基于甘肅蘭州機場高速應用的NovaChip混合料性能研究

吳小虎

（甘肅蘭州公路管理局，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

NovaChip是將15mm～25mm厚的斷級配改性熱瀝青混合料NovaBinderTM攤鋪 在NovaBondTM（聚合物改性乳化瀝青粘層）上，使用超薄攤鋪機進行施工。在實施過程中改性乳化瀝青粘結(jié)層NovaBondTM噴灑與改性熱瀝青混合料NovaBinderTM攤鋪同時進行，經(jīng)壓路機壓實以后一次成型。超薄瀝青混凝土面層起源于20世紀70年代的法國，主要作為瀝青路面的表面層材料得以應用[1,2]。超薄磨耗層 NovaChip 系統(tǒng)在2002年開始引入中國，目前已經(jīng)在全國十個省市開展應用，但對于NovaChip的研究仍不夠深入，因此本文依托甘肅蘭州機場高速實體工程項目，研究NovaChip以及專用的NovaBinder膠結(jié)料性能，以達到更加確定其性能，更好推廣超薄磨耗層在國內(nèi)的應用[3,4]。

1 項目概況

機場高速公路是甘肅省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。起點位于G30連霍高速柳忠段蘭州市天水路收費站，途徑北龍口、忠和鎮(zhèn)、樹屏鎮(zhèn)、終點位于中川機場。連接起G30和G6兩條國家級高速公路，也是機場到蘭州的中通道，在甘肅省的高速公路網(wǎng)中占有舉足輕重的地位。機場高速公路全線總長65.85KM，由三部分組成，分別是柳忠高速天水路收費站至忠和立交段（簡稱柳忠段）、蘭海高速忠和立交至樹屏立交段（簡稱蘭海段）、蘭營高速全線（簡稱尹中段）。經(jīng)觀測，日平均交通量5萬多輛，節(jié)假日達到7萬多輛，且重型貨車較多，交通通行壓力和養(yǎng)護壓力十分巨大。設(shè)計擬對機場高速公路全線完成全幅Novachip薄層罩面，厚度2.5cm，可以起到抗滑、降噪及雨天降低行車水霧的作用，罩面長65.975公里、面積140萬平方米，該工程是Novachip薄層罩面技術(shù)應用的世界最大單體工程，并且首次嘗試了夜間施工和錯峰施工，實施后路面面層厚度為19cm。

2 NovaChip配合比設(shè)計

2.1 粗細集料

NovaChip作為表面層，首先得滿足耐磨的要求。粗集料磨耗的常規(guī)評價方法為洛杉磯法和狄法爾法兩種，必須同時符合要求。細集料除了要滿足一般瀝青路面規(guī)范的技術(shù)要求外，細集料不得采用天然砂，Novachip混合料采用與粗集料巖性一致的機制砂。對進場集料按規(guī)定進行檢驗。進場細集料堆放場地必須符合相關(guān)要求進行硬化，排水順暢，必須設(shè)置大棚，呈臺階堆放。具體規(guī)范要求見表 1和 2。

表1 粗細集料性能指標

表2 細集料性能指標

2.2 填料

瀝青混凝土路面宜采用潔凈石灰?guī)r扎制的碎石石料經(jīng)研磨得到的礦粉作為填料，礦粉必須現(xiàn)場加工。嚴禁使用回收粉塵作為填料。礦粉必須干燥、清潔。進場集料按規(guī)定進行檢驗，每 50T 檢驗一次。不得采用拌和樓回收的粉塵，以確保瀝青碎石的質(zhì)量。散裝礦粉采用儲存罐存放，保持干燥，防止受潮。

2.3 改性瀝青

NovaChip混合料系統(tǒng)使用的NovaBinder專用改性瀝青應滿足下表3的要求。

表3 改性瀝青技術(shù)指標

2.4 外摻劑

如若所選用集料粘附性達不到設(shè)計要求，可添加42.5水泥作為抗剝落劑。對于提高集料粘附性的消石灰應滿足國家有關(guān)規(guī)范要求，42.5水泥摻加必須單獨設(shè)罐，但其用量宜控制在1.5%以內(nèi)。

2.5 配合設(shè)計

Novachip超薄磨耗層混合料的設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)的熱拌合瀝青混合料的設(shè)計方法。混合料最佳用油量的確定基于Novachip超薄磨耗層系統(tǒng)體積特性的建議要求及油膜厚度指標。結(jié)合國內(nèi)外Novachip超薄磨耗層配合比設(shè)計經(jīng)驗及Novachip-Type C瀝青混合料空隙率比較大的特點，采用旋轉(zhuǎn)壓實方法成型試件。Novachip C型瀝青混合料級配采用殼牌（中國）有限公司《Novachip（超薄磨耗層）系統(tǒng)設(shè)計施工指南》中的要求，本次級配設(shè)計過程中，根據(jù)集料的篩分結(jié)果首先初選出三個級配（級配1、級配2、級配3），然后根據(jù)工程實際應用情況選擇油石比，采用旋轉(zhuǎn)壓實100次成型試件進行試驗，得出試件的體積指標，根據(jù)體積指標及初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)壓實度等。圖1為三種級配曲線圖。

參照項目所在地區(qū)瀝青路面 Novachip C 型瀝青混合料目標配合比的工程應用情況，選擇油石比 5.1%作為三種試級配用油石比，旋轉(zhuǎn)壓實 100 次成型試件，級配3各項指標滿足 Novachip C設(shè)計要求，結(jié)合當?shù)厍闆r及實踐經(jīng)驗，本次設(shè)計擬選擇級配3為設(shè)計級配。設(shè)計級配確定后，采用四個油石比分別為：4.7%、4.9%、5.1%、5.3%進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗。在選擇設(shè)計油石比的試驗時，壓實次數(shù) N 設(shè)計=100 次。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗和項目所在地區(qū)氣候條件取設(shè)計油石比為5.1%，相對應的瀝青混合料性質(zhì)如表4所示。

圖1 初選三個級配曲線

表4 瀝青混合料體積性質(zhì)表

3 NovaChip混合料性能研究

3.1 瀝青的粘結(jié)強度試驗

由于在 NovaChip 系統(tǒng)需要專用聚合物改性乳化瀝青，采用特殊的配方進行設(shè)計，才能夠?qū)崿F(xiàn)熱混合料層和下承層的有效粘結(jié)，因此對專用的Novabond改性乳化瀝青的層間粘結(jié)性能進行研究，對5種常見粘結(jié)料進行拉拔試驗，試驗結(jié)果如圖2。

圖2 瀝青粘結(jié)性能比對

由圖2可知，五種瀝青的粘結(jié)強度均隨構(gòu)造深度的增大而增大，Novabond改性乳化瀝青的粘結(jié)強度優(yōu)于其他四種瀝青，但整體上Novabond改性乳化瀝青的粘結(jié)強度收構(gòu)造深度影響最大。

3.2 溫度與剪切強度影響關(guān)系

為研究不同溫度對Novabond改性乳化瀝青粘結(jié)力的影響，在室內(nèi)不同溫度條件下對相同灑布量和相同空隙率的試件進行剪切試驗，試驗結(jié)果如圖3。

圖3 溫度與剪切強度影響關(guān)系

由圖3可以看出，瀝青混合料粘層油界面粘結(jié)力剪切強度隨溫度的升高其剪切強度逐漸下降，當溫度超過40℃時，瀝青混合料之間的粘結(jié)力較低，路面容易破壞，這主要是由于在高溫下瀝青變?yōu)榱鲃討B(tài)，剪切強度降低。

3.3 空隙率與剪切強度影響關(guān)系

室內(nèi)以不同空隙率的 Novachip 瀝青混合料試件在相同溫度條件下進行剪切試驗，試驗結(jié)果如圖4。

圖4 空隙率與剪切強度影響關(guān)系

由圖4可知，Novachip 瀝青混合料與普通瀝青混合料之間的剪切強度隨空隙率的變化而變化，當空隙率較小或較大時其剪切強度都較低，空隙率在 12%左右時其剪切強度較高，所以在實際施工過程中應隨時檢測Novachip 瀝青混合料的空隙率以確保混合料之間的粘結(jié)力，提高工程質(zhì)量。

3.4 凍融與剪切強度影響關(guān)系

室內(nèi)以不同空隙率的 Novachip 瀝青混合料試件在-18 度到60度之間的溫度條件下進行多次凍融循環(huán)后，測其剪切強度，試驗結(jié)果如圖5。

圖5 凍融與剪切強度影響關(guān)系

由圖5可知，不同空隙率的 Novachip 瀝青混合料與普通瀝青混合料經(jīng)過多次凍融循環(huán)之后，其剪切強度隨著空隙率的增大而降低，且受孔隙率影響較大。

4 結(jié)論

本文以甘肅省蘭州公路局利用NovaChip技術(shù)在機場高速大修的應用為基礎(chǔ)，研究了NovaChip技術(shù)中原材料的性能要求以及配合比設(shè)計方法，并通過對專用的Novabond改性乳化瀝青的粘結(jié)性能研究得到以下結(jié)論：

1）瀝青混合料粘層油界面粘結(jié)力剪切強度在溫度超過40℃時最低，路面容易破壞；

2）Novabond改性乳化瀝青的粘結(jié)強度優(yōu)于其他四種瀝青，但受構(gòu)造深度影響較大；

3）Novachip 瀝青混合料空隙率在12%左右時其剪切強度較高，在實際施工過程中應隨時檢測 Novachip 瀝青混合料的空隙率以確保混合料之間的粘結(jié)力，提高工程質(zhì)量；

4）Novachip 瀝青混合料經(jīng)過多次凍融循環(huán)之后，其剪切強度隨著空隙率的增大而降低，且受孔隙率影響較大。