最大粒徑不同的ARC超韌磨耗層性能對比研究

曹小燕，麥榮章，許湛成

(1.梧州高速公路運營有限公司，廣西 梧州 543000；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530009)

0 引言

隨著道路服役時間的增加，許多建成道路在服役期內逐漸出現耐久性降低、抗滑性能衰減、行車噪音增大等問題。在道路性能衰減期間適時地引入養護處治，可以極大地改善道路的行駛質量，同時有效緩解道路耐久性下降問題[1]。超薄磨耗層在延緩路面的性能衰減速率、有效延長路面的使用壽命方面有一定的效用[2-3]。同時，薄層罩面較薄的鋪筑厚度極大地節省了不可再生的礦料資源，是目前公路養護工程中較好的處治工藝[4-5]。

ARC超韌磨耗層是超薄磨耗層的一種，其采用高彈高韌的復合改性瀝青作為瀝青膠結材料，良好的彈性和黏性很好地抑制了原路面裂縫的反射開裂[6]。同時，高彈高韌改性瀝青可以增大瀝青膜厚度，有效改善薄層罩面的脫落和耐久問題[7]。

本文針對ARC-5和ARC-8兩種最大粒徑不同的超韌磨耗層混合料，進行了配合比設計，在此基礎上，開展了包括室內性能試驗和路用性能試驗的對比研究，并依托包茂高速公路預養護工程進行了超韌磨耗層的鋪設，比較最大粒徑不同的ARC超韌磨耗層性能的差異情況。

1 原材料

1.1 集料

選用同一石場的輝綠巖作為ARC-5和ARC-8兩種混合料使用的粗集料和細集料，其中，粗集料性能指標見表1。

表1 粗集料性能指標表

1.2 瀝青

選用的高黏高韌瀝青均產自同一批次，瀝青的具體性能指標見表2。

表2 高黏瀝青技術指標表

1.3 填料

選用的填料為礦粉，均產自同一產家，其具體的性能指標如下頁表3所示。

表3 礦粉質量技術指標表

2 配合比設計

2.1 設計級配

根據規范的要求，本文針對ARC-5和ARC-8進行了級配設計。混合料具體的級配如表4所示。

表4 ARC超韌磨耗層設計級配表

2.2 最佳油石比

依據《公路瀝青路面施工技術規范》[8]試驗流程對ARC超韌磨耗層材料進行馬歇爾試驗，確定ARC-5和ARC-8的最佳油石比。具體的最佳油石比和馬歇爾試驗各項指標見表5。

表5 ARC超韌磨耗層瀝青混合料技術指標表

由表5可知，ARC-5的最佳油石比只比ARC-8高0.1%，二者差距不大，并且二者的穩定度、空隙率、間隙率、飽和率指標的差距也不大。這說明隨著ARC混合料最大粒徑的增大，混合料的最佳油石比變化不大，最大粒徑的改變不會導致瀝青用量的變化。同時，瀝青ARC-8馬歇爾試件的流值較ARC-5小，說明ARC-5抵御變形的能力較弱。最大粒徑的增大使得混合料內部的嵌擠結構更加牢固，增加了混合料的抗變形能力，同時也提高了混合料的穩定度。

3 混合料性能研究

3.1 室內試驗性能比對

為了較全面地比對ARC-5和ARC-8混合料的室內試驗性能，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9]，采用前文確定的設計級配，按各自最佳油石比成型試件，分別對ARC-5和ARC-8成型試件進行了飛散試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗、殘留穩定度試驗和高溫車轍試驗。

3.1.1 高溫穩定性

從表6～7的數據可以看出，ARC-8的殘留穩定度和動穩定度較ARC-5好，反映了ARC-8自身抵抗高溫作用下混合料性能衰減的能力更強。同時，ARC-8的穩定度較ARC-5的更高，具有更好的力學性能。但是ARC-8的60 min變形量較ARC-5的偏大，說明在高溫環境下ARC-8混合料的變形量會更大。

表6 馬歇爾試驗技術指標表

表7 60 ℃車轍試驗技術指標表

通過試驗，說明最大粒徑的改變在一定程度上使得ARC混合料級配嵌擠得到提升，總體混合料的結構穩定性得到了提升，所以ARC-8的高溫性能衰減會比ARC-5慢，同時其單值的穩定度也較高。但是其高溫環境下的變形量也因為存在較大的顆粒而稍微變大，具體表現為車轍試驗中變形量的增加。

3.1.2 低溫抗裂性能

從表8～9數據可以看出，ARC-8的低溫彎曲最大彎拉應變、抗彎拉強度、彎曲勁度模量均比ARC-5高，說明在單一的低溫環境下，ARC-8的低溫抗裂性能比ARC-5的好。但是，對比凍融劈裂殘留強度比可以發現，ARC-5的殘留強度比較ARC-8的略高，說明ARC-8持續抵抗低溫水毀、保持混合料低溫水穩定性能的效果較差。粒徑的增大在一定程度上提高了抗低溫性能的閾值，但是同時也降低了抗低溫水毀穩定性。

表8 凍融劈裂實驗技術指標表

表9 低溫彎曲試驗技術指標表

3.1.3 肯塔堡飛散試驗

從表10數據可以看出，高黏高韌瀝青的加入，使得ARC-8和ARC-5的飛散損失均維持在較低的水平，較大的粒徑基本沒有影響混合料的飛散性能，也從側面印證了ARC高韌磨耗層中改性瀝青對混合料的粘結性能提升作用較大，ARC混合料內部粘聚力大多來自于高黏高韌瀝青。

表10 肯塔堡飛散試驗技術指標表

3.2 試驗段室外性能指標對比

本文依托2021年實施的包茂高速公路預養護工程，進行了ARC-5和ARC-8試驗段的鋪設，ARC-5的鋪設厚度為1.2 cm，ARC-8的鋪設厚度為1.5 cm。為了降低其他方面的影響因素，ARC-5和ARC-8選取的試驗段為鄰近路段，且原路面基本狀況一致。試驗段層間粘結均采用一樣的施工方法，以降低對罩面的影響[10]。本文針對試驗段進行了抗滑、平整度、構造深度等性能指標的對比分析。

3.2.1 抗滑性能

采用路面橫向力系數測量車對試驗路段進行了抗滑性能方面的數據檢測，橫向力系數車輛按連續數據采集的方式，每20 m采集一次數據。采集車道為試驗段外車道。表11為抗滑性能檢測情況。

表11 試驗段SFC數據檢測結果匯總表

以相鄰的SFC數據差值為Y坐標，樁號為X坐標，分析試驗路段抗滑值的局部離析情況，以評價路段抗滑性(見圖1～2)。

圖1 ARC-5相鄰SFC差值分布曲線圖

圖2 ARC-8相鄰SFC差值分布曲線圖

通過圖1～2和表12可以看出，ARC-5和ARC-8的橫向力系數均值相差不大，且其變異系數、標準差差距也很小，說明ARC-5和ARC-8試驗段路面的抗滑性能相差較小，進一步表明了ARC超韌磨耗層中最大粒徑的增大不會導致混合料抗滑性能的顯著變化。同時，通過統計相鄰SFC差值分布發現，ARC-5的相鄰SFC差值絕對值均值為1.24，ARC-8的為1.06，二者相差較小，表明ARC-5和ARC-8的抗滑平順性相差不大。ARC超韌磨耗層中最大粒徑的增加和路面鋪筑厚度的提高不會改善路面抗滑性。

表12 試驗段構造深度檢測結果匯總表

對比表12的構造深度可以發現，最大粒徑的增大使得路面的表面構造深度有所上升，主要原因是最大粒徑增大了混合料表面開孔空隙，從而提高了其構造深度。從試驗數據分析，ARC混合料的構造深度和橫向力系數相關性較小。

3.2.2 平整度

本文采用“多功能路況快速檢測系統”對試驗段進行平整度的連續性檢測，收集試驗段的平整度數據。因平整度檢測受作業面的影響較大，所以需先對試驗段原始的平整度進行檢測，對比加鋪前后新舊路面平整度的差異，以分析ARC超韌磨耗層對路面平整度的影響。表13為檢測結果。

表13 試驗段平整度檢測結果匯總表

以相鄰樁號平整度數據差值為Y坐標，樁號為X坐標，分析試驗路段平整度的局部離析情況，以評價試驗路段平整度(見下頁圖3～4)。

為排除原路面平整度影響因素的干擾，本文采用IRI前后提升數值來對ARC超韌磨耗層的平整度效果進行評價。從IRI提升值來看，ARC-8的IRI提升值比ARC-5的IRI提升值更高，說明ARC-8的平整度提升效果整體比ARC-5好。同時，通過圖3～4可以分析得出，ARC-8處治前相鄰IRI差的均值為0.012，處治后為0.004；同時ARC-5處治前相鄰IRI差的均值為0.004，處治后為0.002。對比處治前和處治后的值，可以得出ARC-8和ARC-5均有效地改善了路面的平整度，處治前相鄰路面的IRI差值較高，說明路面的平整度較差，處治后的ARC路面IRI差值均較低，說明路面的平整度較好，即ARC超韌磨耗層的鋪筑有效地增加了路面平整度，提高了路面行駛的舒適性。同時，橫向對比ARC-5和ARC-8對平整度的提高幅度可以發現，ARC-8對路面平整度的修復效果更好，對于改善路面平整度更加有效。

圖3 ARC-8相鄰IRI差值分布曲線圖

圖4 ARC-5相鄰IRI差值分布曲線圖

根據試驗結果分析，增加ARC超韌磨耗層的最大粒徑，路面的鋪筑厚度會相應增加，路面鋪筑厚度的增加會相應地提高平整度的修復范圍；同時，鋪筑厚度的增加也提高了路面攤鋪時的容錯率，提高了路面的平整度。因此ARC-8平整度修復的總體情況較ARC-5要好。

4 結語

本文以包茂高速公路預養護工程為依托，通過室內試驗和試驗段鋪筑兩個方面對ARC-8和ARC-5超韌磨耗層的各項性能指標進行對比分析，研究表明：

(1)ARC超韌磨耗層最大粒徑的增大并不會使得混合料的最佳油石比發生明顯的變化。同時，由于最大粒徑的增大，瀝青飽和度下降，材料本身的嵌擠結構有所加強，其穩定度會上升，同時流值呈稍微下降的趨勢。

(2)隨著ARC超韌磨耗層材料最大粒徑的增大，其高溫穩定性得到一定的提高，且高溫下力學性能指標也隨之提高。但是隨著最大粒徑的增大，ARC-8的高溫車轍變形量較ARC-5要高。

(3)隨著粒徑的增大，ARC混合料的低溫力學性能明顯提高，模量和抗彎拉強度以及應變等均有提升。但是隨著粒徑的增大，ARC-8的低溫抗水毀的性能較ARC-5有略微的下降。

(4)隨著ARC混合料最大粒徑的增大，路面構造深度會相應提升，但最大粒徑的增大和鋪筑厚度的增加不能有效地提高路面的橫向力系數。

(5)最大粒徑的增大和鋪筑厚度的增加會使得ARC超韌磨耗層的平整度得到改善，同時，較大的鋪筑厚度可以有效地改善路面的平整度，有效地降低平整度不均勻的情況。對于需要進行修復平整度的養護路段，可以適當地增加ARC混合料的粒徑以增加路面厚度，達到修復平整度的效果。