瀝青混合料性能對NovaChip超薄磨耗層工作性能影響研究

祁 睿

(甘肅省蘭州公路局，甘肅 蘭州 730030)

高速公路在養護過程中經常會遇到諸如產生過多銑刨料、要求使用高效的養護方法以減小交通壓力、高速公路的安全性與行車舒適度要求高等問題，而NovaChip超薄磨耗層路面施工技術具有無需銑刨原路面、瀝青混合料與乳化瀝青同步施工、碾壓快速、降低噪音、造價相對較低等優勢。NovaChip超薄磨耗層系統，是指采用專門的攤鋪設備將NovaBond乳化瀝青防水粘接層和NovaBinder斷級配混合料同步成型的高效快速養護方案[1-4]，其優良性能已通過大量工程實例得到了充分的證明。NovaChip超薄磨耗層采用專用設備NovaPaver進行施工，其包含受料斗、乳化瀝青儲罐、寬度可調節的振動熨平板、傳送帶、NovaBond噴灑與計量系統等，能一次性完成NovaBond的噴灑、熱瀝青混合料攤鋪及熨平等工作[5-6]，并在NovaBond噴灑后快速對熱瀝青混合料進行攤鋪。用鋼輪壓路機靜壓至少兩遍后，便可使得乳化瀝青粘結層破乳，實現超薄熱拌瀝青混合料與原路面的充分粘結，在1 h之內路面溫度可降至50℃，進而開放交通。

NovaChip超薄磨耗層路面施工技術符合我國國內養護技術發展的需求，國內外專家學者也對此進行了一系列的研究。王軍[1]對NovaChip超薄磨耗層以試驗的方式，對其抗滑性能、水穩定性、高溫穩定性、降噪效果及配合比設計進行了研究，并對正在運營的5條高速公路進行了跟蹤觀測，觀測結果表明，超薄磨耗層在各條高速公路中的相應性能均滿足規范要求，且能有效改善路面的平整度、抗滑性、車轍以及路面破損，降噪效果明顯，各項指標在運營5年內都能保持較好的狀態。王宏飛[2]研究了在隧道路面的抗滑處治工程中，NovaChip超薄磨耗層各項因素對路面工作性能的影響，研究結果表明，超薄磨耗層的應用，能夠明顯地改善路面的安全性能和行車舒適性，有效地對路面進行降噪，顯著提高路面的抗滑性能和國際平整度指數。

白志強[3]以湖南郴寧高速公路作為研究對象，介紹了NovaChip超薄磨耗層瀝青混合料對應的配合比優化設計過程，并取得了相應的數據，通過多次試驗驗證及跟蹤觀測研究，發現超薄磨耗層的各項指標和性能均能滿足設計與使用要求。熊健等[4]測試了不同運營時間的NovaChip超薄磨耗層的路面噪音，并與其他類型的路面在此方面的區別及其影響因素進行了進一步的對比分析。研究結果表明，不同路面的抗滑系數與瀝青路面的降噪性能之間并沒有太多直接的聯系，而路面難度滲水系數及其構造深度則與路面降噪性能之間有直接的聯系。吳喜榮[7]結合彈性破壞理論的彎曲應變密度臨界值、彈塑性斷裂力學理論J積分的斷裂韌性和雙線型黏聚力模型的黏聚力以及裂縫張開位移四個指標，采用試驗的方式研究了三種不同類型的瀝青混合料在不同溫度條件下的抗裂性能，研究結果表明，0℃以下時，可以用彎曲應變密度臨界值對瀝青混合料的抗裂性能進行評價，且具有較高的可靠性。

以往的研究，大多基于NovaChip超薄磨耗層自身的工作性能或工作性能的判定方式，以及材料自身的性能[5-6,8-17]，但并未對瀝青混合料性能與配合比對NovaChip超薄磨耗路用性能的影響及具體的影響程度進行研究，因此，基于對NovaChip超薄磨耗層瀝青混合料的材料性能及配合比進行控制，并將其應用于實際工程中，經過長時間的觀測對確定超薄磨耗層的工作性能進行研究。

1 材料質量控制與實際級配確定

1.1 材料質量控制

NovaChip超薄磨耗層主要原材料包括集料、瀝青、礦粉等。本研究中瀝青混合料的結合料為殼牌公司生產的NovaBinder專用改性瀝青，粘結料亦采采用該公司生產的NovaBond專用改性乳化瀝青，二者皆為該公司專門針對NovaChip系統所研制的新型材料。改性瀝青與改性乳化瀝青的檢測結果分別見表1與表2。

表1 NovaBinder改性瀝青性能檢測結果表

如表1所示，NovaBinder專用改性瀝青的各項指標均滿足規范要求與本項目相關的技術要求。

表2 NovaBond改性乳化瀝青性能檢測結果表

如表2所示，NovaBond改性乳化瀝青的各項指標均滿足規范要求與本項目相關的技術要求。

NovaChip超薄磨耗層要求集料中的碎石保持干凈、堅硬，且具有較好的耐久性和粘附性，本研究中所檢測的碎石指標均滿足相關規定中瀝青混合料用集料質量相的應要求。檢測所采用的碎石為當地的玄武巖碎石。在對集料的檢測過程中，將集料分為“細集料0-3”、“集料5-10”、“集料10-15”三個不同的測區進行檢測，其對應的表觀相對密度、砂當量、亞甲藍值、吸水率，針片狀含量等分別進行了檢測，檢測結果表明，本研究所用碎石的各項指標與性能均滿足規范與項目的技術要求。

本研究的礦粉采用石灰石加工生產而成的礦粉。其所檢指標包括表觀密度、表觀相對密度、加熱安定性、含水率、親水系數、粒度范圍、外觀等均滿足規范以及實際工程中瀝青混合料用礦粉質量相應要求。

1.2 實際級配確定

在進行級配設計時，首先根據集料的篩分結果，初步選定三個級配，分別為級配1、級配2、級配3，三種級配的礦料比例明細表詳見表3。

表3 三種級配的礦料比例明細表

初選級配完成后，根據工程實際應用情況選擇油石比，采用旋轉壓實100次成型試件進行試驗，單位壓力為600 kPa，用以得出試件的體積指標。成型前根據以往的研究成果與施工經驗，先預估初始油石比為5.1%。進行試件的成型的試驗結果如表4所示。

由表3與表4可得，級配3各項指標均滿足NovaChip超薄磨耗層的設計要求。因此根據所述結果，選擇級配3為設計級配。設計級配確定之后，還需確定瀝青混合料的最佳油石比。因此，根據以往的研究結果和施工經驗，先預估初始油石比(5.1%)然后變化±0.2%，選定4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四個逐次遞增的油石比進行旋轉壓實試驗，壓實次數N=100。不同油石比條件下設計級配的各項指標試驗檢測結果見表5。

表4 三種試件級配體積指標及其他指標試驗結果匯總

表5 不同油石比NovaChip C型設計級配各項指標試驗結果匯總

根據表5中4.7%、4.9%、5.1%、5.3%四個油石比的各項性能檢測結果，并結合當地氣候條件及以往設計與施工經驗，選取5.1%為設計油石比。

1.3 NovaChip C型瀝青混合料性能驗證

1.3.1 水穩定性驗證

根據設計級配及油石比對瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，油石比為5.1%的超薄磨耗層混合料的抗水損害能力滿足設計要求。具體檢測結果見表6。

表6 凍融劈裂試驗結果

1.3.2 高溫穩定性驗證

判定瀝青混合料路用性能的主要指標之一就是高溫穩定性，室內試驗常用的方法是車轍試驗。根據已經選定的設計級配及油石比，在60℃±1℃，0.7 MPa±0.05 MPa的條件下進行瀝青混合調料的車轍試驗。車轍動穩定度試驗結果見表7。

表7 車轍試驗動穩定度

由試驗結果可知，本研究選定的NovaChip超薄磨耗層改性瀝青混合料符合高溫穩定性規范技術要求。

1.3.3 析漏試驗驗證

超薄磨耗層的油膜厚度比普通情況較大，因此，瀝青的用量比常規要多，但是在實際工程中，瀝青的總量不能過大，必須小于礦料表面積能吸附的最大量，以避免剩余的自由瀝青出現上泛或合料強度下降的情況，也會對路面的構造深度和高溫穩定性造成一定影響。故而必須進行析漏試驗用以測定膠結料的最大瀝青用量。根據選定的設計級配與油石比，用網籃法進行析漏試驗。試驗條件為185℃±2℃，并將混合料在此溫度條件下保溫1 h±5 min后進行析漏試驗。試驗結果見表8。

表8 NovaChip C型析漏試驗結果

析漏試驗的結果表明，本試驗在油石比為5.1%的條件下確定的混合料，其析漏指標符合NovaChip超薄磨耗層的技術要求。

綜上，經過試驗驗證及相關檢測，本研究所設計的NovaChip C型瀝青混合料的各項指標均滿足相關規定及施工要求，試驗所得的配合比可用于實際工程。

2 實際應用及其工作性能

2.1 工程概況

某地高速于2002年已經建成通車，已運營17年，根據《公路瀝青路面設計規范》[18](JTG D50—2017)關于高速公路路面設計壽命的相關規定為，已進入路面使用壽命的中、后期。通過檢測，該路段路面使用性能PQI平均值93.93，路面損壞PCI平均值93.27，路面車轍深度RDI平均值92.93，行駛質量RQI平均值93.73，路面結構強度指數PSSI分布百分率優占93.29，即評價為優，以上數據充分說明該路段綜合質量良好。然而，考慮到該路段是連接本地市區與機場的重要通道，也是該省高速公路網的重要組成部分，故而為了延長該路段使用壽命，降低道路維修頻率，提高路面使用性能，且該路段的路面情況與力學指標均符合NovaChip超薄磨耗層的應用條件，在對路面實現高效、快速的養護，延長使用壽命的同時，又能減少交通延誤提高安全性能，因此，使用NovaChip超薄磨耗層技術對該路段路面進行預防性養護。

2.2 路面工作情況

為了更加方便研究NovaChip超薄磨耗層的預防性養護對現有路面工作性能的改善情況，本研究分為三個不同的階段對該路面的各項指標進行現場檢測。第一階段為預防性養護實施前對原路面進行檢測，第二階段為超薄磨耗層路面施工結束一周后對施工路面進行檢測，第三階段為NovaChip超薄磨耗層對原路面進行預防性養護施工結束并運營4個月后進行的跟蹤檢測。對路面的檢測內容包括噪音、構造深度、平整度、滲水系數、摩擦系數等方面，檢測結果見表9、表10。

表9 原路面與NovaChip實施后現場檢測結果

表10 對比噪音檢測結果

現場檢測結果表明，路面行駛噪音與原路面相比，降低了約2分貝～4分貝；同時路面平整度、抗滑性能、構造深度、滲水系數與原路面相比，均有了大幅提升。究其原因，NovaChip超薄磨耗層采用了斷級配骨架空隙結構，空隙率較高，可以有效地降低路面行駛過程中產生的噪音，減少了交通噪音給周邊居民日常生活帶來的影響。此外，由于NovaChip路面較高的空隙率，且大部分為連通空隙，造成了其滲水系數大于普通密級配瀝青路面，因此路面積水可以沿著孔隙及時排除到側面，路面上很少出現積水，可以有效增大路面的抗滑性，提高行車安全性。

3 小 結

通過將選定的材料按照設計配合比進行試驗驗證后應用到工程實際中，并對路面進行長期觀測后驗證了瀝青混合料性能對NovaChip超薄磨耗層的影響。試驗及觀測結果表明：

(1) 對原材料的性能進行檢測鑒定，保證原材料性能滿足實際工程的應用后，確定了最優級配，結合當地氣候條件及以往設計與施工經驗，發現該級配下最佳油石比為5.1%。

(2) 油石比為5.1%時，對瀝青混合料進行了水穩定性、高溫穩定性、析漏試驗等各方面的驗證，試驗結果表明，該瀝青混合料性能滿足相關規范的要求，可以應用于實際工程。

(3) 將試驗確定的配合比應用于實際工程中并進行長期的跟蹤觀測，觀測結果表明，用NovaChip超薄磨耗層對高速公路進行預防性養護，路面可以達到較好的降噪、防滑效果，同時實現對路基的保護，延長路面的使用壽命。