薛耀東

(南京潤(rùn)程交通科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

目前常用的薄層罩面包括ECA-10、SMA-10及Novcachip等[1]，其中ECA-10易壓實(shí)瀝青混凝土由東南大學(xué)提出，施工需加入化學(xué)添加劑摻入瀝青中降低瀝青黏度，SMA-10具有良好的抗車(chē)轍和抗滑能力，施工造價(jià)相對(duì)較高，NovaChip施工必須采用專(zhuān)用改性乳化瀝青(NovaBinderTM、NovaBondTM)和特定攤鋪設(shè)備(Novapave),且不能作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層。

路面表層真正起到抗磨光和抗磨耗作用的只有表面的1 cm深度范圍，1 cm以下部分的玄武巖和輝綠巖并未發(fā)揮其獨(dú)特的功能性作用，可以替換為價(jià)格相對(duì)便宜的中、下面層料。在路面總厚度不變情況下，減薄上面層厚度，增加中面層厚度，滿足路面表層結(jié)構(gòu)性和功能性需求的同時(shí)可以降低施工成本。

如何降低施工成本、簡(jiǎn)化施工工藝，解決超薄磨耗層減薄厚度與瀝青混合料壓實(shí)特性和路用功能性的矛盾，優(yōu)化常規(guī)AC型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，本文以常見(jiàn)的幾種薄層罩面為對(duì)照組，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究?jī)?yōu)化后的AC-10的路用性能。并通過(guò)工程應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際路用功能性分析。

1 混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 合成級(jí)配的選擇

瀝青混合料作為一種流變性材料，其壓實(shí)受到荷載大小、荷載作用時(shí)間和溫度的影響，在壓實(shí)過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的黏-彈-塑性的變形特性。超薄瀝青路面需解決減薄后層厚與可壓實(shí)性的矛盾，瀝青混合料在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求具備良好的可施工性能，還要求必須具有良好的使用性能。張爭(zhēng)奇等[1]采用多組瀝青混合料進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)分析，提出采用初始?jí)簩?shí)狀態(tài)到設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)階段的壓實(shí)曲線的密實(shí)能量指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青路面的可壓實(shí)性。研究認(rèn)為，瀝青混合料級(jí)配中值級(jí)配的混合料比S型級(jí)配和下限級(jí)配的混合料在施工過(guò)程中更容易被壓實(shí)[2]。

選擇中值級(jí)配和間斷S型級(jí)配作為改進(jìn)型超薄瀝青面層AC-10混合料設(shè)計(jì)，并以常見(jiàn)的ECA-10、SMA-10進(jìn)行高溫性能和抗水損害性能對(duì)照。不同類(lèi)型薄層混合料級(jí)配范圍見(jiàn)表1，相互比較如圖1所示。

表1 薄層混合料級(jí)配范圍

圖1 級(jí)配比較

1.2 性能試驗(yàn)

1.2.1 高溫性能

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性習(xí)慣上是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。

在高溫環(huán)境下，瀝青混合料主要表現(xiàn)為熱塑性，在車(chē)輪荷載反復(fù)作用下，發(fā)生剪切破壞產(chǎn)生永久變形，當(dāng)永久變形積累到一定程度導(dǎo)致車(chē)轍，稱(chēng)為失穩(wěn)性車(chē)轍，又稱(chēng)為塑性流動(dòng)車(chē)轍，表現(xiàn)形式為內(nèi)部材料發(fā)生流動(dòng)，產(chǎn)生橫向位移，是我國(guó)常見(jiàn)車(chē)轍類(lèi)型之一[3]。

其他車(chē)轍類(lèi)型分別為結(jié)構(gòu)型車(chē)轍、磨耗型車(chē)轍和壓密型車(chē)轍。結(jié)構(gòu)型車(chē)轍是由于路面結(jié)構(gòu)層在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形，主要是路基變形傳遞到路面產(chǎn)生。磨耗性車(chē)轍是由于路面結(jié)構(gòu)頂層材料在車(chē)輪沖擊下不斷磨耗損失形成。

目前，我國(guó)主要采用瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]中T0719-2011瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)方法測(cè)定瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度DS來(lái)表征超薄瀝青結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的高溫性能。不同類(lèi)型薄層混合料的高溫穩(wěn)定性能比較如圖2所示。

圖2 高溫穩(wěn)定性能比較

由圖2可知，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度除AC-10(中值)外，均具有較高抵抗高溫變形的能力。

AC-10(中值)級(jí)配的混合料為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料懸浮在細(xì)集料之間無(wú)法形成有效嵌擠，在60℃的試驗(yàn)溫度下膠結(jié)料軟化，黏性降低，顆粒很容易在荷載作用下發(fā)生剪切滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)[5]。其他結(jié)構(gòu)均類(lèi)似于骨架嵌擠型瀝青混合料，較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)具有很好的高溫穩(wěn)定性。

1.2.2 水穩(wěn)定性

一般研究認(rèn)為，瀝青混合料的水穩(wěn)定性破壞可以分為兩個(gè)階段，第一階段水分子侵入瀝青中使得瀝青的黏結(jié)性降低，導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料強(qiáng)度降低；第二階段水進(jìn)入瀝青薄膜和集料之間，由于水的張力較瀝青的張力強(qiáng)，致使瀝青與集料表面的接觸角減小，瀝青從集料表面剝落。瀝青混合料松散、掉粒，從而使瀝青路面形成坑槽。

目前，我國(guó)主要采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)兩種方法評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。不同類(lèi)型薄層混合料的水穩(wěn)定性比較如圖3所示。

圖3 抗水損害性能比較

由圖3可知，混合料均具有良好的抗水損害性能。AC-10(中值)試件表面密實(shí)程度較高，抵抗水損害的能力相對(duì)較強(qiáng)。ECA-10細(xì)集料含量較少，制件過(guò)程中需添加化學(xué)降黏度劑，抗水損害指標(biāo)相對(duì)較低。

1.2.3 低溫抗裂性能

瀝青混合料的低溫抗裂性是指在溫差較大或溫度驟降的情況下抵抗收縮裂縫的能力。一般研究認(rèn)為，溫度造成的瀝青路面開(kāi)裂有兩個(gè)原因，一個(gè)是當(dāng)外界溫度突然下降，降溫速率比較快，瀝青面層隨溫度下降而產(chǎn)生收縮，瀝青混合料的極限抗強(qiáng)度小于瀝青混合料產(chǎn)生的溫度應(yīng)力瀝青路面產(chǎn)生開(kāi)裂，瀝青面層的低溫收縮是很重要的因素[6]；二是瀝青混合料的極限拉應(yīng)變會(huì)隨著溫度反復(fù)升降的疲勞作用而變小，并且瀝青勁度隨著瀝青的老化而增加，瀝青混合料應(yīng)力松弛性能降低，產(chǎn)生溫度疲勞裂縫。瀝青混合料在低溫下若具有較高的強(qiáng)度、較好的抗變形能力和較強(qiáng)的應(yīng)力松弛能力，就會(huì)有較好的低溫抗裂性能。

目前，國(guó)外評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗(yàn)方法主要包括拉伸蠕變?cè)囼?yàn)、約束試驗(yàn)、溫度應(yīng)力試驗(yàn)、等速加載彎曲試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)等。我國(guó)主要采用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能。

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)要求，根據(jù)確定好級(jí)配的瀝青混合料，做成長(zhǎng)300 mm×寬300 mm×厚50 mm的車(chē)轍板后，切割試件尺寸符合長(zhǎng)250 mm±2 mm、寬30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm要求的小梁。試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載方式為單點(diǎn)加載，加載速度為50 mm/min。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0715-2011瀝青混合料彎曲試驗(yàn)方法測(cè)定。

不同類(lèi)型薄層混合料的低溫抗裂性能比較如圖4所示。

圖4 低溫抗裂性能比較

由圖4可知，混合料均具有良好的低溫抗裂性能，其中SMA-10因富含瀝青瑪蹄脂表現(xiàn)出更好的低溫抗裂性能。

2 試驗(yàn)路鋪筑及性能檢測(cè)

在廣東玉湛高速公路黃銅互通A匝道鋪筑了2.5 cm厚AC-10試驗(yàn)路。試驗(yàn)地屬于高溫多雨地區(qū)，因此根據(jù)高溫性能和抗水損害性能選定AC-10(間斷)作為試驗(yàn)路施工級(jí)配。原設(shè)計(jì)為4.5 cm GAC-16+5.5 cm AC-20，試驗(yàn)路為2.5 cm AC-10+7.5 cm AC-20。施工結(jié)束后對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的滲水系數(shù)和抗滑性能，見(jiàn)表2。

表2 滲水系數(shù)和抗滑性能檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，AC-10相對(duì)于GAC-16顆粒粒徑相對(duì)集中，鋪面均勻性較好，滲水系數(shù)較小。但由于AC-10最大公稱(chēng)粒徑僅為9.5 mm，整體構(gòu)造深度相對(duì)較小，摩擦系數(shù)較GAC-16偏低，但能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

(1)改進(jìn)的間斷級(jí)配AC-10經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的高溫性能和抗水損害性，與常用的ECA-10、SMA-10性能基本相當(dāng)。

(2)試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果表明，與GAC-16相比，薄層AC-10的均勻性更好，滲水系數(shù)相對(duì)較優(yōu)，構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)能滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)改進(jìn)的間斷級(jí)配AC-10應(yīng)用得還很少，因此其設(shè)計(jì)和施工仍需進(jìn)一步研究和探索。