探討某高速公路超薄磨耗層配比設計及抗滑性能

彭宇文

(湖南高速華達工程有限公司，湖南 長沙)

引言

近年來，交通壓力日益增大，使得我國部分運營中的高速公路產生了不同形式的路面破壞，其抗滑性能產生大幅度下降，嚴重威脅行車安全。高速公路運營過程中導致其抗滑能力下降的因素眾多，但起決定性作用的指標主要有兩種，即：橫向摩擦系數和路面構造深度。目前，針對濕熱條件下超薄磨耗層瀝青混凝土抗滑性能影響因素的研究成果數不勝數，但大多數是在室內試驗基礎上進行的，未考慮溫度、濕度等環境因素的影響，研究結果缺乏合理性。為此，本文結合實際工程案例，對濕熱環境下高速公路超薄磨耗層配合比設計及抗滑性能展開研究。

1 工程概況

某高速公路工程地處我國西南地區，屬亞熱帶氣候，設計里程37.45 km，采用雙向四車道布置，設計速度100 Km/h，局部路段速度為120 Km/h。該高速公路所在地區常年濕熱多雨，道路受溫度、濕度影響較大。

2 增設超薄磨耗層的作用

超薄瀝青磨耗層主要是在不改變道路承載性能的基礎上，對存在質量缺陷的路面實施修復的特殊施工方式。通過超薄磨耗層瀝青罩面能有效提高路面平整度，改善道路路用性能，保證車輛運行穩定性，降低安全風險，是性能優良的路面維護技術。

（1） 超薄瀝青磨耗層主要是將間斷級配瀝青混合料與乳化瀝青拌合、攤鋪形成的道路面層，其厚度較薄，一般不超過3 cm，抗滑效果顯著。與微表處、石屑封層等技術相比，其強度較高、耐磨性好、抗滑降噪性能優良。

（2） 超薄瀝青磨耗層不僅技術簡便、效率高，且成型能立即通車，可最大限度降低對交通的影響；同時能有效提升道路平整度，增強路面防排水性能。

（3） 超薄磨耗層集料級配良好，空隙率大，具有較好的消聲降噪效果，許多國家將其作為降噪面層。結合有關研究成果，針對路面輕微裂縫、車轍、抗滑能力較低的質量缺陷，采用超薄磨耗層技術效果顯著。目前，該技術在我國北方部分高速公路已得到成功應用，但在南方濕熱地區應用較少。

3 原材料

超薄磨耗層位于道路結構最表層，直接受車輪與空氣作用，且成型后厚度較薄，混合料內部粗集料占比較大，通過相互嵌鎖形成骨架空隙結構。因此超薄磨耗層路用性能明顯優于其他面層，同時對原材料的要求更高。

3.1 瀝青

本工程采用SBS（1-C 級）瀝青進行超薄磨耗層施工，其相關技術指標檢測數據見表1。

表1 SBS 改性瀝青技術指標檢測結果

3.2 集料

超薄磨耗層粗集料為性能優良的英安巖，其體積密度為2.8～3.3 g/cm3，具有較強的抗壓縮性能，最大壓縮強度達300 MPa，相對密度遠遠高于石灰巖、花崗巖等材料，在公路工程、鐵路工程以及飛機航道建設中應用廣泛，具有強度高、耐磨性好、壓碎值小、瀝青粘附性好等特點。超薄磨耗層施工時，其瀝青拌合料性能與集料性能密切相關，直接決定道路路用性能，因此在進行混合料拌制時，應尤為重視集料質量。本工程采用的集料完全符合規范要求，粗集料為粒徑5～10 mm的英安巖碎石。

超薄磨耗層瀝青混合料為骨架空隙結構，其內部細集料含量較少，但對其性能影響卻十分顯著。因此，應加強細集料質量控制。細集料選擇碎石屑或機制砂，質地潔凈、干燥，粒徑滿足規范要求，且與瀝青之間具有優良粘附性能。由于我國石灰巖分布較多，性質穩定，開采方便。因此本工程細集料采用粒徑為0～5 mm石灰巖機制砂。

3.3 礦粉

礦粉作為超薄磨耗層瀝青混合料中不可或缺的關鍵成分，具有增強粗集料之間粘結力的作用。礦粉作用機理主要表現在可與瀝青形成吸附作用，且具有較大的比表面積，與瀝青充分融合后，有效降低其潤滑性能，增大摩阻力。本工程采用石灰巖礦粉，經技術指標檢測，其表觀密度為2.754 g/cm3，高于標準值2.5 g/cm3，符合要求。

3.4 原材料試驗環境

開展原材料性能試驗，其外部環境條件完全按照南方地區濕熱條件執行，其溫度保持在20～30 ℃范圍內，濕度保持在40%～60%范圍內。

4 濕熱環境下超薄磨耗層配比設計及性能分析

4.1 礦料級配組成要求

本工程采用細粒式瀝青混凝土AC-8，其礦料級配見表2。

表2 細粒式瀝青混凝土AC-8 的礦料級配

4.2 礦料級配合成計算

采用水洗法進行瀝青混凝土礦料級配篩分試驗，從而測得礦料級配大小；結合實際情況，本工程級配大小為粗集料:細集料:礦粉＝61:30:9。其具體級配變化趨勢見圖1。

圖1 細粒式瀝青混凝土AC-8 的礦料級配曲線

4.3 馬歇爾試驗

采用馬歇爾試驗對細粒式瀝青混凝土AC-8 進行檢測，其檢測結果見表3、圖2～圖5。通過圖2～圖5 能夠看出，在最佳油石比條件下，AC-8 混合料空隙率為6%。通過差分法，對該條件下油石比進行計算，求得結果為6.35%。據此判定最佳油石比為6.35%。

表3 細粒式瀝青混凝土AC-8 馬歇爾試驗結果

圖2 油石比與毛體積密度的關系

圖3 油石比與礦料間隙的關系

圖4 油石比與瀝青飽和度的關系

圖5 油石比與空隙率的關系

4.4 路用性能試驗

通過車轍試件及凍融劈裂試驗對油石比為6.35%AC-8 瀝青混合料實施路用性能試驗[1]，其檢測數據見表4、表5。通過表4、表5 能夠看出，AC-8 瀝青混合料各種性能指標均符合規范要求，粗集料采用5～10 mm 的英安巖級配碎石，細集料、礦粉均采用0～5 mm 機制砂，其配比為粗集料:細集料:礦粉＝61:30:9。

表4 細粒式瀝青混凝土AC-8 車轍試驗結果

表5 細粒式瀝青混凝土AC-8 凍融劈裂試驗結果

5 濕熱環境下超薄磨耗層抗滑性能分析

5.1 溫度和濕度對抗滑性能的影響

試驗以溫度、濕度為控制變量，分別設定6 種溫、濕度條件，并根據各種溫濕度條件進行試塊養護，以有效檢測出AC-8 瀝青構造深度。按照單一變量4 塊，共需試塊48 個。通過試驗結果分析可知:（1） 溫度、濕度任意一個變量發生變化，均會導致試件構造深度發生改變。（2） 當濕度條件相同時，構造深度與溫度呈負相關關系，即溫度越高，構造深度越小。（3） 當溫度條件相同時，構造深度與濕度呈正相關關系，即濕度越大、構造深度越大，當濕度達到一定程度后，其深度變化逐步趨于穩定。數據顯示，當濕度為0 或超過81%時，試件構造深度均未超出0.05，表明濕度對構造深度影響程度較小。件3 個，實施馬歇爾標準擊實試驗，測定其構造深度變化情況。通過輪碾試驗，將其作用部位混合料切割成矩形，并對其構造深度實施測量，比較試驗前后構造深度變化情況。通過下式（1）求得各油石比深度殘留率。具體結果見表6。

由表6 能夠看出，油石比越大，試件構造深度殘留率越小。同時相關研究表明，瀝青混合料油石比越大，超薄瀝青磨耗層抗滑性能愈加顯著，因此實際工程施工時必須對油石比實施科學把控。通過本工程相關試驗，確定最佳油石比為6.35%，其應用效果顯著。

表6 AC-8 混合料油石化- 構造深度試驗結果

5.3 提高瀝青路面抗滑性能的措施

結合本工程實際情況，建議從以下三個方面提升瀝青路面抗滑性能。

（1） 結合現場實際情況，對油石比進行科學調整，工程實踐表明，在保證道路抗滑性能滿足使用需求的前提下，可適當降低油石比。

（2） 科學選擇瀝青材料。結合試驗數據，采用I-D級改性瀝青制備磨耗層。

（3） 增大粘附性。瀝青路面經行車荷載反復作用，

5.2 油石比對抗滑性能的影響

當溫度、濕度較高時，瀝青混凝土面層油石比會發生顯著變化，降低面層構造深度[2]。

根據油石比不同分別制作檢測試件，各油石比條件下制作試車輪作用位置瀝青含量顯著增大，降低路面抗滑性能。因此，需科學調整瀝青與集料間的粘附性[3]。

6 結論

綜上所述，本文結合實際工程案例，對高速公路超薄磨耗層配合比設計及抗滑性能展開綜合探究，通過具體工程試驗確定了濕熱環境條件下超薄磨耗層配比，其粗集料采用5～10 mm的英安巖級配碎石，細集料和礦粉均采用0～5 mm 機制砂，其配比為粗集料:細集料:礦粉＝61:30:9，油石比為6.35%。

（1） 瀝青混合料構造深度與外部溫度、濕度密切相關。當濕度條件相同時，構造深度與溫度呈負相關關系，即溫度越高，構造深度越小。當溫度條件相同時，構造深度與濕度呈正相關關系，即濕度越大、構造深度越大。

（2） 油石比與試件構造深度殘留率呈負相關關系，油石比越大，其殘留率越小。因此實際工程應用中必須對油石比實施科學把控。

（3） 當溫度、濕度較高時，瀝青混凝土面層油石比會發生顯著變化，降低面層構造深度。因此，可從優化油石比、選用高質量瀝青及增大集料粘附性三方面入手，全面提高超薄磨耗層抗滑性能。