超薄抗滑磨耗層（TFC）設計及路用性能研究

李小鵬 南京道潤交通科技有限公司

韓亞進 東南大學

瀝青路面作為我國高速公路的主要路面形式，具有行駛舒適、便于維修等優(yōu)點。隨著道路通車年限的延長，在車輛荷載及環(huán)境條件的作用下，路表功能性能逐漸降低，抗滑性能不足、平整度下降等路表功能型病害逐漸凸顯。為此，以預防性養(yǎng)護技術為主的養(yǎng)護措施，越來越多的被用于改善原路面的路表功能性能。常用的預防性養(yǎng)護措施，包括：微表處、稀漿封層、碎石封層及薄層罩面等。微表處及稀漿封層在使用過程中，行車噪聲過大，嚴重降低了駕乘人員的乘車舒適性；碎石封層最為一種灑布型表處層，容易出現剝落等病害，較少用于路面上封層；而薄層罩面，性能較為出色，但僅用于改善路面抗滑性能不足等功能型病害，經濟型稍差。

為此，本文研究了一種乳化瀝青類、單粒徑超薄抗滑磨耗層（Thin friction course，簡稱TFC），TFC是將乳化瀝青、集料及水泥充分拌合后，利用專用的施工機械攤鋪于原路面表面，成型厚度僅為5mm。作為一種新型表處層，需要確定TFC各材料的合理配比，在此基礎上，結合實體工程確定TFC的路用性能。

1.材料

1.1 乳化瀝青

TFC選用高性能乳化瀝青作為膠結料，其性能如表1所示。

表1 乳化瀝青性能檢測結果

1.2 集料及水泥

TFC選用集料為單粒徑3-5mm玄武巖集料，TFC中選用水泥作為活性填料，水泥規(guī)格為普通硅酸鹽PO42.5級。

2.試驗方法

TFC選用單粒徑集料，成型之后，表面開口孔隙較多，因而其性能主要受剝落性能制約。為評價TFC的抗剝落性能，本文采用濕輪磨耗試驗進行評價，并確定乳化瀝青、水泥等材料的合理配比。

2.1 TFC成型

根據《微表處和稀漿封層技術指南》，TFC濕輪磨耗試件的成型，主要包括以下步驟，如圖1所示。

圖1 TFC室內成型步驟

（1）準備直徑為31cm的圓形油毛氈，并在油毛氈表面刷粘層油；（2）將集料、水泥、乳化瀝青依次分別置于拌鍋中，攪拌均勻；（3）將拌合好的TFC混合料，倒在油毛氈上，并借助厚度為5mm的模具，將混合料攤平；（4）將攤鋪好的TFC試件，置于60℃烘箱中養(yǎng)生24h。

圖2 濕輪磨耗試驗步驟

圖3 實驗板法

圖4 乳化瀝青用量對TFC剝落率的影響

圖5 水泥用量對TFC剝落率的影響

表2 路用性能檢測結果

圖6 TFC施工流程

2.2 濕輪磨耗試驗

將養(yǎng)生好的TFC試件從烘箱中取出，冷卻至室溫后，置于25℃水中保持1h，隨后進行濕輪磨耗試驗。如圖2所示。

3.TFC材料配比研究

TFC主要由集料、乳化瀝青及水泥三種材料拌合而成，其中集料用量由實驗板法確定，乳化瀝青及水泥用量由濕輪磨耗試驗確定。

3.1 集料用量的確定

本文研究的TFC厚度僅為單石厚度，即集料僅為一層，因此采用修正的Kearby設計法，亦即實驗板法來確定集料的用量。首先準備30cm＊30cm＊0.5cm的方形鋼板，將TFC用的3-5mm玄武巖集料平鋪在鋼板上，并保證鋼板表面均被集料覆蓋，且集料顆粒無上下重疊。隨后稱取鋼板被完全覆蓋，所需的集料重量，并換算為單個濕輪磨耗試件的重量。如圖3所示。

根據實驗板法的測試結果，單個濕輪磨耗試件所需集料重量為480g。

3.2 乳化瀝青用量確定

根據課題組研究經驗，將乳化瀝青用量定為集料用量的8%、10%、12%、14%及16%。分別測試不同乳化瀝青用量對應的TFC試件剝落率，如圖4所示。

根據圖4，可以發(fā)現，乳化瀝青用量的增加能夠顯著降低TFC的剝落率。尤其是當乳化瀝青用量由集料用量的8%增長為10%時，TFC的剝落率由15%降低為4%，降幅顯著。這種由于乳化瀝青用量帶來的TFC剝落率的降低，主要是由于瀝青膜增厚導致的。當乳化瀝青用量為集料用量的8%時，集料之間的瀝青膜厚度較薄，當乳化瀝青用量為集料用量10%時，集料之間的瀝青膜厚度達到臨界值，在此厚度下，集料之間的粘結性能相對較好，粘結強度相對較高。而當乳化瀝青用量進一步上升時，TFC剝落率的改善幅度逐漸趨于穩(wěn)定。根據上述結果，本文認為TFC中乳化瀝青用量應大于10%。

表3 TFC試驗段檢測結果

3.3 水泥用量的確定

為研究水泥用量對TFC抗剝落性能的影響，并確定水泥的用量，本文將水泥的摻量分別定為集料用量的0%、1%、2.5%、4%及5.5%，分別測定不同水泥摻量對應的TFC試件的剝落率，試驗結果如圖5所示。

根據圖5，可以發(fā)現，隨著水泥用量的增加，TFC的剝落率顯著降低，當水泥摻量由集料用量的0%增加為5.5%時，TFC試件的剝落率由4.5%降低為2%。這種由于水泥用量的增加而導致的TFC抗剝落性能的改善，主要歸因于水泥的硬化作用。水泥的硬化作用，會使乳化瀝青殘留物-水泥膠漿的強度顯著提升，從而增強集料之間的粘結強度。因而，水泥用量較多的TFC試件，其抵抗磨耗作用的能力也得到了提升，最終表現為TFC剝落率的降低。根據上述結果，本文認為水泥的用量不小于1%。

3.4 TFC性能驗證

基于上述研究結果，選用集料質量為480g，乳化瀝青用量為集料用量的10%，水泥用量為集料的1%，成型TFC試件。本文為驗證此方案下TFC的路用性能，分別測試了TFC的擺式摩擦系數及構造深度指標，并與常規(guī)SMA-13及AC-13檢測結果進行對比，測試結果如表2所示。

根據表2中三種路面的路用性能檢測結果，可以發(fā)現，TFC的擺值與SMA-13相當，明顯大于AC-13。而TFC的構造深度同樣優(yōu)于SMA-13，并顯著大于AC-13。該結果表明，TFC具有良好的抗滑性能，有利于提供車輛良好的摩阻力，保障行車的安全性。此外，較大的構造深度，能夠降低行車噪聲，提高駕乘人員的行車舒適性，同時能夠在雨天及時排除積水，進一步提高行車安全。

4.工程案例

為驗證TFC的實際路用表現，本課題選擇江蘇鎮(zhèn)江句容S243省道進行試驗段鋪筑。

4.1 施工流程

TFC作為一種預防性養(yǎng)護措施，僅適用于原路面結構性能完好、僅存在功能型病害的路段，因此在施工之前應首先對原路面的結構性病害進行處置。TFC施工主要包括以下步驟：

（1）利用森林滅火器對原路面上的雜物、灰塵進行吹除；（2）利用粘層油灑布車，灑布高粘乳化瀝青粘層油；（3）利用專用的攤鋪機械，進行TFC的拌和及攤鋪；（4）待TFC強度基本形成后，利用雙鋼輪壓力機進行靜壓。如圖6所示。

4.2 TFC使用效果

在TFC施工后，對TFC的路用性能進行持續(xù)觀測，包括構造深度指標及擺值指標，檢測結果如表3所示。

根據表3中的路用性能檢測結果，TFC路段的構造深度及擺值均明顯大于未養(yǎng)護路段，且施工后5個月，其各項指標仍然優(yōu)于未養(yǎng)護路段。

5.結論

本文基于超薄抗滑磨耗層TFC，研究了TFC各材料用量對其剝落性能的影響，確定了適宜的材料用量范圍，在此基礎上，分別測定了室內及試驗段TFC的路用性能，得到以下結論：

（1）乳化瀝青用量的增加能夠明顯降低TFC的剝落率，尤其是當乳化瀝青用量由8%增加為10%時，改善效果最顯著；

（2）水泥用量的增加同樣能夠改善TFC的抗剝落性能；

（3）為保證TFC良好的抗剝落性能，乳化瀝青用量不應低于10%，水泥用量不宜低于1%；

（4）TFC的構造深度及擺值均明顯大于常規(guī)路面，表現出了較好的路用性能。