李亞龍， 成志強(qiáng)

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司， 太原 030006； 2. 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030006)

截至2020年末，高速公路里程已達(dá)16.10×104km，比2019年末增加1.14×104km[1]，高速公路服務(wù)水平的顯著提高導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)工作量急劇增加，養(yǎng)護(hù)范圍和難度也不斷加大。新建道路在運(yùn)營3～5年后，表面層性能開始衰退，路面裂縫、平順性和抗滑不足等問題顯現(xiàn)，給行車安全性和舒適性帶來負(fù)面影響[2]。隨著養(yǎng)護(hù)市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，養(yǎng)護(hù)需求逐年增加，預(yù)防養(yǎng)護(hù)逐步成為主要的路面養(yǎng)護(hù)形式。預(yù)防養(yǎng)護(hù)[3]是指針對(duì)路面整體性能良好但有輕微病害，為延緩性能過快衰減、延長使用壽命而預(yù)先采取主動(dòng)防護(hù)工程。依據(jù)不同需求，預(yù)防養(yǎng)護(hù)措施逐步多樣化，包括：微表處、同步碎石封層、超薄磨耗層、薄層罩面等，合理的養(yǎng)護(hù)措施對(duì)于延緩路面性能衰減、延長使用壽命有著重要的作用。

超薄磨耗層一般認(rèn)為是實(shí)施厚度在 10～30 mm 的瀝青磨耗層鋪裝技術(shù)，能夠有效修復(fù)輕度車轍、路面輕微破損、松散等病害。目前，使用較多的級(jí)配類型有：NovaChip、SMA-10、SAC-10、EAC-10、SMA-5等；其中，NovaChip因其技術(shù)成熟且鋪筑速度快、開放交通快，具有低噪音、抗滑系數(shù)遠(yuǎn)高于密級(jí)配瀝青路面等優(yōu)點(diǎn)[4]而被廣泛使用，但由于實(shí)施需專用設(shè)備、材料要求高及造價(jià)高制約了其大面積使用。其他磨耗層技術(shù)雖有不同程度的應(yīng)用，但長期使用效果不滿足要求或未得到充分驗(yàn)證，沒有得到推廣。

沙慶林[5]提出了多碎石瀝青混合料(stone asphalt concrete, SAC)級(jí)配設(shè)計(jì)方法，主要用于提高高速公路瀝青面層抗變形能力及抗滑性能，通過大量工程應(yīng)用實(shí)踐，為SAC-10～SAC-30的混合料級(jí)配提供了參考。當(dāng)設(shè)計(jì)細(xì)粒式瀝青混合料配合比時(shí)，粗集料主要用到9.5～13.2、4.75～9.5 mm兩個(gè)檔位的礦料，后者用量占比最大，若集料粒徑偏向一側(cè)，混合料性能則不易控制。針對(duì)此問題，部分研究提出在4.75～9.5 mm增加控制篩孔，一方面是中間無控制篩孔，易導(dǎo)致大量的粗集料級(jí)配失控，影響抗滑性能；另一方面加入控制篩孔則更易控制鋪裝層厚度。沙院士設(shè)計(jì)SAC-10級(jí)配時(shí)，為了更好地控制級(jí)配，在4.75～9.5 mm篩孔增加了7.5 mm篩孔[5]。李江龍[6]通過增加8 mm篩孔，并控制篩孔通過率，設(shè)計(jì)了SMA-8瀝青混合料(stone matrix asphalt)，驗(yàn)證其具有較好長期性及耐久性；王慧峰[7]通過增加7.1 mm篩孔，將其作為最大公稱粒徑控制篩孔進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

綜上，隨著磨耗層功能性要求高而厚度逐漸減薄的需求，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)有必要在4.75～9.5 mm之間增加控制篩孔。采用SAC級(jí)配設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了SAC-5瀝青混合料設(shè)計(jì)。依據(jù)《試驗(yàn)篩 金屬絲編織網(wǎng)、穿孔板和電成型薄板 篩孔的基本尺寸》(GB/T 6005—2008)[8]中篩孔尺寸要求，設(shè)計(jì)中增加7.1 mm方孔篩作為最大粒徑控制篩孔。鑒于超薄磨耗層作為表面層抗滑性能的需求，分別設(shè)計(jì)了4%、6%、8%空隙率的瀝青混合料，通過構(gòu)造深度及擺值試驗(yàn)反映抗滑性能的變化。最后，綜合路用性能各項(xiàng)指標(biāo)，提出抗滑性能要求較高路段SAC-5瀝青混合料用作超薄磨耗層的目標(biāo)空隙率指標(biāo)，為推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

采用玄武巖集料，礦粉采用磨細(xì)石灰?guī)r，SAC級(jí)配設(shè)計(jì)方法需要用到每一檔集料和瀝青的密度，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[9]測定，2.36～4.75 mm 的集料用網(wǎng)籃法進(jìn)行測試，0.075～1.18 mm 的集料用塌落度法，礦粉用容量瓶法進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。瀝青用比重瓶法進(jìn)行測試[10]。瀝青采用SBS(styrene-butadiene-styrene)改性瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 原材料毛體積密度Table 1 Gross bulk density of raw materials

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of SBS modified asphalt

1.2 配合比設(shè)計(jì)

將2.36 mm篩孔作為粗細(xì)集料分界篩孔，7.1 mm設(shè)為最大篩孔，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[9]中方法測定粗集料搗實(shí)密度ρ。初設(shè)最大粒徑篩孔通過率100%，分界篩孔通過率35%，0.075 mm篩孔通過率5%。采用SAC設(shè)計(jì)方法中集料的級(jí)配計(jì)算公式[式(1)][5]，計(jì)算得到各檔篩孔通過率。

(1)

式(1)中：Pdi為篩孔di的通過率,%；Dmax為集料的最大粒徑mm；di為不同篩孔尺寸;A、B為系數(shù)。

根據(jù)所得礦料通過率，計(jì)算粗集料的合成毛體積密度γb,ca，細(xì)集料的合成毛體積密度γb,fa。結(jié)合礦粉密度γa,fi、瀝青密度γB及粗集料的干搗實(shí)密度ρ，粗集料搗實(shí)骨架間隙率VCADRC的計(jì)算公式為

(2)

采用預(yù)估油石比PB、目標(biāo)空隙率Va及各篩孔通過率，由式(3)計(jì)算混合料中粗集料比例Pca、細(xì)集料比例Pfa、填料比例Pfi，從而得到符合條件的骨架密實(shí)型級(jí)配。

(3)

設(shè)定初始PB=6%，分別設(shè)定Va為4%、6%、8%，確定各檔集料比例。采用馬歇爾試驗(yàn)確定各空隙率最佳油石比，油石比范圍為5.4%～7.0%，以0.4%間隔，最佳油石比分別為6.2%、5.8%、5.5%。

經(jīng)實(shí)測，在最佳油石比下，3個(gè)級(jí)配空隙率都小于目標(biāo)空隙率。根據(jù)實(shí)測空隙率由式(3)反算各檔集料比例，得到最終級(jí)配如圖1所示。

圖1 礦料級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curve of mineral material

由圖1可知，不同空隙率下SAC-5礦料級(jí)配變化不大。分析原因?yàn)?，混合料空隙率?%時(shí)，粗集料占比已達(dá)74%，若混合料中瀝青含量減少，粗集料含量微增即可達(dá)到8%的目標(biāo)空隙率。為表明SAC-5礦料級(jí)配的特點(diǎn)，圖1中還繪制了SMA-5[11]、NovaChip-Type A型[4]及微表處MS-3型[12-13]3種類型級(jí)配范圍中值進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，幾種級(jí)配類型與SAC-5最大的區(qū)別在于2.36 mm以上篩孔通過率及最大篩孔粒徑，說明SAC-5瀝青混合料具有細(xì)而密的特征，實(shí)施過程中更易控制級(jí)配及厚度。

1.3 瀝青含量檢驗(yàn)

對(duì)比常用超薄磨耗層措施的瀝青用量，如：SMA-5油石比6.2%～7.2%[2,11]，微表處MS-3型油石比6%～8.5%[12]，均高于SAC-5瀝青混合料油石比5.8%～6.2%。為確定混合料中瀝青用量是否滿足集料黏結(jié)性要求，依據(jù)規(guī)范[10]方法進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn)，飛散前后對(duì)比如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由圖2、表3可知：①不同空隙率下，SAC-5瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果最大值為5.01%，滿足規(guī)范不大于15%的技術(shù)要求。說明SAC-5瀝青混合料中瀝青用量能夠滿足集料黏結(jié)性要求；②隨著空隙率的增加，飛散損失相應(yīng)增加?？梢钥闯觯嚰H邊部掉塊，說明在一定程度上，瀝青含量減少會(huì)使集料間黏結(jié)力減小，但不影響試件的完整性。

2 SAC-5瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

2.1 高溫性能試驗(yàn)

以60 ℃車轍試驗(yàn)(動(dòng)穩(wěn)定度DS)評(píng)價(jià)SAC-5瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，結(jié)果如圖3所示?？?/p>

圖2 不同空隙率浸水飛散前后對(duì)比Fig.2 Comparison before and after immersion in water with different porosity

表3 浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of immersion and scattering test

圖3 不同空隙率試件動(dòng)穩(wěn)定度Fig.3 Dynamic stability of specimens with different porosity

以看出：①不同空隙率下，動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)到 7 000 次/mm以上，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]中不低于 2 800 mm/次的要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍能力；②隨著空隙率的增大，以空隙率4%試件結(jié)果為基準(zhǔn)，動(dòng)穩(wěn)定度增幅分別為2%、12%。說明混合料中粗集料含量的增加，使集料間嵌擠作用增強(qiáng)，混合料逐步形成緊密的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2.2 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

分別以浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)SAC-5瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知：①不同空隙率下，殘留穩(wěn)定度達(dá)88.0%以上，殘留強(qiáng)度比達(dá)86%以上，均滿足殘留穩(wěn)定度≥85.0%，殘留強(qiáng)度比≥80%的技術(shù)要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的抗水損害能力；②隨著空隙率增加，穩(wěn)定度增大，數(shù)據(jù)波動(dòng)小，結(jié)果穩(wěn)定。劈裂強(qiáng)度先增加后減小，凍融后數(shù)據(jù)波動(dòng)較穩(wěn)定度大，說明凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)條件更苛刻，結(jié)果更具說服力；③殘留穩(wěn)定度、殘留強(qiáng)度比二者結(jié)果均隨空隙率增大而增大，進(jìn)一步說明粗集料之間嵌擠作用增強(qiáng)，混合料形成緊密骨架結(jié)構(gòu)，有利于提升混合料的水穩(wěn)定性能。

圖4 不同空隙率試件殘留穩(wěn)定度Fig.4 Residual stability of specimens with different porosity

圖5 不同空隙率試件殘留強(qiáng)度Fig.5 Residual strength of specimens with different porosity

2.3 低溫性能試驗(yàn)

以-10 ℃彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變作為低溫性能指標(biāo)評(píng)價(jià)SAC-5瀝青混合料的低溫性能，結(jié)果如表4所示。

表4 不同空隙率試件低溫試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Low temperature test results of specimens with different porosity

由表4可知：①不同空隙率下，低溫應(yīng)變有所減小，但結(jié)果均達(dá)到 3 000 με以上，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]中不低于2 800 με的技術(shù)要求，說明SAC-5瀝青混合料具有良好的低溫抗裂能力；②隨著空隙率的增大，彎曲應(yīng)力、彎曲應(yīng)變均有所減小，分析原因?yàn)椋旌狭峡障堵试龃?，瀝青用量減小，集料-瀝青黏附強(qiáng)度降低，導(dǎo)致混合料整體強(qiáng)度減小，低溫應(yīng)變減小。

2.4 抗滑性能

超薄磨耗層用作表面層，除自身力學(xué)性能滿足要求外，更重要的是具有較好的抗滑效果。良好的抗滑性能有助于減少車輛制動(dòng)距離，提高行車安全性[14]。測量路面抗滑性能方法較多，容洪流等[15]采用擺式摩擦法與表面回彈法測量路面抗滑性能，李智等[16]對(duì)常規(guī)試驗(yàn)鋪沙法、擺式儀法、輪廓測量儀法及壓力膠片法測量對(duì)路面抗滑性能評(píng)價(jià)分析。本文通過鋪砂法及擺式儀法評(píng)價(jià)SAC-5瀝青混合料的抗滑性能。結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：①隨著空隙率的增大，構(gòu)造深度及擺值的最小值分別為0.91 mm、72，均滿足設(shè)計(jì)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[17]、《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG 5142—2019)[18]技術(shù)要求，說明SAC-5瀝青混合料作為表面層具有良好的抗滑性能；②隨空隙率增大，構(gòu)造深度及擺值增大，說明路面抗滑性能增強(qiáng)，對(duì)于急彎陡坡等對(duì)抗滑性能要求較高路段，推薦選用目標(biāo)空隙率8%混合料用作超薄磨耗層。

3 結(jié)論

采用SAC級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)SAC-5瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)其路用性能進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

(1)SAC-5瀝青混合料中粗集料含量占比大，當(dāng)目標(biāo)空隙率由4%增大到8%時(shí)，混合料礦料級(jí)配變化不大，最佳油石比減小。

圖6 不同空隙率試件構(gòu)造深度Fig.6 Depth of structure of specimen with different porosity

圖7 不同空隙率試件抗滑試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Anti-sliding test results of specimens with different porosity

(2)在不同空隙率下，SAC-5瀝青混合料60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)7 000 次/mm以上、殘留穩(wěn)定度達(dá)88%以上、殘留強(qiáng)度比達(dá)86%以上、低溫破壞應(yīng)變達(dá)3 000，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂性能及水穩(wěn)定性。

(3)SAC-5瀝青混合料的抗滑性能隨空隙率增大而增大，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，具有良好的抗滑性能。對(duì)于急彎陡坡等對(duì)抗滑性能要求較高路段，推薦采用目標(biāo)空隙率8%的瀝青混合料作為超薄磨耗層。