UTAC加鋪技術在隧道水泥路面處治中的應用

陳其紅 孟繁誠 李 智

(1.廣東省高速公路有限公司粵贛分公司 河源 517000； 2.華南理工大學土木與交通學院 廣州 510641)

廣東地區隧道多采用水泥路面，受到尾氣污染及路表磨耗的影響，開放交通后水泥路面抗滑性能衰減問題十分突出，因水泥路面抗滑性能不足而引發的交通安全事故頻發，加之水泥路面平整度的不斷變差，造成行車舒適性大大降低，瀝青加鋪便成為一種有效的技術處治對策。理想的技術方案是采用相對較厚的瀝青加鋪結構以滿足抗反射裂縫的需要，但是受到隧道內凈空、施工效率、環境空氣污染等制約，工程量相對較少的薄層瀝青加鋪顯得更具合理性。

目前水泥路面薄層瀝青加鋪方案主要面臨以下技術難題：須具有良好的施工性、高溫、耐水損害性能和突出的抗滑、抗反射裂縫性能的加鋪材料設計，以及改善黏結性能的層間設計。

蘇曉龍等[1-2]采用的同步薄層罩面技術具有較好的抗滑性能、高溫穩定性和耐水損害性能；聶金元[3]在隧道內使用Novachip超薄罩面技術，說明其在橫向力系數、擺值、平整度及降噪等方面具有顯著效果。楊洋等[4-5]對 Novachip、橡膠瀝青UTAC-10及GAC-13等典型預防性養護措施進行道路使用性能的綜合評價。張輝等[6]開發了一種復合式冷拌樹脂碎石超薄罩面技術,建立了使用性能評估方法，提出了預防性養護最佳時機。上述研究大都是針對薄層罩面技術的應用范圍和材料路用性能評價等角度開展的，但針對材料的抗滑級配設計和抗反射裂縫的問題并未給予充分重視，針對層間黏結問題研究也比較簡單。

基于此，本文針對薄層加鋪瀝青材料的抗反射裂縫和抗滑性能需求，采用斷級配設計理念，探索合理的級配設計方法，設計路表構造更豐富、連通性更好的抗滑級配；其次，嘗試采用高性能SBS改性瀝青，改善加鋪材料的抗反射裂縫性能；同時，進一步改進碎石封層技術，以獲得更好的層間黏結和抗反射裂縫能力。

1 UTAC加鋪技術

薄層瀝青混合料(ultra thin asphalt concrete，UTAC)是一種采用普通施工設備攤鋪碾壓、可實現20～30 mm結構厚度并適用于路基、隧道和普通混凝土橋梁等路段路面的加鋪技術，層間黏結一般采用乳化瀝青黏層或碎石封層技術，示意圖見圖1。該加鋪材料借鑒了SMA、NovaChip和法國BBTM的技術優勢，是一種具有良好的施工特性和路用性能的密實骨架型瀝青混合料。為追求密水性，以往一般采用5～10 mm(或5～8 mm)、3～5 mm和0～3 mm機制砂等規格料。因其公稱粒徑相對較小，粗集料比例相對較大(近乎單一粒徑)，施工均勻性較好。

圖1 UTAC薄層瀝青罩面結構示意圖

當前，由于該類材料多采用馬歇爾混合料設計方法，其級配設計多利用經驗的上、下限法，導致其級配設計的系統較差，各混合料抗滑等路用性能差異性較大，效果常常不盡如人意，致使該技術及材料大多只是用于改善舊瀝青路面平整度等需求，在隧道薄層加鋪工程方面的應用相對較少。

2 加鋪材料功能設計

2.1 抗滑級配設計

為了適應抗滑性能及其耐久性設計要求，應首先確定合適的級配設計方法。王子碩[7]采用離散元方法，對比分析了2.36～4.75 mm顆粒無間斷、半間斷及全間斷的路面輪廓構造平均偏差深度(QLPS)及骨架構造。結果表明，隨著間斷程度的增加，4.75～9.5 mm顆粒增多，骨架構造增強，同時QLPS增大，表明構造凸凹程度也得到增強。基于工業CT掃描技術的瀝青混合料細觀結構顆粒空間分布特性分析結果[8]，完全間斷4.75 mm顆粒為骨架密實型瀝青混合料提供的抗滑構造效果最佳, 完全間斷2.36 mm顆粒次之, 而部分間斷4.75 mm顆粒的效果相對最差。綜合考慮施工、耐水損壞等技術需求，間斷2.36 mm顆粒對于UTAC材料更為理想，基于此，可不采用3～5 mm規格料。

另一方面，考慮到路表抗滑顆粒與輪胎作用之間的接觸特性，以及瀝青混合料內部的高溫抗變形能力，開展UTAC級配的嵌擠骨架設計十分必要。基于主骨料空隙填充法(course aggregate void rilling method，CAVF)可以實現骨架級配設計及按體積設計瀝青混合料。配合比計算公式見式(1)、式(2)。

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc、qf、qp、qa為粗集料、細集料、礦粉、瀝青用量的質量分數，%；VCADRC為主骨架的緊裝間隙率，%；VVs為瀝青混合料設計目標空隙率，%；γs為粗骨料緊裝相對密度，γf、γp分別為細料、礦粉的表觀相對密度，γa為瀝青的相對密度。

1) 基于CAVF法開展了UTAC-10的級配設計，擬定UTAC-10的目標空隙率VVs為4.5%，粉膠比為1.3，結合經驗初選油石比為6.0%，則可以初步確定礦粉用量為7.8%。根據UTAC級配大都采用4.75 mm顆粒的特點，采用單一4.75 mm顆粒按照規范方法測定VCADRC，再根據式(1)、式(2)計算得到粗集料質量分數qc=73.8%，細集料質量分數qf=18.4%。

2) 基于上述斷級配設計理念與分析，確定間斷(不用)3～5 mm的規格料，只采用5～10 mm和0～3 mm的2檔規格料，合成級配見表1，其中2.36 mm篩孔的分計篩余僅為9.1%。進一步開展了馬歇爾試驗，確定油石比為qa=5.8%，混合料體積特性見表2。

表1 級配設計結果

表2 混合料馬歇爾試驗結果

3) 利用車轍板試件，采用鋪砂試驗和擺式儀試驗，開展抗滑性能評價試驗，結果見表3。與廣東省常見的GAC-16C進行比較，結果表明UTAC具有相對更好的抗滑性能。

表3 抗滑性能試驗

2.2 抗反射裂縫性能設計

對于隧道內水泥路面加鋪瀝青工程，加鋪層在行車荷載作用下會產生彎曲和剪切作用，經過長期反復作用后將導致加鋪結構開裂，最后逐漸擴展形成反射裂縫。由于快速行進的車輪荷載在裂縫附近的作用時間很短，作用力較大，形成了明顯的沖擊荷載作用效果。為此，在材料設計階段，可以模擬沖擊荷載對加鋪層瀝青混合料的力學性能進行評價與分析。

測定試件在沖擊荷載作用下斷裂的荷載變形曲線，該曲線與X軸的面積所代表的物理意義則是材料發生斷裂所需要的能量。沖擊荷載作用下，荷載變形曲線所包圍的面積稱為沖擊韌性，沖擊韌性值越大，表明材料抵抗反射裂縫的能力越強。研究指出[9]，瀝青層模量對半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應力強度因子影響程度最大，增大瀝青層模量將顯著增加裂縫尖端應力強度。基于此，可從級配和瀝青材料的角度對于UTAC的抗反射裂縫性能進行優化設計。

1) 實現更大的瀝青用量。采用CAVF法設計的級配，不僅骨架特征更加突出，而且相比于普通AC類混合料，VMA顯著提高，較好地實現了提高瀝青用量的目的(油石比5.8%)。

2) 采用高品質改性瀝青。采用高溫等級為PG82的高模量SBS改性瀝青作為結合料，相比于普通改性(PG70、PG76等)改性瀝青而言，對于抑制反射裂縫的產生具有更加優異的效果。

3) 為了評價UTAC抵抗反射裂縫的能力，通過切割車轍板制成25 cm×3 cm×3.5 cm的小梁進行三點彎曲試驗，獲得荷載-跨中撓度曲線，計算材料的沖擊韌性，結果見表4。

表4 沖擊韌性試驗

由表4可見，對比品質相同的SBS改性瀝青， SMA的沖擊韌性明顯高于FAC、GAC瀝青混合料，而PG82 SBS改性瀝青UTAC的沖擊韌性結果與SMA非常接近，說明采用PG82 SBS改性瀝青，以及稍高瀝青用量更有利于提高瀝青混合料的抗反射裂縫能力。綜上，采用密實骨架型級配設計的UTAC，同時采用高品質改性瀝青并提高瀝青用量，可以獲得較理想的抗反射裂縫性能。同時注意到，采用纖維可以提高瀝青混合料的抗反射裂縫能力，提高集料裹附瀝青的能力，顯然也能夠使加鋪層混合料與舊瀝青路面之間獲得更好的層間黏結力。

2.3 層間黏結設計

舊的水泥混凝土路面與新的瀝青混凝土罩面是2種剛度不同的材料，部分隧道存在近3%的縱坡，因此界面之間需要設計更大的水平剪應力以保證層間黏結。另一方面，水泥板與瀝青加鋪層之間也需要具有更好性能的應力吸收層，以抵抗放射裂縫破壞。

為此，在碎石封層的基礎上進行2項技術改進設計：①加入纖維，目的是使纖維形成網狀結構裹附更多的黏層瀝青，更有效地鎖住封層集料，使其不易脫落，以此提高封層的結構強度；②采用PG94的高模量改性瀝青作用封層的黏結料，形成一個5～10 mm的具有更大黏結力與模量的應力吸收黏結層，從而更柔和地將豎向應力荷載分散到加鋪層的結構層，減小行車荷載對面層的裂縫破壞。

為了評價UTAC與該應力吸收碎石封層的層間黏結性能，采用25 ℃的拉拔試驗對3 cm UTAC+1 cm厚纖維碎石封層+水泥路面的結構進行評價。碎石封層熱改性瀝青灑布量為2.2 L/m2，纖維撒布量為120 g/m2，碎石撒布量為6.5 kg/m2。實測UTAC的拉拔強度平均值為0.9 MPa(一般熱改性瀝青碎石封層的結果為0.3～0.6 MPa)，最大值可達1.2 MPa，效果優于采用SBS改性乳化瀝青作為黏結層的Nova Chip[10]。

3 工程應用

粵贛高速公路瀝青路面自2005年12月28日建成通車以來，運營狀況良好，但在交通荷載、環境等因素的共同作用下，部分路段路面出現了裂縫、唧漿和坑槽等不同程度的病害，路面平整度較差，影響了行車的安全。2018年底，經論證與設計，實施了對舊路面采用拋丸噴砂、清理鑿毛后，在隧道內路面采用熱熔復合改性瀝青(PG94)纖維增強碎石下封層，再加鋪一層UTAC-10改性瀝青混凝土的罩面處治技術方案。其中，依據JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》中對混合料壓實厚度不宜小于公稱最大粒徑的2～2.5倍的規定，結合隧道路面對凈空的要求，確定得到薄層罩面厚度為3 cm。材料設計的技術參數詳見前述研究結果，開放交通以來，路面抗滑性能和平整度得到了提高，路面質量均勻、美觀，整體效果見圖2、圖3。

圖2 隧道入口處攤鋪效果

圖3 工后路面效果

對通車后UTAC路面進行為期1.5年的跟蹤觀測，路表無反射裂縫等病害，構造深度、擺值及橫向力系數觀測結果見表5。

表5 UTAC路面跟蹤評價

由表5可見，在通車后，構造深度、擺值及橫向力系數一直維持在較高水平。工后初始值不僅滿足《公路瀝青路面養護技術規范》中擺值≥45、橫向力系數≥54、構造深度≥0.6 mm的要求；且通車1.5年之后，構造深度、擺值及橫向力系數仍遠大于規范要求的水平。工程應用表明，UTAC路面路用性能優良，抗滑性能較好。

4 結語

1) 采用間斷級配設計理念，利用CAVF法設計了UTAC級配，間斷3～5 mm規格料，獲得了良好的抗滑構造，同時實現了更大礦料間隙率和瀝青用量的設計。

2) 利用沖擊韌性試驗評價罩面瀝青混合料的抗反射裂縫能力，采用高性能的PG82 SBS改性瀝青并提高瀝青用量，改善罩面材料的抗反射裂縫性能。試驗結果顯示效果顯著。

3) 在普通碎石封層的基礎上，設計并采用了PG94改性瀝青纖維碎石封層，增強加鋪層與舊水泥路面層間的黏結能力及抗反射裂縫能力。試驗結果顯示，平均拉拔強度可達0.9 MPa。

4) 工程顯示，3 cm厚UTAC+1 cm厚高模量瀝青纖維碎石封層作為隧道水泥路面罩面工程的技術方案，施工與應用效果理想，可為類似工程提供借鑒。