超薄磨耗瀝青混合料設計方法與施工控制研究

■詹 軍

(1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004;2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004)

1 引言

福建省地區高溫多雨，目前，高速公路瀝青路面結構多采用抗水損害較好的密級配瀝青混合料，但是，該類型路面降雨后存在表面水膜，會降低路面抗滑能力，對行車安全造成隱患。因此，研究推廣一種針對交通量大、路面性能要求高的高等級路面解決方案勢在必行。

超薄磨耗層采用一臺攤鋪機械將間斷級配的大空隙熱拌改性瀝青混合料直接鋪筑在同步噴灑改性乳化瀝青的粘結層上，厚度一般為10～25mm，其主要應用于高等級瀝青路面或水泥路面的預防性養護和輕微病害的矯正性養護，也可以作為新建道路的表面磨耗層。超薄磨耗層施工采用一臺攤鋪機械同步完成乳化瀝青灑布與改性瀝青混合料的攤鋪，乳化瀝青的破乳主要是利用熱瀝青混合料的高溫將乳化瀝青中的水汽化來完成，同時部分破乳后的乳化瀝青還將隨汽化作用向上提升，并填充超薄磨耗層下部的空隙，使超薄磨耗層下部具有防水、封閉裂縫的作用，而上部具有抗滑、耐磨、排水、降噪的作用。

2 超薄磨耗設計方法的研究

2.1 設計方法概述

超薄磨耗層的配合比設計，應充分考慮使用要求、原路面狀況、交通量、氣候條件等因素，選擇適當的超薄磨耗層類型，確定施工方案。由于超薄磨耗瀝青混合料細集料很少，模量要遠低于普通瀝青混凝土，因此，建議采用高粘高彈改性瀝青提高抗壓回彈模量和劈裂強度。參考日本排水性瀝青路面結構設計方法，超薄磨耗層考慮與瀝青路面結構采用同樣的荷載擴散率和抗疲勞率，由于超薄磨耗層的厚度較小，在路面結構設計中只是作為路面磨耗層，不計算其對路面結構強度的貢獻。超薄磨耗層瀝青混合料設計應嚴格按照JTG F40-2004 熱拌瀝青混合料配合比設計三階段設計方法進行。超薄磨耗層混合料配合比采用混合料體積設計法進行設計，理論上，試件的成型方法應該盡可能模擬施工現場的成型方式，根據相關調查，超薄磨耗層的壓實要求較低，一般采用9～12t 的雙鋼輪壓路機靜壓2～3 遍即可，旋轉壓實儀成型試件比馬歇爾擊實成型試件更接近于現場施工的壓實瀝青混合料的實際情況，因此，采用旋轉壓實方法成型試件。按照骨架嵌擠狀態必須滿足壓實混合料的粗集料間隙率VCA 小于粗集料干搗VCA 的原則進行級配設計。

2.2 配合比設計流程

由于目前的超薄磨耗瀝青混合料采用高粘瀝青，采用表面常數法來計算瀝青最佳用量將不再合適，因此增加采用析漏和飛散試驗結果來綜合確定瀝青的最佳用量。增加低溫性能試驗和水穩定性試驗。設計流程見圖1。

2.3 目標空隙率的設定

空隙率對排水性能有著重要的影響，空隙率太小會限制排水功能，空隙率太大會對結構承載能力以及耐久性造成影響。空隙率的選擇應在透水性與結構承載力以及耐久性之間平衡。參考美國ATPB 的使用經驗，ATPB 混合料的空隙率在15%～25%之間。日本OGFC 推薦方案，OGFC 混合料的空隙率在17%～22%。根據大量的室內試驗和工程實踐，結合超薄磨耗層的實際厚度，超薄磨耗層的空隙率應控制在大于10%。

圖1 配合比設計流程

2.4 級配的選擇

超薄磨耗層礦料級配采用間斷級配，必須具有相互嵌擠的粗集料骨架，形成石-石嵌擠結構。超薄磨耗層作為薄層罩面厚度一般10mm～25mm，攤鋪厚度宜為最大公稱粒徑的2.0～2.5 倍。考慮到不同的使用要求，超薄磨耗層按照公稱最大粒徑，有三種級配類型，故超薄磨耗層用最大粒徑一般為4.75mm、9.5mm 或13.2mm。級配范圍見表1。

2.5 原材料要求

2.5.1 集料的選擇與規格要求

考慮到用于上面層，為保證超薄磨耗層的抗滑性能，要求所用粗集料具有較高的堅固性和耐磨性，超薄磨耗層所用粗集料的質量要求指標主要是針對其在高速公路中使用的要求，其他公路的質量指標可參照規范要求進行適當降低。瀝青路面集料的選擇必須經過認真的料源調查，確定料源應盡可能就地取材。質量符合使用要求。推薦的料場級配如表2～4。

2.5.2 瀝青產品

超薄磨耗層所用粘層油為改性乳化瀝青，改性乳化瀝青不單單起到粘結表面層與下承層的作用，更重要的是可以部分進入上部瀝青混合料中，提高瀝青混合料的路用性能，并且起到封層作用，因此作用至關重要。具體指標見表5。對于改性瀝青結合料，應根據當地氣候與交通狀況而定，由于所用級配采用的間斷級配，空隙率較大，可以在混合料中加入其它添加劑，以增加其混合料的粘結性能。改性瀝青指標應符合表6 的要求。

表1 超薄磨耗層混合料礦料級配范圍

表2 集料規格要求 （厚度1.0~1.5cm）

表3 集料規格要求 （厚度1.6~2.0cm）

表4 集料規格要求 （厚度2.0~2.5cm）

表5 粘層油質量技術要求

表6 改性瀝青質量技術要求

2.6 確定最佳瀝青用量

超薄磨耗層混合料采用旋轉壓實方法成型試件，根據瀝青膜厚度、混合料體積性質和性能測試確定最佳瀝青用量。

2.6.1 確定初始瀝青用量

通常，在原材料因素和水、交通等外部因素確定后，適當提高瀝青用量是改善超薄磨耗層材料抗水損害能力的重要方法。瀝青用量可按集料的表面積與瀝青膜平均厚度的乘積確定，而表面積可按下列經驗關系式估算：

礦料表面積=0.41+0.41a+0.82b+1.64c+2.87d+6.14e+12.29f+32.77g(m2/kg)

式 中：a、b、c、d、e、f、g 分 別 是4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm 和0.075mm篩孔的通過百分率。

由于超薄磨耗采用的是高粘瀝青，因此，在確定瀝青用量時，瀝青膜厚度應不小于10μm。

2.6.2 確定礦料配比

用計算得出的瀝青用量拌和混合料，采用旋轉壓實方法成型試件，成型試件直徑100mm，旋轉壓實儀的單位壓力為600kPa，設定旋轉壓實次數為100 次。材料加熱及試件成型溫度范圍見表7，混合料的體積特性要求見表8。超薄磨耗層礦料級配要求中，篩孔4.75mm 和2.36mm 是關鍵篩孔，是礦料級配形成間斷級配的關鍵，建議4.75mm 通過率與2.36mm 通過率差值小于5%。同時應嚴格控制0.075mm 通過率。

表7 材料加熱及試件成型溫度范圍

表8 超薄磨耗層瀝青混合料體積特性要求

2.6.3 混合料性能驗證

超薄磨耗層瀝青混合料配合比設計完成后，應進行謝倫堡瀝青析漏、肯塔堡飛散與凍融劈裂試驗分別檢驗最大瀝青用量、最小瀝青用量和混合料水穩定性。考慮到泛油等病害，因此，在進行性能驗證時對析漏的要求比一般的瀝青混合料更嚴格一些，具體應符合表9 各項指標要求。

表9 超薄磨耗層瀝青混合料設計檢驗指標

3 施工工藝與質量控制

2008 年至今在福建省高速公路鋪筑了近100 萬m2超薄磨耗層，包括瀝青路面上面層的加鋪層或隧道水泥路面加鋪層。施工過程中與其他地段銜接處采用調坡的方式調整路面標高。施工的氣溫應高于10℃；不得在雨天施工；嚴禁在過濕或積水的路面上進行施工。

3.1 對原路面要求

超薄磨耗層主要應用于高等級瀝青路面或水泥路面的預防性養護和有限的矯正性養護，并不能作為結構補強層，原瀝青路面必須有足夠的結構強度。（1）當原路面整體結構強度不足時，即PSSI＜80，不應采用超薄磨耗層罩面。原瀝青路面應保持較好的路面狀況。（2）當原路面破損情況嚴重時，即DR＞2%，不應采用超薄磨耗層罩面。原瀝青路面應具有較好的平整度。（3）當原路面平整度較差時，即IRI＞3.5m/km，不建議采用超薄磨耗層罩面。（4）原瀝青路面不能有較深車轍。當原路面車轍較深時，即RD＞15mm，應先對路面進行車轍填充，然后再進行超薄磨耗層罩面。（5）原瀝青路面裂縫密度不能過大，當原路面裂縫率較大時，即CR＞1%，應先對路面裂縫進行處理，然后再進行超薄磨耗層罩面。

3.2 瀝青混合料的拌和

超薄磨耗層瀝青混合料應采用間歇式拌和機拌制，冷料倉的數量滿足配合比需要，通常不宜少于5～6 個。拌和樓篩網設置直接決定了拌和產量、混合料級配的穩定性和生產的經濟性，不同篩網設置適用于不同的混合料生產，在篩網選擇上主要考慮了以下兩方面：（1）最大篩孔的振動篩設置與混合料的最大粒徑相一致；（2）篩孔選擇與混合料控制點孔徑相一致。超薄磨耗瀝青混合料粗集料用料比例較大，為保證熱料倉內平衡和防止溢料，生產過程中嚴格控制和處理好各冷料倉的上料速度。超薄磨耗的生產拌和與SMA 相類似，間歇式拌和機每盤的生產周期不宜少于50s，拌和樓出料溫度為180℃，生產過程中根據集料干濕程度調節燃油器功率大小，確保出料溫度。拌和機除塵設備完好，能達到環保要求。

3.3 瀝青混合料的運輸

超薄磨耗層瀝青混合料具有較大的空隙率，熱量散發較快，因此運料車宜用苫布覆蓋保溫、防雨、防污染。宜采用較大噸位的運料車運輸，運料車的運力應稍有富余，施工過程中攤輔機前方應有運料車等候，待等候的運料車多于4 輛，以保證連續攤鋪。從拌和機向運料車上裝料時，應多次挪動汽車位置，平衡裝料，以減少混合料離析。

3.4 混合料的攤鋪

超薄磨耗層采用專用攤鋪機進行施工，設備能夠一次性完成粘層油噴灑、熱瀝青混合料攤鋪及熨平，可在粘層油噴灑后5s 內進行熱瀝青混合料攤鋪，在熱瀝青混合料攤鋪之前，設備履帶或其它部位不能接觸噴灑在路面上的改性乳化瀝青。攤鋪機開工前應提前0.5～1h預熱熨平板不低于100℃。按試驗段確定的松鋪厚度調整熨平板高度。鋪筑過程中應選擇熨平板的振搗或夯錘壓實裝置具有適宜的振動頻率和振幅，以提高路面的初始壓實度。攤鋪過程中應隨時檢查攤鋪層厚度及路拱、橫坡。熨平板加寬連接應仔細調節至攤鋪的混合料沒有明顯的離析痕跡。

攤鋪機必須連續不間斷地攤鋪，攤鋪速度宜控制在5～12m/min 范圍內，不得隨意變換速度或中途停頓，以提高平整度，減少混合料的離析。發現混合料出現明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕時，應分析原因，予以消除。用機械攤鋪的混合料，不宜用人工反復修整。當不得不由人工作局部找補或更換混合料時，需仔細進行，特別嚴重的缺陷應整層鏟除。

3.5 混合料的壓實

超薄磨耗層路面采用9～12t 的雙鋼輪壓路機靜壓2～3 遍(總遍數)，橫向接縫處采取振動碾壓，壓路機的振動頻率宜為35～50Hz，振幅宜為0.3～0.5mm。

由于超薄磨耗層攤鋪厚度薄，降溫速度快，因此，壓路機應緊跟攤鋪機后勻速碾壓，并保持較短的碾壓區長度，以盡快使表面壓實，減少熱量散失。在不產生嚴重推移和裂縫的前提下，在混合料攤鋪后應在盡可能高的溫度下進行碾壓。超薄磨耗層碾壓必須在路面溫度降至120℃之前進行,同時不得在低溫狀況下作反復碾壓，使石料棱角磨損、壓碎，破壞集料嵌擠。

3.6 接縫與開放交通

超薄磨耗層路面縱向接縫施工中，應特別注意混合料碾壓對溫度的要求，縱接縫施工要求混合料溫度取允許范圍上限為宜，熨平板加熱溫度滿足本規范要求，應控制在混合料溫度降至120℃前完成接縫處碾壓施工。超薄磨耗層應在鋪筑路面溫度降為50℃以下時方可開放交通。

3.7 施工過程中質量管理

對于超薄磨耗層應特別重視材料質量、施工溫度和壓實工序的管理，使混合料形成充分嵌擠并達到穩定的狀態，切忌片面追求平整度而降低壓實溫度。超薄磨耗層施工過程中應設專人查看粘層油噴灑情況，如出現多灑、少灑或漏灑情況應立即與操作人員溝通停止攤鋪，對設備進行調試，嚴重的應將鋪筑的混合料予以鏟除。隨時對新鋪路面外觀進行目測，表面必須平整密實，不得有輪跡、裂縫、推擠、油斑、油包、離析等現象。接縫必須緊密平順，無跳車。每日應從拌和站或施工現場隨機取樣1～2 次，檢測混合料的級配和瀝青含量。抽檢混合料的級配和瀝青含量滿足表10 的要求時，可不對拌和站各生產參數調整。反之，應查找原因，調整生產，使混合料的級配和瀝青含量滿足表10 的要求。

表10 混合料級配和瀝青含量允許偏差

每日應從拌和站或施工現場隨機取樣1～2 次，檢測混合料的體積特性。當采用旋轉壓實成型試件時，試件空隙率應滿足設計要求，即大于10%；當采用馬歇爾擊實成型試件時，測定的穩定度和空隙率、VMA 等指標應滿足表11 要求。指標異常時，應及時查找原因。

表11 混合料技術要求 （馬歇爾試驗）

4 結語

超薄磨耗層是一種高品質、高性能的路面結構類型，在福建省高速公路得到了大量的應用，獲得了較好的評價。為充分發揮超薄磨耗層良好的路用性能，本文提出以下建議：

（1）粘層油質量的好壞直接影響超薄磨耗層的使用壽命，必須嚴格控制粘層油的質量與灑布量。

（2）注意石料的質量控制，要求所用粗集料具有較高的堅固性和耐磨性，玄武巖和輝綠巖相對石灰巖具有較高的強度，且玄武巖和輝綠巖的棱角性優于石灰巖，故在高速公路工程中，推薦使用玄武巖或性能較好的輝綠巖作為其粗集料。

（3）超薄磨耗瀝青混合料對集料的配比的要求非常嚴格，級配和瀝青含量的變化會引起混合料性能的大變化，因此必須特別重視礦料級配的控制。

（4）空隙率對超薄磨耗層的排水降噪至關重要，設計空隙率應大于10%，最好要有富余。

（5）混合料級配和瀝青含量允許偏差為最低標準，實際控制指標可根據道路等級、業主要求和施工條件適當提高。