超薄磨耗层在莆永高速的应用及路用性能分析

■唐志敏

（1.福建省高速技术咨询有限公司，福州 350002；2.福建省高速公路工程重点实验室，福州 350001）

沥青路面因通车快、具有良好的抗滑性等优点逐步发展为高速公路的主流路面结构形式[1-2]。 但随道路业的快速发展，路面的养护需求变得越来越迫切[3]。 超薄磨耗层可预防并修复路面的早期病害，并延长路面寿命[4]。 因此，许多学者对超薄磨耗层的设计和路用性能进行了研究，并分析了超薄磨耗层在养护工程中的优点和缺点[5]。 龙宇洲[6]通过分析混合料不同级配特点、搅拌站生产工艺，对超薄磨耗层的目标配合比、沥青组合类型进行了优选，并通过试验对其各项路用性能指标进行了验证分析。 冯志强[5]研究了超薄磨耗层温拌橡胶沥青混合料的各项性能，结果表明超薄磨耗层温拌橡胶沥青混合料的抗滑、排水性能优于SBS 改性沥青混合料，而层间抗剪强度与SBS 改性沥青混合料相差较小，综合性能较优。 殷俊等[7]基于能量等效原理建立了小粒径排水型抗滑超薄磨耗层混合料击实功与压实功的转换关系，从而确定了碾压遍数等现场参数。 李运华等[8]对Novachip 超薄磨耗层的路用性能进行了测试，结果表明Novachip 超薄磨耗层不仅能阻断原道路面层与外界的直接接触，且能有效提高路面的降噪能力、抗滑性能、抗水损害性能。 李正中等[9]对超薄磨耗层材料UWM-10 进行了设计， 并对其路用性能进行分析， 结果表明UWM-10 具有良好的抗滑性能，且构造深度衰减程度小于传统的超薄铺装材料。 Geng 等[10]在UWM-10 的基础上，采用多链聚烯烃改性剂对混合料进行改性，并对改性后材料的高温、低温及耐湿性进行评估，结果表明改性后材料比普通超薄磨耗层有更好的路用性能。 刘洋[11]采用核-壳结构的抗凝冰材料结合超薄磨耗层混合料进行主动除冰雪技术和预防性养护措施的研究，结果表明基于缓释型抗凝冰超薄磨耗层具有良好的耐磨抗滑性和抗凝冰性能。

总体而言，许多学者研究了超薄磨耗层在沥青路面的设计和路用性能，但仍缺乏超薄磨耗层的具体工程应用实例及其性能分析。 因此，本研究结合莆永高速莆田段的超薄磨耗层工程实例，对超薄磨耗层在预防性养护应用及其路用性能进行分析，从而研究超薄磨耗层在沥青路面预防性养护的效果，为其他区域高速公路的超薄磨耗层工程应用提供参考和借鉴。

1 原路面工程概况

莆永高速公路莆田段全长87.679 km，其中新建里程64.096 km，该段公路于2012 年通车。 路面结构为4.5 cm AC-16C+5.5 cm AC-20C+16 cm ATB-25+12 cm 级配碎石下基层+32 cm 3%水泥稳定碎石基层。 选取的试验道路路段已出现路面轻微破损，平整度、横向力系数降低等状况，且通车至今路段未进行大、中修。 本次超薄磨耗层试验路路段桩号为BK73+300-BK71+400，设计的磨耗层厚度为1.5/1.2 cm。

2 原材料

原材料主要包括沥青、粗细集料、填料和改性乳化沥青，依照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》[12]对粗细集料及填料进行性能测试，测试结果分别见表1～4。其中，粗细集料的外观坚硬、无风化、无杂质。 依照JTG E20-2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》[13]对改性乳化沥青性能进行了测试，结果见表5，其性能需满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[14]的相应技术指标要求。

表1 高粘改性沥青的主要技术指标

表2 粗集料的主要技术指标

表3 细集料的主要技术指标

表4 填料的主要技术指标

表5 改性乳化沥青的主要技术指标

3 混合料设计

3.1 目标配合比

3.1.1 级配设计

对粗细集料进行筛分，并根据筛分得到的结果合成目标级配，混合料的级配曲线见图1。

图1 混合料初始级配曲线

3.1.2 油石比确定

采用马歇尔击实仪成型试件，击实温度175℃，击实次数为75 次。 然后，根据设计得到的级配采用5 种油石比成型试件， 成型试件的混合料体积特性见表6，混合料性能需满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[14]中对混合料的性能要求。根据表6 的试验结果， 以混合料的油石比为横坐标，马歇尔试件的各项指标为纵坐标，绘制得到混合料各项指标与油石比的关系见图2。

图2 目标配合比混合料各项指标与油石比的关系

表6 目标配合比的混合料体积特性

由图2 知， 空隙率随油石比增加逐渐减少，矿料间隙率随油石比增加先减少后增大，稳定度随油石比增加先增大后减小，流值随油石比增加逐渐增大。 而小孔隙率混合料具有更好的耐老化性与耐久性，即沥青用量存在最佳用量，沥青用量较多时会向混合料底部流动，从而形成封层，既浪费沥青又无法提高强度。 因此，通过混合料的空隙率、矿料间隙率、稳定度和流值综合分析，初步确定油石比为7.5%（沥青含量为6.98%），并采用该油石比拌和混合料进行混合料的性能试验，性能试验结果见表7。由表7 可知，在该油石比和设计级配下，得到的混合料各项性能均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[14]的要求。

表7 目标配合比混合料在最佳沥青用量的性能验证

3.2 生产配合比

3.2.1 级配设计

对粗细集料进行筛分，并根据筛分得到的结果合成生产级配，级配曲线见图3。 由图3 可知，生产配合比的级配曲线与目标配合比的级配曲线基本重合，表明生产配合比的级配曲线设计具有较好的可靠性。

图3 混合料最终级配曲线

3.2.2 油石比确定

油石比取目标配合比最佳沥青用量及±0.3 用量进行试验，根据马歇尔试验成型试件，混合料的体积特性见表8。 依据表8 绘制生产配合比下混合料各项指标和油石比的关系，结果见图4。生产配合比下的混合料油石比确定方法同目标配合比混合料的油石比确定方法一致，由图4 最后确定生产配合比混合料的油石比为7.5%。 为进一步验证该配合比的混合料性能是否满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[14]的要求，进行了沥青混合料的性能试验，结果见表9。 由表9 可知，该生产配合比的混合料性能能够满足规范要求。

表8 生产配合比的混合料体积特性

图4 生产配合比混合料各项指标与油石比的关系

表9 最佳沥青用量下的性能验证试验结果

4 路用性能分析

本研究将设计得到的混合料进行铺筑， 测试BK71+400～BK73+300 段铺筑该薄层罩面混合料前后沥青路面的各项性能， 从而分析其路用性能的变化。

4.1 行驶质量指数

采用多功能检测车检测试验路路段施工前后的路面行驶质量指数，结果见图5。 由图5 可知，沥青路面经过超薄磨耗层混合料的施工后，路面行驶质量指数均有不同程度的提高，平均每百米提高了0.424，表明超薄磨耗层可改善沥青路面的行驶质量。

图5 施工前后路面行驶质量指数

4.2 车辙深度指数

为评价超薄磨耗层混合料对原路面的车辙改变情况，采用车辙深度指数评价超薄磨耗层混合料铺筑前后的试验路路段车辙病害变化情况，结果见图6。由图6 可知，经过超薄磨耗层混合料施工后的沥青路面车辙深度指数均出现了下降，车辙深度指数平均每百米降低了2.464， 表明经过加铺超薄磨耗层的沥青路面车辙病害整体可得到较大改善。

图6 施工前后路面车辙深度指数

4.3 抗滑性能

为分析加铺超薄磨耗层混合料对沥青路面抗滑性能的影响，通过横向力系数评价超薄磨耗层混合料铺筑前后沥青路面抗滑性能的变化情况，结果见图7。 由图7 可知，加铺超薄磨耗层混合料后，沥青路面的横向力系数均出现较大的提高，通过计算发现加铺超薄磨耗层混合料的沥青路面横向力系数较原路面平均每百米提高了21.65， 表明超薄磨耗层可提高沥青路面的抗滑性。

图7 施工前后路面横向力系数测试结果

4.4 防水性能

沥青路面投入运营后，集料表面的沥青会在雨水、车辆的共同作用下不断脱落而造成路面空隙增大。 沥青路面增大的空隙经雨水冲水易造成水损害。 为分析超薄磨耗层对沥青路面防水性能的影响，依据JTG 3450-2019《公路路基路面现场测试规程》[15]，采用路面渗水仪检测沥青路面超薄磨耗层施工前后的渗水系数大小。 试验过程见图8（a），结果见图8（b）。 由图8（b）可知，试验段加铺超薄磨耗层混合料后的渗水系数较施工前的渗水系数均有较大的降低。 通过计算可知，铺筑超薄磨耗层沥青路面的渗水系数较原路面平均每百米降低了49.7%，结果表明超薄磨耗层有利于提高沥青路面的防水性能。

图8 渗水试验

4.5 降噪性能

沥青路面长期使用后的粗细集料易裸露在路表面，经过车辆碾压后路面会产生较大的噪音。 为分析超薄磨耗层对沥青路面噪音的影响，采用精密声级计分别检测原路面的噪音值和加铺超薄磨耗层试验段的噪音值，检测车的车速为80 km/h，每隔5 s 读取一个测值，试验结果见表10。由表10 可知，加铺超薄磨耗层路面不同测点的噪音值均低于原路面的噪音值，通过计算发现超薄磨耗层的噪音值较原路面的噪音值降低了1.27 dB， 结果表明铺筑超薄磨耗层可有效降低沥青路面的噪音污染。

表10 路面噪音检测结果

5 结论

为分析超薄磨耗层的应用效果，本研究将设计得到的超薄磨耗混合料铺筑至莆永高速沥青路面，测试施工前后路面的各项性能，得到以下结论：（1）根据马歇尔试验方法确定了该超薄磨耗沥青混合料的最佳油石比为7.5%；（2）超薄磨耗层施工后的沥青路面行驶质量指数平均每百米提高了0.424，较大程度提高了沥青路面的行车质量；（3）超薄磨耗层施工后的沥青路面车辙深度指数平均每百米降低了2.464，原路面的车辙病害得到了较大的改善；（4）加铺超薄磨耗层后沥青路面的横向力系数较原路面平均每百米提高了21.65， 使沥青路面的抗滑性能得到较大的提高；（5）铺筑超薄磨耗层的沥青路面渗水系数较原路面平均降低了49.7%，表明超薄磨耗层有利于改善原沥青路面的防水性能；（6）超薄磨耗层的噪音值较原路面平均降低了1.27 dB，可有效降低路面噪音，从而减小道路噪音对周围居民生活的影响。