决减薄后层厚与可压实性的矛盾，沥青混合料在设计时不仅要求具备良好的可施工性能，还要求必须具有良好的使用性能。张争奇等[1]采用多组沥青混合料进行了旋转压实分析，提出采用初始压实状态到设计压实次数阶段的压实曲线的密实能量指数评价沥青路面的可压实性。研究认为，沥青混合料级配中值级配的混合料比S型级配和下限级配的混合料在施工过程中更容易被压实[2]。

选择中值级配和间断S型级配作为改进型超薄沥青面层AC-10混合料设计，并以常见的ECA-10、SMA-10进行高温性能和抗水损害性能对照。不同类型薄层混合料级配范围见表1，相互比较如图1所示。

表1 薄层混合料级配范围

图1 级配比较

1.2 性能试验

1.2.1 高温性能

沥青混合料高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。

在高温环境下，沥青混合料主要表现为热塑性，在车轮荷载反复作用下，发生剪切破坏产生永久变形，当永久变形积累到一定程度导致车辙，称为失稳性车辙，又称为塑性流动车辙，表现形式为内部材料发生流动，产生横向位移，是我国常见车辙类型之一[3]。

其他车辙类型分别为结构型车辙、磨耗型车辙和压密型车辙。结构型车辙是由于路面结构层在交通荷载作用下产生整体永久变形，主要是路基变形传递到路面产生。磨耗性车辙是由于路面结构顶层材料在车轮冲击下不断磨耗损失形成。

目前，我国主要采用沥青混合料车辙试验评价沥青混合料高温稳定性。

本文采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]中T0719-2011沥青混合料车辙试验方法测定沥青混合料动稳定度DS来表征超薄沥青结构层沥青混合料的高温性能。不同类型薄层混合料的高温稳定性能比较如图2所示。

图2 高温稳定性能比较

由图2可知，混合料的动稳定度除AC-10(中值)外，均具有较高抵抗高温变形的能力。

AC-10(中值)级配的混合料为悬浮密实结构，粗集料悬浮在细集料之间无法形成有效嵌挤，在60℃的试验温度下胶结料软化，黏性降低，颗粒很容易在荷载作用下发生剪切滑动或旋转[5]。其他结构均类似于骨架嵌挤型沥青混合料，较强的骨架结构具有很好的高温稳定性。

1.2.2 水稳定性

一般研究认为，沥青混合料的水稳定性破坏可以分为两个阶段，第一阶段水分子侵入沥青中使得沥青的黏结性降低，导致沥青胶结料强度降低；第二阶段水进入沥青薄膜和集料之间，由于水的张力较沥青的张力强，致使沥青与集料表面的接触角减小，沥青从集料表面剥落。沥青混合料松散、掉粒，从而使沥青路面形成坑槽。

目前，我国主要采用浸水马歇尔残留稳定度试验和冻融劈裂强度试验两种方法评价沥青混合料的水稳定性。不同类型薄层混合料的水稳定性比较如图3所示。

图3 抗水损害性能比较

由图3可知，混合料均具有良好的抗水损害性能。AC-10(中值)试件表面密实程度较高，抵抗水损害的能力相对较强。ECA-10细集料含量较少，制件过程中需添加化学降黏度剂，抗水损害指标相对较低。

1.2.3 低温抗裂性能

沥青混合料的低温抗裂性是指在温差较大或温度骤降的情况下抵抗收缩裂缝的能力。一般研究认为，温度造成的沥青路面开裂有两个原因，一个是当外界温度突然下降，降温速率比较快，沥青面层随温度下降而产生收缩，沥青混合料的极限抗强度小于沥青混合料产生的温度应力沥青路面产生开裂，沥青面层的低温收缩是很重要的因素[6]；二是沥青混合料的极限拉应变会随着温度反复升降的疲劳作用而变小，并且沥青劲度随着沥青的老化而增加，沥青混合料应力松弛性能降低，产生温度疲劳裂缝。沥青混合料在低温下若具有较高的强度、较好的抗变形能力和较强的应力松弛能力，就会有较好的低温抗裂性能。

目前，国外评价沥青混合料低温抗裂性能的试验方法主要包括拉伸蠕变试验、约束试验、温度应力试验、等速加载弯曲试验、三点弯曲J积分试验等。我国主要采用沥青混合料弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性能。

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关要求，根据确定好级配的沥青混合料，做成长300 mm×宽300 mm×厚50 mm的车辙板后，切割试件尺寸符合长250 mm±2 mm、宽30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm要求的小梁。试验温度为-10 ℃，加载方式为单点加载，加载速度为50 mm/min。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0715-2011沥青混合料弯曲试验方法测定。

不同类型薄层混合料的低温抗裂性能比较如图4所示。

图4 低温抗裂性能比较

由图4可知，混合料均具有良好的低温抗裂性能，其中SMA-10因富含沥青玛蹄脂表现出更好的低温抗裂性能。

2 试验路铺筑及性能检测

在广东玉湛高速公路黄铜互通A匝道铺筑了2.5 cm厚AC-10试验路。试验地属于高温多雨地区，因此根据高温性能和抗水损害性能选定AC-10(间断)作为试验路施工级配。原设计为4.5 cm GAC-16+5.5 cm AC-20，试验路为2.5 cm AC-10+7.5 cm AC-20。施工结束后对比两种结构的渗水系数和抗滑性能，见表2。