施向東， 陳先華*， 高見， 文科

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2.紹興市公路管理局)

1 引言

中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展步入新時代，道路行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在規(guī)模和質(zhì)量上均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。2019年底中國公路總里程已達(dá)501.25萬km，其中養(yǎng)護(hù)里程495.31萬km，占總里程的98.8%。當(dāng)前道路養(yǎng)護(hù)面臨的問題集中表現(xiàn)為：路面服務(wù)功能衰減明顯，主要包括抗滑性能、平整度、行駛質(zhì)量下降。路面功能性損傷直接影響到道路服務(wù)對象的行駛安全與質(zhì)量，必須采取針對性的處置措施。

20世紀(jì)80、90年代，歐美各國的主要道路同樣出現(xiàn)了服務(wù)性功能下降的問題，薄層罩面技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 1999年AASHTO公布的美國國家路面養(yǎng)護(hù)報告指出，薄層罩面是最為有效的瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)。薄層罩面可用于修復(fù)路表非結(jié)構(gòu)性損傷的裂縫和車轍、提高路面的平整度和抗滑性能、改善舊路面老化狀況、延長路面使用期限，國外工程實踐證明：薄層罩面技術(shù)作為一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，與微表處相比可延長高速公路路面使用壽命至少6年以上。

薄層罩面技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代后期的法國，之后在歐美各國廣泛使用。應(yīng)用初期以Novachip?系列產(chǎn)品為代表，經(jīng)過不斷地推廣應(yīng)用和技術(shù)革新，目前薄層罩面技術(shù)的產(chǎn)品已擴(kuò)展至SMA、OGFC、再生技術(shù)(RAP)、溫拌技術(shù)(WMA)等多個領(lǐng)域，表現(xiàn)出更加顯著的應(yīng)用價值和光明的發(fā)展前景。中國薄層罩面技術(shù)雖已形成較為完整的設(shè)計、生產(chǎn)和施工體系，但同國外多樣化的技術(shù)應(yīng)用相比，其技術(shù)種類與使用范圍仍存在改進(jìn)優(yōu)化的空間。該文通過調(diào)研國內(nèi)外典型薄層罩面技術(shù)的相關(guān)室內(nèi)試驗研究與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，針對薄層罩面技術(shù)的若干關(guān)鍵服務(wù)性能，總結(jié)并論證了薄層罩面技術(shù)的級配特征及其適用性，為不同種類薄層罩面技術(shù)的實際應(yīng)用提供參考。

2 國內(nèi)外典型薄層罩面技術(shù)類型

薄層罩面技術(shù)種類的區(qū)分主要以級配類型與鋪筑厚度為分類標(biāo)準(zhǔn)，薄層罩面級配類型的確定與其自身的結(jié)構(gòu)特點和使用功能直接相關(guān)。薄層罩面層厚較小，不同國家和地區(qū)的厚度范圍存在一定差異性，普遍為15～35 mm。薄層設(shè)計的理念主要反映了道路工作者對于養(yǎng)護(hù)成本以及路面壓實效率的重視，面層厚度的減薄也直接影響到級配設(shè)計中最大公稱粒徑(DNMAS)的確定。NCHRP相關(guān)報告指出薄層罩面結(jié)構(gòu)層厚度與DNMAS之比一般為2～3；JTG D40-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》對該比值的規(guī)定為：對于連續(xù)級配瀝青混合料和SMA，比值不宜小于2.5；對于開級配瀝青混合料，不宜小于2.0。結(jié)合薄層罩面的一般鋪設(shè)厚度，可確定薄層罩面DNMAS為4.75～13.2 mm，主要分為4.75、9.5和13.2 mm 3類，級配種類亦分為密級配、半開級配與開級配3種。

2.1 密級配型薄層罩面

密級配型薄層罩面是應(yīng)用最為廣泛的一類薄層罩面技術(shù)，中國相關(guān)規(guī)范與部分省級養(yǎng)護(hù)規(guī)范涉及的密級配薄層罩面主要有以下4種，分別為SMA-10、SAC-10、ACG-10和Sup-10，鋪筑厚度一般為25～35 mm，實際應(yīng)用中以SMA-10最為普遍。DNMAS為9.5 mm密級配薄層罩面可有效增加路面抗滑能力，亦兼顧了降噪的需求，在滲水方面，密實型混合料用作表面層主要表現(xiàn)為低透水性能，原路面的水穩(wěn)定性可得到改善，但無法有效改善雨天行駛的可視性與安全性。

美國將歐洲薄層罩面技術(shù)與Superpave設(shè)計方法相融合，結(jié)合各州實際交通情況與養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗，提出了多種類型的密實型混合料，級配組成見表1。此類薄層罩面的鋪筑厚度一般為0.5～1 in(12.7～25.4 mm)。美國各州薄層罩面的厚度與DNMAS的比值并非嚴(yán)格滿足ASSHTO規(guī)范中3～5的要求。由于具有粒徑較小以及相對較高的瀝青含量，薄層罩面混合料較為容易壓實。厚度與DNMAS的比值限制也可適當(dāng)降低，這意味著可以將較大公稱粒徑如12.5/13.2 mm的混合料用于薄層罩面中，事實上DNMAS為12.5 mm薄層罩面的通常鋪設(shè)厚度僅為0.75 in(19 mm),壓實要求的降低也可由表1中混合料設(shè)計壓實次數(shù)反映：阿拉巴馬州DNMAS為12.5 mm混合料的設(shè)計壓實次數(shù)為60次；馬里蘭州DNMAS為4.75 mm混合料設(shè)計壓實次數(shù)則根據(jù)交通量大小，分別設(shè)定為：中小交通量對應(yīng)50次；大交通量對應(yīng)65次。

表1 美國薄層罩面密實型混合料級配組成及設(shè)計壓實次數(shù)

2.2 半開級配型薄層罩面

半開級配型薄層罩面特指美國Novachip?系列產(chǎn)品，源于1986年法國SCREG Routes Group研發(fā)的薄層罩面技術(shù)，通常鋪筑厚度為3/8～3/4 in(9.5～19 mm)。Novachip?采用間斷級配，分為A、B、C共3種類型，DNMAS分別對應(yīng)4.75、9.5、12.5 mm。Novachip?混合料級配斷點為2.36～4.75 mm，級配曲線與SMA類似，但其結(jié)合料與填料含量低。因此該混合料本身透水，空隙率為8%～16%，表面紋理與開級配磨耗層(OGFC)相似。Novachip?的細(xì)集料含量更多，力學(xué)穩(wěn)定性與抗剪能力優(yōu)于開級配瀝青混合料，但空隙率相對下降，曹東偉等對半開級配瀝青混合料真空飽水后的自然排水試驗結(jié)果表明：半開級配瀝青混合料孔隙結(jié)構(gòu)以有效孔隙(連通孔隙)和半有效孔隙為主，30 min排水率為40%～50%，實際路面排水效率存疑。同密級配瀝青磨耗層相比，Novachip?在構(gòu)造深度、抗滑、降噪、改善雨天行車可視性和安全性等方面仍存在一定的優(yōu)勢。

2003年中國引進(jìn)了Novachip?專用設(shè)備在廣韶高速公路鋪筑了2 km的試驗路。此后，南方部分省市，如廣東、福建、江蘇、浙江等分別引進(jìn)該技術(shù)作為超薄磨耗層用于高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。目前Novachip?薄層罩面在中國很多地區(qū)的實際養(yǎng)護(hù)工作中均得到一定程度的推廣，但關(guān)于半開級配瀝青混合料設(shè)計理論及配套設(shè)備技術(shù)的研發(fā)仍處于研究評估階段，且缺少該類型薄層罩面的實際使用效果及使用壽命分析數(shù)據(jù)。

2.3 開級配細(xì)粒徑磨耗層

開級配細(xì)粒徑磨耗層(OGFC)是20世紀(jì)60年代由美國西部幾個州的混合料封層發(fā)展而來的。OGFC在應(yīng)用初期曾出現(xiàn)過多種問題，如瀝青析漏、過早氧化、松散、下面層剝落等問題。為改進(jìn)這項技術(shù)，20世紀(jì)90年代美國開始逐漸向歐洲學(xué)習(xí)，美國的OGFC材料組成、厚度、施工等逐漸向歐洲靠近。OGFC用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的瀝青混合料類型以DNMAS為9.5/12.5 mm混合料為主，設(shè)計空隙率增至20%，鋪設(shè)厚度為0.75～1.25 in(19～32 mm)。改進(jìn)之后的OGFC在排水、降噪、抗滑以及耐久性方面得到了進(jìn)一步提升，目前已廣泛應(yīng)用于美國西、南部各州的高等級路面養(yǎng)護(hù)；在北部凍融病害十分顯著的地區(qū)，開級配磨耗層鋪設(shè)厚度會相應(yīng)增大，有些地區(qū)如威斯康辛州、俄勒岡州則明確提出限制OGFC在寒冷地區(qū)的使用。

中國OGFC主要用于表面磨耗層以及排水瀝青路面面層，作為薄層罩面應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)中較少，僅北京、江蘇、廣東等部分地方養(yǎng)護(hù)規(guī)范中將其作為薄層罩面用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。江蘇省曾鋪設(shè)過OGFC-10/13薄層罩面，如寧高高速公路2006年路面養(yǎng)護(hù)鋪設(shè)的3 cm厚AR-OGFC-13薄層罩面，瀝青膠結(jié)料選用橡膠瀝青，級配設(shè)計主要參考了美國得克薩斯州OGFC級配范圍，瀝青用量較大(油石比為8.9%)。

3 薄層罩面級配特征與適用性論證

總結(jié)上述國內(nèi)外薄層罩面級配類型的級配組成及使用特點，可以得出目前薄層罩面技術(shù)的級配特征及其適用性的一般特點：

(1) 厚度減薄使得路面壓實效率提高，一般結(jié)構(gòu)層厚度與DNMAS比值的限制在厚度減薄后可相應(yīng)降低，DNMAS為12.5/13.2 mm混合料可應(yīng)用于薄層罩面；DNMAS為9.5 mm混合料應(yīng)用最為廣泛；DNMAS為4.75 mm密級配瀝青混合料在國外薄層罩面中已有應(yīng)用，在不同交通量條件下的使用效果仍需論證。

(2) 密級配型薄層罩面如SMA-10、Sup-10應(yīng)用最為廣泛，抗滑、密水、降噪及耐久性能顯著；開級配細(xì)粒徑磨耗層OGFC-10/13的骨架空隙結(jié)構(gòu)賦予其良好的抗滑、降噪和排水特性，但為保障耐久性需提高瀝青用量并引入纖維類材料，施工成本相對提高；Novachip?半開級配的組成特點介于間斷密級配與開級配之間，具有一定的排水性能，在中國一般用作超薄磨耗層。

上述薄層罩面級配特征與適用性的一般關(guān)系主要通過總結(jié)實際應(yīng)用經(jīng)驗得出，其可靠性尚需真實數(shù)據(jù)的論證。該文擬選用國內(nèi)外薄層罩面技術(shù)應(yīng)用的實測數(shù)據(jù)，反映級配特征與關(guān)鍵服務(wù)性能的內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)行薄層罩面應(yīng)用DNMAS為4.75 mm混合料的可行性分析，以論證上述結(jié)論的可靠性。

3.1 薄層罩面級配特征與關(guān)鍵服務(wù)性能的關(guān)系

薄層罩面技術(shù)的核心服務(wù)導(dǎo)向是其抗滑特性，在過去一般通過摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度表征面層的抗滑性能。摩擦系數(shù)反映面層材料的微觀構(gòu)造，在低速條件下，微觀構(gòu)造是路面抗滑性能的決定性因素；構(gòu)造深度則反映材料表面的宏觀紋理，在較高速度，尤其當(dāng)有水膜存在時，構(gòu)造深度對抗滑性能的影響更大。圖1、2分別為美國早期鋪設(shè)的Novachip?型薄層罩面以及用作對照組的密級配磨耗層路表紋理特征，由圖1、2可以看出：Novachip?型混合料的路表紋理更為粗糙。兩種路面竣工后3年內(nèi)摩擦系數(shù)隨時間的分布如圖3所示。

圖1 Novachip?型混合料路表紋理

圖2 密級配磨耗層路表紋理

圖3 美國1992年薄層罩面試驗路摩擦系數(shù)測量數(shù)據(jù)

由圖3可以看出：Novachip?型混合料試驗段右幅摩擦系數(shù)較大，而在左幅與密級配混合料相當(dāng)。仔細(xì)比較兩種級配類型混合料的摩擦系數(shù)大小，會發(fā)現(xiàn)二者的差異性并不明顯，甚至出現(xiàn)密級配混合料摩擦系數(shù)大于Novachip?的情況，即摩擦系數(shù)無法直觀體現(xiàn)Novachip?在抗滑性能上的優(yōu)勢。類似結(jié)果也出現(xiàn)在中國的一些研究中，圖4為中國研究人員對AC-13C、Novachip?Type-C以及OGFC-13進(jìn)行抗滑性能比較的摩擦系數(shù)試驗結(jié)果，3種混合料摩擦系數(shù)差異性并不明顯，且摩擦系數(shù)相對大小無法直觀體現(xiàn)Novachip?和OGFC在抗滑性能方面的優(yōu)勢。圖5反映的是同一研究中3種混合料的構(gòu)造深度試驗結(jié)果，構(gòu)造深度的大小關(guān)系與3種混合料實際抗滑性能相對應(yīng)且差異性明顯。

圖4 3種不同級配類型混合料摩擦系數(shù)試驗結(jié)果

圖5 3種不同級配類型混合料構(gòu)造深度試驗結(jié)果

上述兩組案例，對應(yīng)于國外試驗路現(xiàn)場測試與中國室內(nèi)試驗研究，所得數(shù)據(jù)均表明摩擦系數(shù)表征路面材料的抗滑性能存在一定的缺陷?，F(xiàn)行JTG D40-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》將抗滑技術(shù)指標(biāo)修改為橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度，去除了舊版規(guī)范中的摩擦系數(shù)指標(biāo)，一定程度上論證了上述結(jié)論的可靠性。為進(jìn)一步論證級配特征對薄層罩面抗滑性能的影響，該文擬采用構(gòu)造深度作為主要評價指標(biāo)。

構(gòu)造深度反映了路表宏觀紋理，研究認(rèn)為宏觀紋理與混合料級配類型以及孔隙結(jié)構(gòu)存在一定的函數(shù)關(guān)系。美國NCAT試驗路的長期觀測數(shù)據(jù)表明宏觀紋理同路面耐久性相關(guān)：路面耐久性下降通常表現(xiàn)為集料松散、剝落的現(xiàn)象，致使混合料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)暴露在表面。研究發(fā)現(xiàn)，路表構(gòu)造深度在這一過程中表現(xiàn)出增大的趨勢。這意味著采用構(gòu)造深度表征路面抗滑性能時，通過孤立的試驗數(shù)據(jù)說明構(gòu)造深度滿足規(guī)范要求，不足以完全反映實際路面的抗滑性能；應(yīng)體現(xiàn)構(gòu)造深度隨使用期限或加載次數(shù)的變化趨勢，客觀真實地評價路面實際抗滑與耐久的使用效果。

NCAT于2003年鋪設(shè)了DNMAS為4.75、9.5、12.5 mm 3種Superpave密級配薄層罩面的試驗路，并對3段試驗路進(jìn)行了為期8～9年的性能跟蹤觀測?？够阅懿捎脴?gòu)造深度表征，構(gòu)造深度隨加載次數(shù)的變化曲線如圖6所示。在試驗路段使用壽命初期，累計作用次數(shù)Nesals小于3.0×106次，對應(yīng)于AASHTO規(guī)范中的低交通量，3種密級配混合料構(gòu)造深度大小關(guān)系表現(xiàn)為：12.5 mm(DNMAS)>9.5 mm(DNMAS)>4.75 mm(DNMAS)，符合構(gòu)造深度隨粒徑增大而增加的一般觀點；Nesals超出3.0×106次后，DNMAS為9.5 mm混合料的構(gòu)造深度超過了DNMAS為12.5 mm混合料，這一發(fā)現(xiàn)與構(gòu)造深度同粒徑大小的關(guān)系相矛盾。需結(jié)合抗滑性能與耐久性的關(guān)系進(jìn)行解釋。相關(guān)研究指出：構(gòu)造深度與加載次數(shù)線性擬合的斜率可反映相應(yīng)混合料的耐久性：較大斜率的混合料具有相對較差的耐久性能。因此，NCAT試驗路構(gòu)造深度的觀測結(jié)果說明：DNMAS為9.5 mm混合料薄層罩面抗滑性能在使用后期會受到耐久性下降的顯著影響，雖然構(gòu)造深度不斷增加，但實際使用效果可能會伴隨松散、剝落等耐久性病害而有所削弱；DNMAS為12.5 mm混合料薄層罩面可兼顧抗滑性能與耐久性的要求。此外，該研究還認(rèn)為，DNMAS為4.75 mm混合料用于薄層罩面抗滑性能是其明顯缺陷，但卻表現(xiàn)出較好的耐久性、平整度和抗永久變形能力，DNMAS為4.75 mm混合料用于薄層罩面技術(shù)的可行性需額外論證。

圖6 NCAT試驗路3種DNMAS混合料構(gòu)造深度比較

以上論述通過引用國內(nèi)外試驗路現(xiàn)場測試、長期性能觀測以及室內(nèi)試驗研究，說明了以構(gòu)造深度為評價指標(biāo)的薄層罩面級配特征與抗滑性能的關(guān)系，可得到以下結(jié)論：

(1) 級配種類與抗滑性能的關(guān)系：密級配< Novachip?半開級配<開級配。

(2) Superpave密級配型薄層罩面DNMAS與抗滑性能的關(guān)系：在使用初期，或荷載作用次數(shù)較小時，與一般認(rèn)識相符，即4.75 mm<9.5 mm<12.5 mm，但在使用后期，DNMAS為9.5 mm混合料實際使用效果受耐久性降低影響，松散剝落等病害間接引起構(gòu)造深度的相對增大。因此，實際使用效果應(yīng)結(jié)合抗滑性與耐久性進(jìn)行評估。DNMAS為12.5 mm混合料抗滑性與耐久性在荷載加載前后階段均表現(xiàn)較好。

(3)DNMAS為4.75 mm混合料主要缺陷表現(xiàn)在抗滑性能上，但NCAT試驗路的實測結(jié)果表明該種混合料具有較好的耐久性、平整度以及抗車轍能力，是否適合用作薄層罩面仍需論證。

3.2 薄層罩面應(yīng)用DNMAS為4.75 mm混合料的可行性分析

由3.1節(jié)分析可知，DNMAS為4.75 mm混合料的缺陷主要是無法提供足夠的構(gòu)造深度以滿足抗滑性能的要求。中國SAC混合料類型研究時，同樣對DNMAS為4.75 mm的AC-5混合料進(jìn)行了評估：AC-5的2.36 mm以上的碎石含量為25%～45%，該種混合料的構(gòu)造深度難以滿足路面抗滑性能的要求。對于高等級路面的養(yǎng)護(hù)工作而言，抗滑性能的保證居于主導(dǎo)地位。但是考慮到不同區(qū)域交通軸載、通行水平以及氣候特點的多樣性，DNMAS為4.75 mm混合料仍具有廣泛的應(yīng)用空間。

國內(nèi)外已有關(guān)于DNMAS為4.75 mm混合料實際應(yīng)用效果的研究，NCAT于2011年公布了DNMAS為4.75 mm混合料應(yīng)用研究的成果，為修改ASSHTO中此類混合料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提出相關(guān)建議，以推廣DNMAS為4.75 mm混合料的應(yīng)用。研究報告總結(jié)了不同地區(qū)試驗段路用性能的實測結(jié)果，如表2所示。

表2 NCAT DNMAS為4.75 mm混合料試驗段路用性能測試結(jié)果

4條試驗段路用性能測試結(jié)果表明：APA車轍深度均滿足小于9.5 mm的要求；且明尼蘇達(dá)州試驗段在相對較高的Nesals情況下表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，其原因主要和使用改性PG 64-33瀝青和棱角性粗糙度極優(yōu)的鐵燧巖有關(guān)；滲水性能方面，田納西州試驗路因現(xiàn)場空隙率較大，實測滲透系數(shù)相對較大，但綜合現(xiàn)場實測滲透系數(shù)與室內(nèi)試驗結(jié)果，研究認(rèn)為DNMAS混合料在相對較高的現(xiàn)場空隙率下仍具有不透水性；構(gòu)造深度測試結(jié)果處于DNMAS為4.75 mm混合料的正常范圍。

上述研究總結(jié)了DNMAS為4.75 mm混合料的實際使用效果，分析了該類型混合料的設(shè)計要點和優(yōu)缺點。報告明確指出，DNMAS為4.75 mm混合料不能用于高等級、重載條件下的道路養(yǎng)護(hù)；但對于等級較低、交通量較小的路面，該類型混合料在降噪、防水、施工方便、以及對剩余礦料資源的有效利用方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。因此，DNMAS為4.75 mm混合料用作薄層罩面依然具有廣泛的使用前景。

4 結(jié)論

該文系統(tǒng)概述了國內(nèi)外薄層罩面典型級配及其使用特點，在此基礎(chǔ)上提出并論證了薄層罩面級配特征與其適用性的一般關(guān)系，主要結(jié)論包括：

(1)DNMAS為9.5 mm密級配混合料在薄層罩面中使用最為普遍，但使用后期路面耐久性可能會有所降低。

(2)DNMAS為12.5/13.2 mm混合料同樣適用于薄層罩面，且DNMAS為12.5/13.2 mm混合料可兼顧抗滑性與耐久性，長期使用效果較好。

(3) SuperpaveDNMAS為4.75 mm密級配型混合料可用作低等級、低交通量路面的薄層罩面。

(4) 級配類型對薄層罩面抗滑性能的影響表現(xiàn)為：密級配< Novachip?半開級配<開級配。

(5) 密級配型薄層罩面應(yīng)用最為廣泛，抗滑、密水、降噪及耐久性能顯著；開級配細(xì)粒徑磨耗層OGFC-10/13兼具抗滑、降噪和排水特性，但成本較高；Novachip?半開級配的組成特點介于間斷密級配與開級配之間，具有一定的排水性能，在中國一般用作超薄磨耗層。