超薄瀝青混凝土磨耗層研究綜述

劉繼法，張 振，孟 偉 ，李 勝，井 碩

（1.泰安市公路規劃設計院，山東 泰安 271000；2.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250100）

引言

超薄磨耗層技術是實施厚度在15 ～25 mm 的瀝青磨耗層鋪裝技術，能夠有效迅速修復坑槽、裂縫、松散、磨光等病害，同時具有抗滑性能強、耐久性能好、黏結強度高、行車噪聲低和封水效果好等特點。由于厚度減少，可以節約造價與維護費用，大幅度降低能源及材料的消耗，屬于環境友好型道路鋪裝技術[1]。目前普遍倡導對路面的功能性進行深化設計以及按需設計，超薄磨耗層不僅要符合結構性能設計標準，而且要求具有抗磨光、行車噪音低、抗老化等功能。

1 國內外超薄磨耗層研究現狀

20 世紀70 年代，由于交通量迅猛增長引起的道路病害問題頻繁出現，道路的養護需求逐漸加大。法國首先提出了超薄瀝青混凝土面層(BBUM)用于路面抗滑性能的提升與恢復。超薄磨耗層在經濟、效率和綠色環保等方面體現出良好的效益，發展迅速。20 世紀80 年代出現了兩種新型薄層罩面技術，超薄瀝青混凝土(Ultra Thin Asphalt Concrete，UTAC)和基于同步攤鋪技術的Nova Chip 超薄磨耗層。在重交通荷載、路面等級更高的公路路面上主要應用超薄瀝青混凝土與磨耗層[2]。20 世紀70 年代，美國研發出了一種開級配抗滑磨耗層(OPEN-Graded Friction Course，OGFC)，替代了其他路面表層養護技術。通過磨耗層技術的不斷發展，美國通過研究又開發出了SUP-5 和SMA-5 兩種更為先進的薄層技術。法國的Nova Chip 超薄磨耗層具有十分優良的抗滑性能并且降噪功能良好，空隙率一般在12%～15%之間，具有優良的排水性能。國外對于超薄磨耗層的研究注重于抗滑性能、表面功能層性能評價以及冬季路面融雪等方面，國內外的現有各種超薄磨耗層技術的實際效果沒有得到完全的驗證，沒有在國內進行大量實際應用，尚需進一步研究。

2 國內外常見超薄磨耗層技術

國內外常見的超薄磨耗層技術可從級配類型、應用場景、溫度等方面進行分類，按照級配類型可以劃分為間斷級配、開級配、連續級配。按照結構類型可劃分為骨架密實型結構、骨架空隙型結構、懸浮密實型結構。按照應用場景可以劃分為水泥路面、舊瀝青路面、橋面鋪裝三種類型，對舊瀝青路面進行養護是超薄磨耗層的主要應用場景。按照施工工藝可以劃分為熱拌超薄磨耗層、溫拌超薄磨耗層、冷拌超薄磨耗層三種類型，目前的超薄磨耗層普遍為熱拌合工藝。

2.1 SMA-10[3]

SMA-10 的各類路用性能都十分良好，在新舊路面中均可使用，在道路養護中可以快速修復路面病害，對于車轍和路面網狀裂縫具有優良的修復效果，可以應用于各類等級公路的薄層罩面，延長路面的使用壽命。

2.2 Nova Chip[4]

Nova Chip 磨耗層由具有超強黏結能力的改性乳化瀝青黏結層和高性能的間斷半開式級配改性熱瀝青混合料組成。Nova Chip 技術應用于道路路面養護時，能夠進一步改善路面的平整度和舒適性，并增強路面的使用性能和耐久性能。目前Nova Chip 產品的開發技術十分成熟，乳化瀝青Novabond 是專門為此技術研究出的黏層油，提高了層間的黏結能力，而且施工方面開發出了專門的機械設備。

2.3 GT-8[5]高韌超薄瀝青磨耗層

GT-8 是在Nova Chip 的基礎上進行了改進的薄層罩面，采用了粗骨料空隙填充設計法（Coarse Aggregate Voids Filling Method，CAVF）設計出來的一種骨架密實型級配的新型薄層罩面。相比較于其他磨耗層，GT-8 具有更加優良的抗滑性能、耐久性能、韌性以及抗疲勞性能，采用同步攤鋪技術。

2.4 ECA-10

ECA-10 采用熱混合料進行鋪筑道路磨耗層，對于路面產生的輕微非剪切失穩車轍的修復十分有效。ECA-10 的關鍵在于摻加一種改性劑，能夠達到瀝青的降黏效果，增加瀝青的流變性能，使得混合料能夠易于施工的攤鋪壓實。同時與Nova Chip 相比該技術不需要特殊的機械設備，采用常規施工設備，提高了施工的簡便程度。

2.5 對比分析

材料的部分技術指標見表1。

表 1 超薄磨耗層部分技術指標

3 超薄磨耗層用高黏瀝青

超薄磨耗層的路用性能十分依賴瀝青的黏結力，在超薄磨耗層中一般通過使用高黏改性瀝青來增加瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、耐久性等路用性能，并且能夠延長超薄磨耗層的使用壽命。高黏改性瀝青是通過基質瀝青、改性劑、增黏劑及添加劑四種原材料組成的黏彈性材料，60 ℃動力黏度達20 000 Pa·s 以上為高黏瀝青，其基礎指標見表2。

表 2 高黏瀝青基本性能指標

3.1 熱塑性彈性體類

熱塑性彈性體的性能優良，具有很好的韌性、彈性以及較高的強度，TPS、SBS、SIS 以及SEBS 等是主要的代表性產品。其中TPS 與SBS 是兩種應用最為廣泛的改性劑，TPS 加入基質瀝青中能夠顯著提升基質瀝青的黏度以及黏彈性。TPS 制備的高黏改性瀝青可以使超薄磨耗層的路用性能產生明顯的提升。SBS 是應用最為廣泛的高黏改性劑，通常與樹脂、增塑劑等成分復合制備高黏改性瀝青。SBS 具有兩相結構，分為線型SBS 與星型SBS，線型SBS 相對分子量比較低、在瀝青中的溶解性比較好、黏度小；星型SBS 分子量高、模量大，具備良好的耐高溫性能[6]。

3.2 橡膠類[7]

高黏橡膠改性瀝青通常由橡膠粉與其他改性劑進行復合制備，橡膠粉通常由廢舊輪胎制備，橡膠高黏改性瀝青的黏彈性十分優良，但是在低溫條件下對延度有不良影響，橡膠改性瀝青通常運用濕法進行制備，基質瀝青、膠粉、穩定劑和相溶劑融合在一起，通過加熱到高溫條件并通過高速剪切儀進行長時間高速剪切制備，再將制備完成的高黏改性瀝青運送到施工現場與集料拌合制備瀝青混合料。

3.3 納米類

高黏納米改性瀝青在瀝青方面展現出的強度和韌性十分優良，納米材料能夠很好地與瀝青相結合，提高瀝青的黏結力，只在基質瀝青中添加納米材料無法制備高黏瀝青，需要將納米材料與多種改性劑進行復合改性來獲得高黏瀝青。添加納米材料還可以使路面具有特殊功能，如將二氧化鈦（TiO2）加入TPS改性劑，制備出具有光催化分解汽車尾氣的路面。

3.4 纖維類

纖維對基質瀝青進行高黏改性同樣需要加入其他改性進行復合改性，單一纖維的加入并不能夠提升瀝青性能，達到磨耗層用高黏瀝青標準。纖維的加入能夠提升瀝青的附著能力、堅韌程度以及擴張力，但纖維材料由于大多數都呈現棉絮狀，在進行改性時往往易于結團導致分布不均勻，影響改性效果。

4 超薄磨耗層評價方法與級配設計

評價超薄磨耗層性能主要從路用性能、高溫性能、抗裂性能、抗滑性能及耐久性等方面進行評價[8]。

超薄磨耗層的厚度降低，導致磨耗層鋪裝的路面更加容易開裂，影響開裂的因素十分復雜，瀝青混合料的抗裂性能通常與其韌性相關度較高。一般采用低溫彎曲試驗、沖擊韌性試驗、半圓彎曲試驗和四點疲勞試驗對瀝青混合料的抗裂性能進行評價，國內磨耗層另一個重要的性能評價是其抗滑性能，磨耗層作為表面層，磨耗層的抗滑性能對于行車安全起著十分重要的作用。超薄磨耗層的抗滑性能要在設計年限內提供足夠的表面構造深度，來提高車輛與磨耗層之間的摩擦力，保證行車安全。超薄磨耗層表面和輪胎接觸時，兩者之間的摩擦力和相互作用是影響抗滑性能的關鍵因素，因此評價胎-路介面接觸的檢測方法也十分重要，國內外的檢測技術主要包括：壓力板法、壓力傳感器法、壓敏膜法等。

超薄磨耗層的級配設計，根據不同的功能進行按需設計不同的級配類型，如Nova Chip 為間斷級配，集料之間的結構強度主要依賴于粗集料之間的瀝青提供的“點對點”的膠結作用；GT-8 為骨架密實型結構，能夠通過嵌擠作用提高結構強度抵抗行車荷載，并且高用量的瀝青能夠代替一部分的細集料，增加了瀝青混合料的耐久性和抗疲勞性能；OGFC-10 為開級配，能夠為道路提供良好的透水性。

超薄磨耗層中的黏結材料起到將薄層與下承層緊密黏結的作用，黏結力是超薄磨耗層技術是否達標的一個關鍵因素。因此，黏結層材料需要具備高黏度。現在使用的黏層材料往往因黏結性能不佳，在受到軸載作用時超薄磨耗層極易產生推移或從原路面脫落而失去作用，黏層材料的黏結力不足是制約超薄磨耗層技術向前推進的一個重要因素。

5 存在問題及發展趨勢

超薄磨耗層技術能夠顯著提升路面性能，同時存在需要解決的技術問題：（1）與傳統磨耗層相比，超薄磨耗層厚度的減少使得瀝青面層更容易產生疲勞開裂、水損害、推移等問題；（2）超薄磨耗層的施工工藝與傳統施工工藝沒有較大區別，缺乏對于層間黏結的保護，層間以及產生損害的地方更容易成為病害的發生位置，是超薄磨耗層結構中的薄弱區域；（3）超薄磨耗層的級配設計主要為開級配和半開級配，大空隙更容易產生開裂，表面空隙也容易堵塞，在排水性能和降噪方面容易產生過度衰減。

超薄磨耗層技術提倡綠色環保、低碳節約，符合國家“雙減”政策，未來研究應該著重于超薄磨耗層的力學性能分析、改性瀝青的性能提升、優化級配設計等方面，保證超薄磨耗層路用性能的同時，降低磨耗層的厚度并使用綠色環保型材料，滿足一些重荷載以及特殊應用環境的使用；優化瀝青混合料的拌合工藝，降低拌合溫度，研發溫拌型超薄磨耗層，提高施工和易性，提升超薄磨耗層的生態效益，依據碳達峰、碳中和的方向進行發展。