AC-8密实型超薄磨耗层在沥青路面预防性养护中的应用

唐忠国,霍 典

(广西交通投资集团崇左高速公路运营有限公司,广西 崇左 532299)

0 引言

目前我国超薄磨耗层技术主要有SAC-10多碎石超薄磨耗层、OGFC-10开级配抗滑磨耗层、SMA-10间断级配骨架密实型磨耗层等。但是,这些超薄磨耗层的铺筑厚度较厚,在隧道净空及桥梁恒载需要严格控制、护栏及标志牌等交安附属设施标高固定且改造费用过高等工程中应用受限。因此,开展2 cm厚AC-8密实型超薄磨耗层研究与应用,降低铺筑厚度,能够通过预防性养护措施提升沥青路面使用品质,具有重要的理论意义和工程应用价值[1]。

南友高速公路主线全长180.063 km,在2005年底建成通车。近9年后,沥青路面出现了裂缝、轻微车辙、坑槽、掉粒、麻面、表面沥青老化及表面抗滑值衰减等病害。为了解决路面表面功能衰减问题,该工程在原路面加铺2 cm厚AC-8密实型超薄磨耗层的预防性养护方案,于2014年开展一期工程施工,并进行了8年服役期的监测,取得了良好的预防性养护效果。

1 设计思路

AC-8密实型超薄磨耗层具备提高道路表面抗滑指数、恢复道路表面功能、缓解病害发展等功能性要求,同时,还是直接承受车轮荷载及温度、光照、雨水作用的关键部位,因此在进行设计时应同时考虑其功能性及结构性特点对材料特性提出要求。在本文研究及工程实践中,选取了抗滑性能、水稳定性、粘结性能、抗老化性能等作为材料的控制指标,采用细粒式、密实型、粗集料断级配的设计思想,采取增设7.2 mm的控制筛孔措施来提高7.2～9.5 mm粗集料的含量,从而提高沥青混合料摊铺后的宏观构造深度及表面纹理,并通过密实性来确保粘结能力、水稳定性和抗老化性能,以提高超薄磨耗层的使用耐久性。AC-8密实型超薄磨耗层的结构设计为:结构层厚度定为2 cm,集料最大公称粒径为7.2 mm,混合料设计空隙率为6%,层间粘结采用同步碎石封层工艺撒布改性沥青防水粘结层。改性沥青防水粘结层的热沥青撒布量为1.8～2.0 kg/m2,碎石为石灰岩,满铺率为50%～60%,粒径为9.5～13.2 mm。

2 原材料及混合料设计

2.1 沥青胶结料

因结构厚度较薄,路面表面层直接受光照、雨水、汽车轮胎摩擦等多种影响因素的作用,对沥青胶结料的黏性和耐久度等指标具有特殊的要求。因此,本文选用性能优良的SBS改性沥青胶结料[2],并对其针入度、软化点、延度、动力黏度及弹性恢复等指标的要求,如表1所示。

2.2 集料技术指标要求

密实型超薄磨耗层主要用于改善路面的抗滑性能、恢复道路表面功能、改善行车舒适性、延长使用耐久性。因此推荐选用辉绿岩、玄武岩、英安岩等耐磨性能好的路用集料。粗集料要求吸水率<2%且表面破碎面明显、棱角分明。单粒粗集料的形状近似正方体,表面粗糙且具有明显的微小凹凸纹理。集料的压碎值、软石含量、含泥量等物理力学性能技术指标要求如表2所示。

表2 超薄磨耗层集料技术指标要求表

2.3 沥青混合料级配组成研究

抗滑性能是沥青混合料用作表面层时级配选择的必要条件。在采用薄层结构时,由于传统的连续密实型级配混合料的抗滑性能不符合要求,因此不适用于路面表面层。路面构造深度是评价路面抗滑性能最直接、最有效的性能指标。粗集料含量的高低直接影响构造深度大小。因此,本文在保证其他路用性能指标不受影响的情况下,通过改进矿料级配,适当增加粗集料含量,保证铺筑材料表面具有足够的构造深度,从而提升其表面抗滑指数[3-4]。

2.3.1 矿料级配的改进

我国目前用于矿料筛分的筛网在4.75～9.5 mm的区间内未设有控制筛孔,实际工程应用时很容易导致粗集料的级配失控。为了解决这一个问题,本文提出增设7.2 mm筛孔控制点来规范4.75～9.5 mm区间内粗集料分布的设想。本文以断级配SAC-10混合料为研究对象,在4.75 mm以上的粗集料和4.75 mm以下的细集料含量与级配不变的情况下,调整4.75～7.2 mm区间和7.2～9.5 mm区间集料在混合料中的占比,进行马歇尔击实对比试验,观察混合料的空隙率、饱和度等指标的变化情况。对比结果如表3所示。

表3 不同7.2～9.5 mm占比的SAC-10混合料的指标差异表

由表3可知,当7.2～9.5 mm区间集料在粗集料中占比为0时,空隙率及间隙率均为最大值,随着7.2～9.5 mm区间集料含量逐渐增大,空隙率及间隙率却逐渐减小。当7.2～9.5 mm区间集料的含量从80%逐渐增大到100%时,空隙率及间隙率略微增大,但增大的幅度不大[5]。同时,采用不同的两种捣实方法对北京玄武岩SAC-10混合料进行对比试验。试验发现,当7.2～9.5 mm占比为60%左右时,采用改锥及改锥加橡皮锤两种不同方法捣实后的混合料VCAmix均达到了最小值;当7.2～9.5 mm占比为80%左右时,不捣实的混合料的VCAmix达到最小值,结果如表4所示。

表4 不同7.2～9.5 mm占比及捣实方法的SAC-10混合料的VCAmix结果对比表

由上述分析得知,增大7.2～9.5 mm区间粗集料含量可以提高混合料的密实度和抗滑能力的耐久性。因此,本文提出在进行AC-8密实型超薄磨耗层级配设计时,增设7.2 mm的控制筛孔以提高粗集料含量的方案。通过这一方案的实施,可将铺装厚度减薄至2 cm。

2.3.2 级配组成

通过增设7.2 mm的控制筛孔提高混合料中7.2～9.5 mm区间集料含量后,AC-8密实型超薄磨耗层的推荐使用集料最大公称粒径为7.2 mm,4.75 mm集料通过率为35%,混合料设计空隙率为6%,具体推荐级配见表5。

表5 AC-8密实型超薄磨耗层混合料推荐级配表

2.3.3 混合料设计参数要求

采用马歇尔击实试验方法进行AC-8密实型超薄磨耗层沥青混合料试验,双面击实次数均为75次,并将击实温度控制在160 ℃～165 ℃。同时,还通过沥青胶结料与粗集料的粘附性试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价AC-8密实型超薄磨耗层沥青混合料的水稳定性。各项指标的具体要求为:设计空隙率6%,动稳定度>3 000次/mm,相对变形>5%,粘附性试验值≥5级,浸水马歇尔试验残留稳定度≥85%,冻融劈裂试验残留强度比≥80%。

3 在南友高速公路路面预防性养护中的应用

2014年,南友高速公路日交通量约为19 346辆,货车流量与客车流量的比值约为1∶4.39,部分沥青面层出现了裂缝、轻微车辙、坑槽、掉粒、麻面、表面沥青老化及抗滑性能衰减等病害。针对车流量及路面主要病害特征,本文提出了对南友高速公路下行线K45+000～K135+000路段,共约45 km,采取加铺2 cm厚AC-8密实型超薄磨耗层进行预防性养护的方案。

3.1 原路面病害处治方案

经调查发现,南友高速公路下行线K45+000～K135+000路段原路面病害特征主要有:

(1)绝大部分裂缝仅存在于表面层,尚未贯穿中、下面层。

(2)部分路面存在贯穿裂缝、疲劳拉裂、结构网裂等结构性裂缝。

(3)部分路面存在较严重的路面推移、深度>1 cm的车辙等明显结构性病害。

(4)部分已修补的路面坑槽压实度等不符合要求。

根据以上病害特征,采用分类管理的原则对原有路面病害进行处治:针对非结构性裂缝,进行灌缝处理;针对贯穿裂缝、疲劳拉裂、结构网裂等结构性裂缝,采取扩缝或开槽填补并铺设玻纤维格栅防裂措施;针对较严重的路面推移、深度>1 cm的车辙等明显的结构性病害,查明病害原因后进行铣刨面层重铺或车辙填充;针对已修补但压实度等不符合要求的路面坑槽,挖除后重新按照规范要求修补。

3.2 使用效果评价

3.2.1 实体工程效果

加铺前将原路面病害按照要求处治完成,并用小型铣刨机把沿路所有标线全部清洗至原路面标高,接头部位向原路面深铣刨至4 cm成缓坡状态,完成后将界面清理干净。防水粘结层施工须用标定好的同步碎石封层车施作,且改性热沥青撒布温度控制在175 ℃左右,撒布碎石温度控制在70 ℃左右。AC-8密实型超薄磨耗层进行预防性养护前后车流量及路况指标实测情况如表6所示。

表6 实施前后车流量及路况指标一览表

由表6可知,经过铺筑2 cm厚AC-8密实型超薄磨耗层进行预防性养护后,南友高速公路下行线K45+000～K135+000路段的路况指标、路面性能、行车舒适性、行车安全性等都得到了显著提高,预计可延长使用寿命8年以上。其中路面抗滑指标SRI提高了3.99,整体路况指标MQI提升了2.22。从铺筑完成后使用6年的数据来看,在车流量逐年上涨的情况下,路况指标的衰减速度较慢,整体路况指标优良,AC-8密实型超薄磨耗层预防性养护效果非常理想,设计使用年限的预期目标得以实现。

3.2.2 经济效益分析

与常规铣刨加铺方案相比,AC-8密实性超薄磨耗层预防性养护具有节约养护成本、降低交通事故率等经济效益。AC-8密实性超薄磨耗层综合单价约44元/m2,比常规铣刨加铺4 cm厚AC-13沥青混凝土单价低约36元/m2。自2014年铺筑45 km后,AC-8密实性超薄磨耗层在南友高速公路逐年推广应用,2014—2021年共约实施255.24×104m2,节约养护投资约9.19亿元。以南友高速公路为例,AC-8密实性超薄磨耗层预防性养护措施实施后路面抗滑性能、安全性能等得到大幅度提高,每年降低交通事故率10%～20%,减少经济损失约450～580万元。

3.2.3 社会效益分析

AC-8密实性超薄磨耗层的应用不仅改善了道路路面行驶质量,同时还有力地促进交通与社会经济发展、出行安全、自然环境的融洽与协调。除了南友高速公路外,AC-8密实性超薄磨耗层还在广西百罗高速公路、柳桂高速公路、隆百高速公路、六宜高速公路等广西多条高速公路沥青路面预防性养护中推广应用。这不仅大幅提升了已通车多年的高速公路路面行车舒适性、安全性,而且相应道路沿线的社会效益也同步得到了提升。

4 结语

AC-8密实性超薄磨耗层在路面预防性养护中的应用效果好,可延长路面使用寿命8年以上,具有较高的应用与推广价值。

(1)在使用AC-8密实性超薄磨耗层预防性养护措施之前,需要对原路面技术状况进行评价,对原路面病害进行详细调查,根据分类管理、对症下药的原则进行处理。

(2)在加铺超薄磨耗层与原路面之间采用同步碎石封层工艺撒布改性沥青防水粘结层,增强了层间粘结力及嵌锁力,便于施工质量控制。

(3)根据断级配的设计思想,增设7.2 mm筛孔控制点,规范了4.75～9.5 mm区间粗集料的级配组成,提高了混合料的密实性以及表面抗滑能力的耐久性,确保了级配及混合料性能的稳定[1]。同时,通过这种改进方法将集料最大公称粒径降低至7.2 mm,从而将铺装厚度减薄至2 cm。