尚 青

（南昌路興交通工程監(jiān)理咨詢有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

我國南方地區(qū)隧道大多采用水泥混凝土路面，在長期行車荷載作用下，抗滑性能逐漸衰減。因抗滑性能不足、水泥路面平整度降低，行車安全性和舒適性大大降低。結(jié)合已有工程經(jīng)驗，加鋪瀝青層不失為一種有效的處治措施。加鋪相對較厚的瀝青結(jié)構(gòu)層能滿足抗反射裂縫方面的需要，但因隧道中凈空、環(huán)境污染、施工工效等方面的限制，工程量較少的薄層罩面更具合理性。學者們在展開大量理論研究的同時，大都將研究重點放在薄層罩面技術應用范圍、路用性能評價等方面，對材料級配設計、抗反射裂縫、層間黏結(jié)等問題重視程度略顯不足。基于此，該文采用斷級配設計思路，對連通性更好、路表構(gòu)造更豐富的抗滑級配展開探索，并通過改進碎石封層，提升隧道水泥混凝土路面抗反射裂縫及層間黏結(jié)性能。

1 薄層瀝青混凝土罩面技術概述

該技術通過普通施工設備碾壓，達到2～3 cm的加鋪層厚度，對于普通混凝土橋梁、隧道、路基等路段加鋪十分適用；層間采用碎石封層技術或乳化瀝青黏層。該結(jié)構(gòu)層充分利用了NovaChip（超薄磨耗層）、SMA（瀝青瑪蹄脂碎石混合料）及BBTM（特薄瀝青混凝土）等技術優(yōu)勢，屬于施工性能和路用性能較好的骨架密實型瀝青混凝土[1]。為保持密水性，該混合料主要采用粒徑0～3 mm、3～5 mm、5～8 mm 等公稱粒徑較小的機制砂，粗集料比例相對增大，接近單一粒徑，同時也具備較好的施工均勻性。

目前，薄層瀝青混凝土材料主要按照馬歇爾混合料方法設計，級配上、下限主要根據(jù)經(jīng)驗確定，造成其混合料抗滑性能差異較大，施工效果并不理想。該混合料基本只能改善舊瀝青路面平整度，其余方面路用性能的提升相當有限。

2 薄層瀝青混凝土罩面功能設計

2.1 級配設計

為提升薄層瀝青混凝土罩面抗滑性能和結(jié)構(gòu)耐久性，首先必須展開級配設計。結(jié)合相關研究成果對2.36～4.75 mm顆粒全間斷、半間斷、無間斷構(gòu)造偏差深度均值和骨架構(gòu)造等的比較分析，在間斷程度持續(xù)增大，4.75～9.5 mm顆粒數(shù)量持續(xù)增多的情況下，骨架構(gòu)造密度增強，偏差深度均值增大，路面構(gòu)造凹凸程度隨之增強[2]。采用工業(yè)CT掃描技術對混凝土細觀結(jié)構(gòu)分布情況展開檢測得出，4.75 mm完全間斷級配的骨架密實型混凝土抗滑性能最佳，2.36 mm完全間斷級配次之，4.75 mm部分間斷級配效果最差。綜合考慮施工便利性、材料抗水損性、抗滑性等技術方面的要求，薄層瀝青混凝土罩面應采用2.36 mm 間斷級配。

此外，必須結(jié)合瀝青混凝土內(nèi)部高溫抗變形能力以及路表抗滑顆粒和車輪間的接觸特性，應用主骨料空隙填充法展開薄層瀝青混凝土骨架級配設計和體積設計[3]，配合比計算公式如下：

式（1）中，qc——粗集料質(zhì)量分數(shù)（%）；qf——細集料質(zhì)量分數(shù)（%）；qp——礦粉質(zhì)量分數(shù)（%）；式（2）中，γs——粗集料相對緊裝密度；VCADRC——主骨架緊裝間隙率（%）；VVs——瀝青混凝土目標空隙率設計值（%）；qa——瀝青用量質(zhì)量分數(shù)（%）；γf——細集料表觀相對密度；γp——礦粉表觀相對密度；γa——瀝青相對密度。

采用主骨料空隙填充法展開薄層瀝青罩面混凝土級配設計，所擬定的混凝土目標空隙率為4.5%，粉膠比為1.3；根據(jù)經(jīng)驗所確定的油石比為6.0%，據(jù)此可確定出7.8%的礦粉用量。結(jié)合以上分析，薄層瀝青罩面混凝土以4.75 mm顆粒為主，故按照《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTG 5142—2019）所規(guī)定的單一4.75 mm顆粒進行主骨架緊裝間隙率測定，結(jié)合式（1）和（2）所計算出的粗細集料質(zhì)量分數(shù)分別為73.8%和18.4%。

薄層瀝青罩面混凝土不用3～5 mm間斷級配規(guī)格料，僅使用 0～3 mm 和 5～10 mm 規(guī)格料，級配情況見表1。根據(jù)級配設計結(jié)果，通過2.36 mm篩孔的集料質(zhì)量分數(shù)僅為8.9%?；诖?，進行了馬歇爾試驗，確定出的最佳油石比為5.8%，混合料馬歇爾試驗結(jié)果見表2。

表1 設計級配

表2 馬歇爾試驗結(jié)果

進一步通過擺式儀和鋪砂試驗展開薄層罩面瀝青混凝土抗滑性能試驗和評價。結(jié)果顯示，薄層瀝青罩面混凝土表面構(gòu)造深度為1.02 mm，擺值取78.6 BPN，高于改進型密級配混凝土0.93 mm的表面構(gòu)造深度和72.4 BPN的擺值，抗滑性能更加優(yōu)異。

2.2 抗反射裂縫設計

公路隧道病害水泥混凝土路面加鋪薄層瀝青罩面后，加鋪層因受到行車荷載的反復作用，會產(chǎn)生剪切和彎曲；快速運行的車輪荷載在裂縫周圍施加較大的作用力，形成沖擊荷載，長此以往，必定會形成反射裂縫。在材料設計階段，必須對罩面層瀝青混合料在沖擊荷載作用下的力學性能展開分析評價。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG3420—2020）的要求制備試件，并測定試件受到?jīng)_擊荷載作用后的變形曲線，曲線和橫軸所夾面積即為引發(fā)材料斷裂所需的能量。受到行車荷載沖擊作用后，變形曲線的面積代表沖擊韌性，該取值越大，說明材料抗反射裂縫性能越強[4]。相關研究成果也表明，半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應力強度因子主要受瀝青層模量的影響，且隨著瀝青層模量的增大，裂縫尖端應力強度明顯增大。由此可見，從瀝青材料角度加強薄層瀝青混凝土抗反射裂縫性能設計切實可行。

具體而言，可采用PG82高模量SBS改性瀝青結(jié)合料，并增大瀝青用量，在5.8%的油石比下礦料間隙率顯著提高，抑制反射裂縫的效果也更加優(yōu)異。

為綜合評價薄層瀝青混凝土抗反射裂縫性能，制備尺寸為 25 cm×3.5 cm×3.0 cm 的小梁試件，展開三點彎曲試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制荷載-跨中撓度曲線，并計算混凝土材料的抗沖擊韌性。結(jié)果詳見表3。通過表中試驗結(jié)果，對于相同品質(zhì)的SBS改性瀝青而言，SMA瀝青混合料沖擊韌性最高；PG82 SBS改性瀝青沖擊韌性略低于SMA。表明PG82 SBS改性瀝青的使用及瀝青用量的提高能明顯提升瀝青混合料抗反射裂縫性能。此外，化纖纖維的摻加能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高黏層瀝青裹覆集料的性能，更加有效地鎖住封層集料，提升加鋪混合料和舊水泥混凝土路面的層間黏結(jié)力和封層結(jié)構(gòu)強度。應力吸收黏結(jié)層形成后，還會使豎向應力荷載更加柔和地分散至加鋪結(jié)構(gòu)層間，減緩行車荷載對面層的破壞。

表3 混凝土材料抗沖擊韌性試驗結(jié)果

2.3 層間黏結(jié)設計

原水泥混凝土路面和加鋪的混凝土罩面屬于兩種剛度完全不同的材料，對于縱坡較大的高速公路隧道工程，必須在加鋪層和原路面之間設計較大的水平剪應力，以增強層間黏結(jié)。與此同時，水泥混凝土板和加鋪的混凝土罩面之間也必須設置性能良好的應力吸收層，應對反射裂縫的不利影響。

基于以上考慮，可對碎石封層展開以下兩個方面的改進設計。一是摻加纖維，通過纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹覆黏層瀝青，嵌鎖住封層集料，防止集料脫落的同時，提升封層結(jié)構(gòu)強度；二是以高模量改性瀝青為封層黏結(jié)料，形成厚度在5～10 mm左右的黏結(jié)力及模量均較大的應力吸收黏結(jié)層，以便使豎向應力荷載均勻地分散至加鋪結(jié)構(gòu)層，最大程度降低行車荷載對罩面層的碾壓破壞。

為進行薄層瀝青混凝土罩面層與應力吸收碎石封層間黏結(jié)性能的評價，對3 cm厚的罩面層+1 cm厚的纖維碎石封層展開25℃抗拉拔試驗。在碎石封層改性瀝青灑布量、纖維及碎石撒布量分別為 2.2 L/m2、120 g/m2、6.5 kg/m2的情況下，罩面層實測抗拉拔強度均值為0.9 MPa，最大達到1.2 MPa，層間黏結(jié)性能明顯優(yōu)于以SBS改性乳化瀝青為黏結(jié)層的超薄磨耗層。

3 工程應用

某高速公路為雙向四車道設計，起訖樁號K120+000～K175+421，線路長55.421 km，全線設置2座隧道，單洞長度均為5 459 m，洞內(nèi)鋪設水泥混凝土路面。該高速公路于2011年初建成通車，在長期行車荷載和環(huán)境因素的綜合作用下，2座隧道水泥混凝土路面性能均快速衰減，為提升隧道內(nèi)路面性能，保證行車安全，必須及時實施養(yǎng)護處治。公路管理部門經(jīng)過多方調(diào)查和論證，最終決定加鋪2 cm厚的熱拌薄層瀝青混凝土罩面。薄層瀝青混凝土屬于間斷級配混合料，粗集料用量大，粉料多，改性瀝青用量相對較多，能提供更加耐久的抗滑構(gòu)造和豐富的瀝青油膜保護，提升罩面層結(jié)構(gòu)的耐久性。同時，將粗集料最大粒徑從10 mm減至8 mm，優(yōu)化了罩面混凝土的均勻性。

3.1 薄層瀝青混凝土罩面施工

薄層罩面為功能層，在施工前必須徹底處治原水泥混凝土路面病害，清理路面雜物，保證罩面層和原路面的有效黏結(jié)。結(jié)合所劃出的銑刨面積和深度逐道銑刨，保證銑刨后邊線順直，還應徹底清理路槽。

該公路隧道薄層罩面瀝青混凝土通過設計生產(chǎn)能力為每鍋200 kg的MAC-320型瀝青拌和樓制備，拌和時間 60 s，其中干拌與濕拌時間分別按10 s和 50 s控制。隧道內(nèi)溫度比隧道外低。為此，必須嚴格按照設計要求控制混合料出廠溫度。在使用自卸車運輸混合料的過程中，必須通過篷布嚴密覆蓋，起到保溫及防塵作用。

攤鋪薄層罩面混凝土前必須先施工SBS改性瀝青碎石封層，按照1.3～1.8 kg/m2的用量灑布改性瀝青，粒徑5～8 mm 的碎石集料則按照 5～8 kg/m2的量撒布。碎石料應均勻撒布，覆蓋面積達到60%即可，并通過人工方式鏟除撒布過多的碎石集料。使用2臺沃爾沃ABG-6820型瀝青攤鋪機按照5～10 m的距離前后攤鋪，借助平衡梁自動找平。考慮到該高速公路2座隧道中水泥混凝土面板平整度均不良，故應加強初始壓實度控制，同時將攤鋪速度降至2.0 m/min左右。攤鋪后應及時緊跟碾壓。碾壓施工方案詳見表4，其中，往返1次為1遍。

表4 碾壓施工方案

為保證薄層罩面瀝青混凝土施工質(zhì)量，必須加強溫度控制，具體要求和實測結(jié)果見表5。

表5 薄層罩面瀝青混凝土施工溫度控制要求

3.2 施工效果

該高速公路2座隧道加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，外觀質(zhì)量均勻良好，對于竣工通車及工后運行過程展開為期2年的跟蹤觀測，觀測結(jié)果見表6。由此可知，加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，國際平整度指數(shù)均值從處治前的2.65 m/km降至1.22 m/km，路面橫向力系數(shù)均值從處治前的36提升至處治后的75，路面平整度及抗滑性能均顯著改善。從表中檢測結(jié)果看出，公路隧道病害水泥路面加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，橫向力系數(shù)、擺值、構(gòu)造深度等取值顯著提高，工后檢測值完全滿足《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTG 5142—2019）要求；通車6個月、12個月及24個月后相應參數(shù)取值仍超出規(guī)范水平。表明薄層瀝青混凝土罩面抗滑性能良好，路用性能優(yōu)良。

表6 施工效果檢測

4 結(jié)論

綜上所述，薄層瀝青混凝土罩面厚度較薄，密水性、表面排水性及抗滑性十分優(yōu)異，同時具備一定的機構(gòu)補強功能，在施工設備、工藝等方面也無特殊要求。施工結(jié)果表明，該高速公路隧道養(yǎng)護處治過程中，通過加強原材料選擇，嚴格級配控制等措施，保證了隧道內(nèi)病害水泥混凝土路面加鋪薄層罩面施工質(zhì)量，使隧道路面抗滑性、抗磨耗性等得以恢復和提升，平整度大大改善，行車舒適性提高，也為該技術的推廣應用奠定了經(jīng)驗基礎。