超粘磨耗層在高速公路預防性養護中的應用

黃競金

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

常規微表處養護技術在實際應用中存在著與原路面粘結效果較差、粒料易脫落、行駛噪音大、抗滑性能衰減快、耐久性差等問題[1]。基于此背景,綜合了微表處及超粘磨耗層兩種特點的超粘磨耗層預防性養護技術應運而生。從技術特點來看,超粘磨耗層在粘附性、耐久性、防水性、抗裂能力等方面實現了較為顯著的提升,能夠解決常規微表處存在的應用問題,有效延長路面服役壽命[2-3]。

目前針對超粘磨耗層的研究主要聚焦在其施工應用效果方面,如廖江林[4]對超粘磨耗層進行長期跟蹤檢測發現,修復路段在通車行駛8～10個月后仍處于良好的道路使用性能。黃文通等[5]對施工完成的超粘磨耗層進行現場拉拔、扭剪等試驗,證明超粘磨耗層具備良好的路用性能。雖然針對超粘磨耗層已經開展了一定程度的工程應用,但仍處于初級推廣應用階段,從業人員對其應用流程及施工效果普遍還不熟悉。為進一步強化超粘磨耗層的應用推廣,本文依托廣西某高速公路預防性養護施工項目,對其在預防性養護施工中的應用進行綜合分析,為超粘磨耗層在高速公路預防性養護中的推廣應用提供參考依據。

1 工程概況

廣西某高速公路于2015年建成通車,設計為雙向四車道,設計時速為120 km/h,路基寬度為26 m,路面為瀝青混凝土路面。由于日益增長的交通量,在運營數年后雖然道路整體結構良好,但路表面出現了路面集料輕微松散脫粒、瀝青膜剝落、路面輕微網裂等病害。為盡可能減少維修養護成本,有效提升路面的服役壽命,該高速公路運營管理方決定采用預防性養護技術對道路進行修復。原路面路況檢測結果如表1所示。

表1 原路況檢測結果表

從表1的檢測結果來看,路面整體抗滑構造衰減較大,擺值與構造深度均已超出規范使用要求,同時滲水系數及平整度也接近規范上限值。結合外部整體觀察,路面整體路況沒出現大的破壞病害,整體路況具備實施超粘磨耗層的基礎。同時,考慮到超粘磨耗層路用性能較好,且其攤鋪厚度較薄(成型厚度普遍為1.1～1.3 cm),采用該技術進行預防性養護修復不需要對原路面進行銑刨,可以避免因攤鋪厚度過大而產生附屬設施改造的費用。綜合考慮,高速公路運營管理方決定于2019年對該路段實施超粘磨耗層進行預防性養護修復。

2 原材料

2.1 改性乳化瀝青

超粘磨耗層采用的是慢凝快裂型乳化瀝青,其質量是決定瀝青混合料性能優劣的關鍵。該改性乳化瀝青的主要性能檢測指標如表2所示。

表2 改性乳化瀝青檢測結果表

2.2 集料

集料采用輝綠巖,粒徑規格主要包括0～3 mm、3～5 mm以及5～10 mm三檔,其主要性能檢測指標如表3所示。

表3 粗、細集料性能指標檢測結果表

2.3 填料及拌和用水

填料選用復合硅酸鹽水泥PC.42.5,拌和用水為常規自來水。

3 超粘磨耗層配合比設計

超粘磨耗層的配合比設計與常規AC型瀝青混合料設計存在明顯差異,所引用的相關試驗指標也不同,具體設計流程如圖1所示。

3.1 礦料級配設計

超粘磨耗層的礦料級配設計是參照微表處的礦料級配為基礎進行設計的。微表處在規范中主要分為MS-2和MS-3兩種級配類型,而高速公路主要涉及的是MS-3型,因此超粘磨耗層主要是在MS-3型級配基礎上進行礦料級配設計,具體結果如圖2所示。

圖2 超粘磨耗層礦料級配設計范圍曲線圖

3.2 最佳油石比的確定

瀝青混合料的油石比是質量控制的關鍵指標之一,過大的油石比不僅不利于經濟成本,同時容易導致路面出現泛油病害,而油石比過低則會使瀝青與集料間缺乏足夠粘結,容易導致路用性能降低。項目參考同類型施工經驗,以0.3%為增長間隔,在6.2%～7.4%的油石比范圍內選取五種油石比制備瀝青混合料,對制備的瀝青混合料分別進行1 h濕輪磨耗試驗、負荷輪粘砂試驗以及輪轍變形試驗。試驗結果如圖3所示。

圖3 不同油石比下1 h濕輪磨耗試驗及負荷輪粘附砂量試驗結果曲線圖

超粘磨耗層稀漿混合料的油石比上下限值分別是由負荷輪粘附砂量值及1 h濕輪磨耗值綜合確定的。如圖3所示,從變化趨勢來看,伴隨著油石比的不斷增加,稀漿混合料的負荷輪粘附砂量值不斷增大,而1 h濕輪磨耗損失值會逐漸減小,這主要是因為油石比增大使得瀝青用量增多,集料間的粘結性得到強化。從數據分析,1 h濕輪磨耗損失值的規范上限值為540 g/m2,以此為目標值對曲線進行擬合求解,推算出油石比>6.5%時可滿足規范要求。負荷輪粘附砂量值規定的上限為450 g/m2,采用同樣擬合確定的方法可推算油石比<7.2%時可滿足規范要求。

圖4 不同油石比下輪轍寬度變形試驗結果曲線圖

輪轍寬度變形率反映了瀝青混合料抵抗車轍破壞變形的能力,規范中規定稀漿混合料的輪轍寬度變形率應≤5%。如圖4所示,不同油石比下的輪轍寬度變形率均滿足規范要求,這說明各油石比條件下的瀝青混合料均具備良好的抗車轍變形能力。從輪轍寬度變形率的變化趨勢來看,隨著油石比增大,其值呈現出先減小后增大的變化趨勢,油石比為6.8%時出現最小值。油石比較小時,瀝青混合料會因為缺少足夠的瀝青導致粘結強度不足,而油石比較大時,瀝青混合料內部的自由瀝青過多,集料間更容易發生滑動變形,兩種情況下都無法保證混合料具備良好的抵抗車轍破壞變形的能力。

結合各項試驗數據來看,油石比為6.5%～7.2%時均可滿足規范要求;考慮到經濟成本,選定6.5%作為最佳油石比。

3.3 水泥和水摻量的確定

適量的水泥和水可以保證改性乳化瀝青混合料具備一個有效的成型狀態,因此規范采用稀漿混合料拌和試驗對水泥和水的摻量進行綜合確定。拌和試驗所用礦料總量為100 g,結合確定的油石比以及乳化瀝青含量可計算出需加入10 g改性乳化瀝青。采用單因素控制法,結合常規摻量控制經驗,將水泥和水分別以礦料總質量為基準外摻一定比例進行拌和試驗,以確定其最佳摻量。具體試驗結果如表4所示。

表4 不同水泥和水摻量下的拌和試驗結果表

如表4所示,水泥摻量作為單一變量時,水泥摻量增加會導致稀漿混合料的可拌和時間減少。這是因為水泥本身在有水條件下會產生水化反應,而水泥摻量增多加劇了水化反應程度從而消耗了更多的水,導致稀漿混合料中的水分不足,在性能上體現為流動性下降及可拌和時間的減少。而當水摻量作為單一變量時,水摻量的增加會導致稀漿混合料的可拌和時間增加。這主要是因為在其他配料不變的情況下,稀漿混合料整體需要的用水量是有限的,而水摻量不斷增加會導致稀漿混合料變稀,因而稀漿混合料整體的流動性會增加,可拌和時間也會相應增加。從數據結果分析,規范限定稀漿混合料的可拌和時間上限值為120 s,當水泥摻量作為單一變量時,只有1%水泥摻量滿足規范要求,因此采用該摻量為水泥摻量。當水摻量作為單一變量時,雖然不同水摻量條件下的可拌和時間均滿足規范要求,但是從實際稀漿混合料的拌和效果來看,只有6%水摻量條件下拌和的稀漿混合料具備良好的成漿效果,8%和10%水摻量條件下拌和的稀漿混合料都過于濕潤,因此水摻量宜采用6%。綜合考慮,確定超粘磨耗層稀漿混合料的質量配合比為礦料∶乳化瀝青∶水泥∶水=100∶10∶1∶6。

3.4 配合比檢驗

為確保超粘磨耗層具備良好的路用性能,采用確定好的配合比拌制瀝青混合料并分別進行性能檢驗,具體試驗結果如表5所示。

表5 超粘磨耗層混合料性能試驗結果表

大部分性能指標的意義已經在上文中進行了闡釋,此外還增加了粘聚力指標,該指標與稀漿混合料的初凝時間以及交通開放時間有關,是重要的施工控制指標。如表5所示,確定配合比拌和的稀漿混合料均滿足各項試驗指標的限定要求值,說明該配合比具備良好的性能,滿足超薄磨耗層的使用要求。

4 路用性能跟蹤檢測

為驗證超粘磨耗層的實施效果及其耐久性,對高速公路超粘磨耗層實施完成后及運營三年后均進行了相關路用性能檢測,具體檢測結果如表6所示。

表6 超粘磨耗層路用性能跟蹤檢測結果表

從表6數據來看,超粘磨耗層實施完成后,原路面病害被有效消除,路面的抗滑性能也得到顯著提升,路面封水性及平整性也達到了較好的水平。經過三年運營后,各項性能雖然出現了一定衰減,但仍能滿足規范要求。結合路面現場觀察來看,未發現如脫皮、輪跡帶泛油、松散、麻面、車轍等病害。綜合各項應用效果來看,超粘磨耗層不僅對路面的預防性養護效果良好,而且具備良好的耐久使用性。

5 結語

從超粘磨耗層預防性養護工程實施效果來看,超粘磨耗層除了能夠對原路面病害進行有效恢復外,在抗滑性能、路面封水性及平整性等方面也能實現顯著提升。除此之外,通過三年后的跟蹤檢測,其各項指標仍滿足路用要求,具備良好的耐久性,說明該技術具備良好的應用推廣價值。需要強調的是,針對超粘磨耗層這種新型預防性養護技術的使用,施工人員必須加強對該技術的了解,尤其要關注瀝青混合料的配合比設計以及施工應用的差異化特性,這樣才能確保超粘磨耗層在實際施工中得到合理應用。