彭宇文

(湖南高速華達(dá)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙)

引言

近年來(lái)，交通壓力日益增大，使得我國(guó)部分運(yùn)營(yíng)中的高速公路產(chǎn)生了不同形式的路面破壞，其抗滑性能產(chǎn)生大幅度下降，嚴(yán)重威脅行車安全。高速公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中導(dǎo)致其抗滑能力下降的因素眾多，但起決定性作用的指標(biāo)主要有兩種，即：橫向摩擦系數(shù)和路面構(gòu)造深度。目前，針對(duì)濕熱條件下超薄磨耗層瀝青混凝土抗滑性能影響因素的研究成果數(shù)不勝數(shù)，但大多數(shù)是在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，未考慮溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，研究結(jié)果缺乏合理性。為此，本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)濕熱環(huán)境下高速公路超薄磨耗層配合比設(shè)計(jì)及抗滑性能展開(kāi)研究。

1 工程概況

某高速公路工程地處我國(guó)西南地區(qū)，屬亞熱帶氣候，設(shè)計(jì)里程37.45 km，采用雙向四車道布置，設(shè)計(jì)速度100 Km/h，局部路段速度為120 Km/h。該高速公路所在地區(qū)常年濕熱多雨，道路受溫度、濕度影響較大。

2 增設(shè)超薄磨耗層的作用

超薄瀝青磨耗層主要是在不改變道路承載性能的基礎(chǔ)上，對(duì)存在質(zhì)量缺陷的路面實(shí)施修復(fù)的特殊施工方式。通過(guò)超薄磨耗層瀝青罩面能有效提高路面平整度，改善道路路用性能，保證車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，是性能優(yōu)良的路面維護(hù)技術(shù)。

（1） 超薄瀝青磨耗層主要是將間斷級(jí)配瀝青混合料與乳化瀝青拌合、攤鋪形成的道路面層，其厚度較薄，一般不超過(guò)3 cm，抗滑效果顯著。與微表處、石屑封層等技術(shù)相比，其強(qiáng)度較高、耐磨性好、抗滑降噪性能優(yōu)良。

（2） 超薄瀝青磨耗層不僅技術(shù)簡(jiǎn)便、效率高，且成型能立即通車，可最大限度降低對(duì)交通的影響；同時(shí)能有效提升道路平整度，增強(qiáng)路面防排水性能。

（3） 超薄磨耗層集料級(jí)配良好，空隙率大，具有較好的消聲降噪效果，許多國(guó)家將其作為降噪面層。結(jié)合有關(guān)研究成果，針對(duì)路面輕微裂縫、車轍、抗滑能力較低的質(zhì)量缺陷，采用超薄磨耗層技術(shù)效果顯著。目前，該技術(shù)在我國(guó)北方部分高速公路已得到成功應(yīng)用，但在南方濕熱地區(qū)應(yīng)用較少。

3 原材料

超薄磨耗層位于道路結(jié)構(gòu)最表層，直接受車輪與空氣作用，且成型后厚度較薄，混合料內(nèi)部粗集料占比較大，通過(guò)相互嵌鎖形成骨架空隙結(jié)構(gòu)。因此超薄磨耗層路用性能明顯優(yōu)于其他面層，同時(shí)對(duì)原材料的要求更高。

3.1 瀝青

本工程采用SBS（1-C 級(jí)）瀝青進(jìn)行超薄磨耗層施工，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2 集料

超薄磨耗層粗集料為性能優(yōu)良的英安巖，其體積密度為2.8～3.3 g/cm3，具有較強(qiáng)的抗壓縮性能，最大壓縮強(qiáng)度達(dá)300 MPa，相對(duì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石灰?guī)r、花崗巖等材料，在公路工程、鐵路工程以及飛機(jī)航道建設(shè)中應(yīng)用廣泛，具有強(qiáng)度高、耐磨性好、壓碎值小、瀝青粘附性好等特點(diǎn)。超薄磨耗層施工時(shí)，其瀝青拌合料性能與集料性能密切相關(guān)，直接決定道路路用性能，因此在進(jìn)行混合料拌制時(shí)，應(yīng)尤為重視集料質(zhì)量。本工程采用的集料完全符合規(guī)范要求，粗集料為粒徑5～10 mm的英安巖碎石。

超薄磨耗層瀝青混合料為骨架空隙結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部細(xì)集料含量較少，但對(duì)其性能影響卻十分顯著。因此，應(yīng)加強(qiáng)細(xì)集料質(zhì)量控制。細(xì)集料選擇碎石屑或機(jī)制砂，質(zhì)地潔凈、干燥，粒徑滿足規(guī)范要求，且與瀝青之間具有優(yōu)良粘附性能。由于我國(guó)石灰?guī)r分布較多，性質(zhì)穩(wěn)定，開(kāi)采方便。因此本工程細(xì)集料采用粒徑為0～5 mm石灰?guī)r機(jī)制砂。

3.3 礦粉

礦粉作為超薄磨耗層瀝青混合料中不可或缺的關(guān)鍵成分，具有增強(qiáng)粗集料之間粘結(jié)力的作用。礦粉作用機(jī)理主要表現(xiàn)在可與瀝青形成吸附作用，且具有較大的比表面積，與瀝青充分融合后，有效降低其潤(rùn)滑性能，增大摩阻力。本工程采用石灰?guī)r礦粉，經(jīng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)，其表觀密度為2.754 g/cm3，高于標(biāo)準(zhǔn)值2.5 g/cm3，符合要求。

3.4 原材料試驗(yàn)環(huán)境

開(kāi)展原材料性能試驗(yàn)，其外部環(huán)境條件完全按照南方地區(qū)濕熱條件執(zhí)行，其溫度保持在20～30 ℃范圍內(nèi)，濕度保持在40%～60%范圍內(nèi)。

4 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層配比設(shè)計(jì)及性能分析

4.1 礦料級(jí)配組成要求

本工程采用細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8，其礦料級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 的礦料級(jí)配

4.2 礦料級(jí)配合成計(jì)算

采用水洗法進(jìn)行瀝青混凝土礦料級(jí)配篩分試驗(yàn)，從而測(cè)得礦料級(jí)配大小；結(jié)合實(shí)際情況，本工程級(jí)配大小為粗集料:細(xì)集料:礦粉＝61:30:9。其具體級(jí)配變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 的礦料級(jí)配曲線

4.3 馬歇爾試驗(yàn)

采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3、圖2～圖5。通過(guò)圖2～圖5 能夠看出，在最佳油石比條件下，AC-8 混合料空隙率為6%。通過(guò)差分法，對(duì)該條件下油石比進(jìn)行計(jì)算，求得結(jié)果為6.35%。據(jù)此判定最佳油石比為6.35%。

表3 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 油石比與毛體積密度的關(guān)系

圖3 油石比與礦料間隙的關(guān)系

圖4 油石比與瀝青飽和度的關(guān)系

圖5 油石比與空隙率的關(guān)系

4.4 路用性能試驗(yàn)

通過(guò)車轍試件及凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)油石比為6.35%AC-8 瀝青混合料實(shí)施路用性能試驗(yàn)[1]，其檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。通過(guò)表4、表5 能夠看出，AC-8 瀝青混合料各種性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，粗集料采用5～10 mm 的英安巖級(jí)配碎石，細(xì)集料、礦粉均采用0～5 mm 機(jī)制砂，其配比為粗集料:細(xì)集料:礦粉＝61:30:9。

表4 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

表5 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

5 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層抗滑性能分析

5.1 溫度和濕度對(duì)抗滑性能的影響

試驗(yàn)以溫度、濕度為控制變量，分別設(shè)定6 種溫、濕度條件，并根據(jù)各種溫濕度條件進(jìn)行試塊養(yǎng)護(hù)，以有效檢測(cè)出AC-8 瀝青構(gòu)造深度。按照單一變量4 塊，共需試塊48 個(gè)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知:（1） 溫度、濕度任意一個(gè)變量發(fā)生變化，均會(huì)導(dǎo)致試件構(gòu)造深度發(fā)生改變。（2） 當(dāng)濕度條件相同時(shí)，構(gòu)造深度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，構(gòu)造深度越小。（3） 當(dāng)溫度條件相同時(shí)，構(gòu)造深度與濕度呈正相關(guān)關(guān)系，即濕度越大、構(gòu)造深度越大，當(dāng)濕度達(dá)到一定程度后，其深度變化逐步趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)濕度為0 或超過(guò)81%時(shí)，試件構(gòu)造深度均未超出0.05，表明濕度對(duì)構(gòu)造深度影響程度較小。件3 個(gè)，實(shí)施馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定其構(gòu)造深度變化情況。通過(guò)輪碾試驗(yàn)，將其作用部位混合料切割成矩形，并對(duì)其構(gòu)造深度實(shí)施測(cè)量，比較試驗(yàn)前后構(gòu)造深度變化情況。通過(guò)下式（1）求得各油石比深度殘留率。具體結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6 能夠看出，油石比越大，試件構(gòu)造深度殘留率越小。同時(shí)相關(guān)研究表明，瀝青混合料油石比越大，超薄瀝青磨耗層抗滑性能愈加顯著，因此實(shí)際工程施工時(shí)必須對(duì)油石比實(shí)施科學(xué)把控。通過(guò)本工程相關(guān)試驗(yàn)，確定最佳油石比為6.35%，其應(yīng)用效果顯著。

表6 AC-8 混合料油石化- 構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

5.3 提高瀝青路面抗滑性能的措施

結(jié)合本工程實(shí)際情況，建議從以下三個(gè)方面提升瀝青路面抗滑性能。

（1） 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)油石比進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，工程實(shí)踐表明，在保證道路抗滑性能滿足使用需求的前提下，可適當(dāng)降低油石比。

（2） 科學(xué)選擇瀝青材料。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用I-D級(jí)改性瀝青制備磨耗層。

（3） 增大粘附性。瀝青路面經(jīng)行車荷載反復(fù)作用，

5.2 油石比對(duì)抗滑性能的影響

當(dāng)溫度、濕度較高時(shí)，瀝青混凝土面層油石比會(huì)發(fā)生顯著變化，降低面層構(gòu)造深度[2]。

根據(jù)油石比不同分別制作檢測(cè)試件，各油石比條件下制作試車輪作用位置瀝青含量顯著增大，降低路面抗滑性能。因此，需科學(xué)調(diào)整瀝青與集料間的粘附性[3]。

6 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)高速公路超薄磨耗層配合比設(shè)計(jì)及抗滑性能展開(kāi)綜合探究，通過(guò)具體工程試驗(yàn)確定了濕熱環(huán)境條件下超薄磨耗層配比，其粗集料采用5～10 mm的英安巖級(jí)配碎石，細(xì)集料和礦粉均采用0～5 mm 機(jī)制砂，其配比為粗集料:細(xì)集料:礦粉＝61:30:9，油石比為6.35%。

（1） 瀝青混合料構(gòu)造深度與外部溫度、濕度密切相關(guān)。當(dāng)濕度條件相同時(shí)，構(gòu)造深度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，構(gòu)造深度越小。當(dāng)溫度條件相同時(shí)，構(gòu)造深度與濕度呈正相關(guān)關(guān)系，即濕度越大、構(gòu)造深度越大。

（2） 油石比與試件構(gòu)造深度殘留率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，油石比越大，其殘留率越小。因此實(shí)際工程應(yīng)用中必須對(duì)油石比實(shí)施科學(xué)把控。

（3） 當(dāng)溫度、濕度較高時(shí)，瀝青混凝土面層油石比會(huì)發(fā)生顯著變化，降低面層構(gòu)造深度。因此，可從優(yōu)化油石比、選用高質(zhì)量瀝青及增大集料粘附性三方面入手，全面提高超薄磨耗層抗滑性能。