曹建新，張京鋒，任 民

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060； 2.廣州市市政實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510095； 3.上海孫祖望路橋技術(shù)研究公司，上海 200092)

0 引 言

薄層罩面是一種傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)，在發(fā)展過程中曾經(jīng)遇到過一些困難，主要是由于鋪層薄、散熱快、吸收壓實(shí)功的能力又差，通常不能采用振動(dòng)壓實(shí)，因而難以獲得強(qiáng)度和耐久性要求的最佳空隙率。由于這一原因，美國許多州都將薄層罩面的厚度放寬至38 mm (1.5 in)，該值于是成為最常用的薄層罩面厚度。但是隨著厚度的增加，造價(jià)也相應(yīng)地增加[1]。在20世紀(jì)80～90年代，對(duì)薄層罩面結(jié)構(gòu)厚度與集料公稱最大粒徑(NMAS)比例的要求為1.5∶1～3.0∶1，混合料的粗集料較多，吸收壓實(shí)能量的能力差，施加過多壓實(shí)功，將導(dǎo)致大量粗集料壓碎，因而不能滿足25 mm薄層罩面的要求。除此之外，薄層罩面與原路面界面的應(yīng)力負(fù)荷過大和層間結(jié)合不良，也是薄層罩面容易出現(xiàn)的問題[2-3]。

由于以上問題，常規(guī)薄層罩面難以獲得良好的成本效益。在20世紀(jì)80～90年代，薄層罩面的平均壽命通常只有4～6年，面對(duì)迅速發(fā)展的微表封層技術(shù)，顯得缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

美國SHRP計(jì)劃的H-101課題“路面預(yù)養(yǎng)護(hù)的有效性”對(duì)4種傳統(tǒng)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，隨后的路面長期性能(LTPP)研究項(xiàng)目SPS-3對(duì)這4種養(yǎng)護(hù)技術(shù)的效果進(jìn)行長期跟蹤分析，結(jié)果表明：只有在干燥、嚴(yán)寒的地區(qū)，薄層罩面與微表封層相比才有一定的優(yōu)勢(shì)，在其他氣候條件下，薄層罩面的成本效益遠(yuǎn)不如微表封層(表1)[4-5]。

表1 各種表面處理技術(shù)與石屑封層的年費(fèi)用之比

進(jìn)入21世紀(jì)后，得力于許多新技術(shù)的應(yīng)用，薄層罩面有了很大的技術(shù)進(jìn)步，在大交通量道路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中廣泛應(yīng)用。近20年來，薄層罩面技術(shù)的新發(fā)展主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)受20世紀(jì)90年代“NovaChip”超薄磨耗黏結(jié)層技術(shù)的啟發(fā)，采用SBS含量5%以上的高性能改性瀝青、橡膠瀝青等高黏度結(jié)合料來改善集料顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度；采用高性能、無輪跡的改性乳化瀝青并提高單位面積的灑布量，改善薄層罩面與原路面之間的黏結(jié)強(qiáng)度[6-10]。

(2)采用NMAS更小的集料進(jìn)行熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，將密級(jí)配混合料鋪層厚度與NMAS之比加大至3∶1 ～ 5∶1。細(xì)級(jí)配瀝青混合料不僅更加容易壓實(shí)，而且在同樣的空隙率下，由于細(xì)料和瀝青的堵塞作用，降低了連通空隙的比例，從而大大降低了密級(jí)配混合料透水的風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。圖1展示了NMAS和空隙率對(duì)混合料透水性能的影響[13]。從圖1中可見，對(duì)于NMAS為4.75 mm的混合料，在空隙率高達(dá)8%～10%時(shí)仍然是不透水的，而NMAS為9.5 mm的混合料在空隙率為9%時(shí)，NMAS為12.5 mm的混合料在空隙率為7%時(shí)，NMAS為19 mm的混合料在空隙率為6%時(shí)，都是明顯透水的。

圖1 空隙率和NMAS對(duì)混合料透水性的影響

(3)在混合料設(shè)計(jì)方面，除了傳統(tǒng)的密級(jí)配混合料外，大量采用了SMA等骨架密實(shí)型斷級(jí)配混合料，大大改善了薄層罩面抗車轍的能力[14]。

(4)在施工方面，采用對(duì)改善薄層罩面壓實(shí)質(zhì)量有重要影響的新技術(shù)。一是利用溫拌技術(shù)來降低對(duì)混合料壓實(shí)溫度的要求。通常厚度為25 mm的薄層罩面溫度從150 ℃下降至80 ℃的時(shí)間要比厚度為40 mm的常規(guī)瀝青路面磨耗層快1倍，采用溫拌瀝青混合料可以大幅延長混合料的可壓實(shí)時(shí)間[15]。二是采用高頻振動(dòng)壓實(shí)、振蕩壓實(shí)、智能壓實(shí)等新的壓實(shí)技術(shù)來降低過度壓實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，其中振蕩壓實(shí)由于沒有垂直方向的振動(dòng)、滾輪不會(huì)脫離路面，更加適合薄層罩面壓實(shí)[16-17]。

以上這些新技術(shù)的應(yīng)用使薄層罩面的概率壽命延長至8～10年，大大改善了薄層罩面的成本效益，也為進(jìn)一步減小薄層罩面的厚度提供了條件。采用常規(guī)攤鋪設(shè)備鋪筑高性能薄層和超薄層罩面，就是美國密歇根、得克薩斯等州在上述背景下開發(fā)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)新技術(shù)。TxDOT最初將此種超薄罩面稱為裂縫衰減型混合料超薄罩面(Crack Attenuating Mix Ultra Thin Overlay)，以示與常規(guī)密級(jí)配混合料超薄罩面的區(qū)別，從2015年起改稱為高性能超薄罩面(High Performance Ultra Thin Overlay)[18-20]。

1 對(duì)混合料設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)要求

1.1 材料的選用與混合料的配合比設(shè)計(jì)

材料的選用主要是黏層材料、混合料的結(jié)合料和集料的選擇。黏層材料必須符合規(guī)定的剪切和拉拔強(qiáng)度要求；混合料的結(jié)合料性能應(yīng)符合各項(xiàng)路用性能的要求；集料除應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)表面層集料的要求外，在粗集料的針片狀與磨光值、細(xì)集料含粉量方面應(yīng)有更高的要求。

在混合料的配合比設(shè)計(jì)方面：對(duì)于懸浮密實(shí)型混合料，其空隙率應(yīng)滿足3%～5%(改性瀝青)、4%～6%(橡膠瀝青)的要求，集料的平均瀝青膜厚度應(yīng)符合20～25 μm(橡膠瀝青)的要求；對(duì)于骨架密實(shí)型混合料，其空隙率應(yīng)滿足3%～4%(改性瀝青)、4%～5%(橡膠瀝青)的要求，集料的平均瀝青膜厚度應(yīng)符合15～25 μm(橡膠瀝青)的要求；對(duì)于半開級(jí)配混合料，其空隙率應(yīng)滿足10%～15%和宏觀構(gòu)造負(fù)紋理的要求，集料的平均瀝青膜厚度應(yīng)符合9～12 μm(改性瀝青)、25～30 μm(橡膠瀝青)的要求；對(duì)于開級(jí)配混合料，其空隙率應(yīng)滿足18%～20%的要求，集料的平均瀝青膜厚度應(yīng)符合45～55 μm(橡膠瀝青)的要求?；旌狭细黜?xiàng)力學(xué)性能的指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1.2 氣候條件

高性能超薄罩面的施工應(yīng)盡可能選擇在炎熱的夏天進(jìn)行，氣溫和道路表面的溫度不宜低于20 ℃，并在繼續(xù)上升。

1.3 混合料拌合

混合料拌合的關(guān)鍵在于拌合溫度和均勻性的控制。由于采用高黏度結(jié)合料，應(yīng)根據(jù)不同結(jié)合料的要求確定集料和結(jié)合料的加熱溫度、拌合溫度，通常拌合溫度需要在180 ℃左右。拌合時(shí)間對(duì)拌合均勻性有重要的影響，不同的拌合設(shè)備需要通過試拌來確定。

1.4 黏層材料灑布

黏層材料灑布的關(guān)鍵是在原路面上形成一層符合規(guī)定灑布率的均勻薄膜。影響灑布率和均勻性的主要因素是灑布速度、噴灑壓力和灑布重疊度，這些參數(shù)需要在試灑布的過程中通過測(cè)定縱向、橫向?yàn)⒉悸室约熬鶆蛐院蟠_定。

黏層材料灑布需要解決的另一個(gè)問題是確定灑布在原路面上的黏層材料，需要多長時(shí)間才能完全凝固，而不會(huì)粘在卡車輪胎和履帶上。

1.5 混合料運(yùn)輸與攤鋪

混合料運(yùn)輸應(yīng)加強(qiáng)車輛的保溫措施，盡可能減少混合料的熱量損失。混合料攤鋪的關(guān)鍵是攤鋪溫度和鋪層厚度的控制。應(yīng)盡可能連續(xù)地進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，減少停頓，避免鋪層材料的溫度離析。鋪層厚度應(yīng)控制在設(shè)計(jì)厚度的-5%～10%公差范圍內(nèi)。

1.6 混合料碾壓

半開級(jí)配和開級(jí)配瀝青混合料的碾壓與密級(jí)配瀝青混合料的碾壓有不同的目標(biāo)，前者并不追求使混合料盡可能變得密實(shí)，而是要求將粗集料壓實(shí)在細(xì)料和黏層材料組成的黏結(jié)層中。此時(shí)的關(guān)鍵是要嚴(yán)格控制碾壓溫度和壓實(shí)能量。碾壓應(yīng)在較高的鋪層溫度下進(jìn)行，并在碾壓第一遍時(shí)就能覆蓋全部鋪層寬度。壓實(shí)能量不能太大，故不能采用振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎壓路機(jī)，以免壓碎粗集料或者使結(jié)合料唧漿上浮至表面。

2 在滁寧高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

滁寧高速公路來安至明光段于2006年9月30日建成通車，2013～2018年的日均交通流量高達(dá)50 000～70 000 pcu(折合小型車)。路面結(jié)構(gòu)層總厚度為72 cm(石質(zhì)路段為70 cm)。其中，瀝青混凝土面層厚度為16 cm，分為上、中、下3層：上面層采用4 cm厚AC-13改性瀝青抗滑表層，中面層采用6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土，下面層采用6 cm厚AC-20瀝青混凝土?；鶎硬捎?6 cm厚水泥穩(wěn)定碎石。底基層采用20 cm厚石灰土(石質(zhì)路段為18 cm厚低劑量水泥穩(wěn)定碎石)。2017年，對(duì)上、下行線路行車道的彎沉值進(jìn)行了抽檢。結(jié)果表明，指定抽檢路段的PSSI值為良以上的百分比達(dá)100%，為優(yōu)的百分比不小于90%，因此可以認(rèn)為道路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力是足夠的。

歷年來的路況調(diào)查結(jié)果表明滁寧高速來明段的病害主要是裂縫、坑槽和車轍，以及少量的不均勻沉降(橋頭跳車)、唧漿、擁包等。2017年對(duì)路面破損指標(biāo)PCI、路面平整度指標(biāo)RQI、路面車轍指標(biāo)RDI進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為：上、下行線PCI的平均值分別為93.8和93.5，RQI的平均值分別為94.8和94.5，RDI的平均值分別為85.5和84.8。以上檢測(cè)結(jié)果表明全線適宜進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。管理部門決定自2019年起按年度對(duì)全線進(jìn)行薄層或超薄層罩面養(yǎng)護(hù)。2019年，首先在下行線K38+700～K43+400、全長4.6 km的路段上鋪設(shè)3 cm高性能橡膠瀝青薄層罩面。

2.2 混合料設(shè)計(jì)

混合料設(shè)計(jì)中的原材料采用玄武巖軋制的集料，石灰?guī)r磨碎的礦粉和橡膠屑含量為20%的橡膠瀝青結(jié)合料。礦料的質(zhì)量符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。橡膠瀝青結(jié)合料各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 橡膠瀝青結(jié)合料性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果

生產(chǎn)配合比的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)如圖2所示。按照7.2%、7.5%、7.8%三種不同結(jié)合料用量拌制橡膠瀝青混合料，制作了3組馬歇爾試件，并測(cè)定了試件的各項(xiàng)體積指標(biāo)，如表3所示。根據(jù)圖2，采用7.2%的橡膠瀝青作為生產(chǎn)配合比的結(jié)合料用量。

圖2 礦料的合成級(jí)配曲線

表3 橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)的體積指標(biāo)

按照確定的生產(chǎn)配合比拌制瀝青混合料，進(jìn)行了試拌、試鋪，并對(duì)瀝青攪拌設(shè)備拌制的橡膠瀝青混合料取樣進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能的檢驗(yàn)。表4是橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)的結(jié)果，圖3是橡膠瀝青混合料車轍試驗(yàn)的結(jié)果。

從表4的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看到，橡膠瀝青結(jié)合料的高黏度和很厚的瀝青膜，大大加強(qiáng)了結(jié)合料與礦料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，從而使橡膠瀝青混合料具有十分良好的抗水損害性能。

從圖3中可以看到，試件1在45～60 min區(qū)間的曲線斜率很大，但在隨后的區(qū)段斜率很快變緩。

表4 橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 2個(gè)試件的車轍試驗(yàn)曲線

試件2在45～60 min區(qū)間的曲線斜率已經(jīng)變緩，而從總體上看，2條曲線反映的瀝青混合料抗車轍性能基本上處于同一水平。上述車轍試驗(yàn)的結(jié)果再次證明，對(duì)于橡膠瀝青這類高黏度混合料，采用碾壓10 000次的車轍深度和碾壓5 000～10 000次線性變化區(qū)間計(jì)算的動(dòng)穩(wěn)定度來表示混合料的抗車轍性能，能更準(zhǔn)確地反映實(shí)際的抗車轍能力[21]。

2.3 高性能薄層罩面施工和質(zhì)量控制

2019年6～7月進(jìn)行罩面施工，氣溫較高，滿足要求。由于交通流量太大，無法實(shí)施全幅封閉，只能改為半幅分開施工。在施工前，對(duì)原路面的裂縫、坑槽、較深的車轍實(shí)施了修復(fù)處理，清除路面標(biāo)線，并進(jìn)行了徹底清掃。

在正式施工前，首先鋪筑了200 m試驗(yàn)路段。試鋪方案的施工工藝要點(diǎn)如下。

(1)無輪跡乳化瀝青黏層油的灑布量為0.6 kg·m-2，結(jié)束黏層油灑布后，待其完全固結(jié)方可進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

(2)采用1臺(tái)福格勒SUPER 18000-2 HD攤鋪機(jī)攤鋪，速度設(shè)定為4 m·min-1，配備德國摩巴公司的超聲波自動(dòng)找平系統(tǒng)。

(3)采用2臺(tái)悍馬HDO128V振蕩壓路機(jī)碾壓，速度設(shè)定為2～4 km·h-1，振蕩頻率為33 Hz，采用緊跟攤鋪機(jī)碾壓的方式，不設(shè)初壓、復(fù)壓，初壓即采用振蕩壓實(shí)，合計(jì)碾壓4遍。

(4)在處理縱向冷接縫時(shí)，首先對(duì)已經(jīng)鋪筑的路面進(jìn)行切邊，寬度為5～15 cm，清理切邊后，在立面及接縫面上涂刷乳化瀝青。在攤鋪時(shí)，虛鋪熱料必須與已鋪寬度重疊2.5～4.0 cm，松鋪時(shí)的高度保證在原路面之上3.5 cm左右。必須第一時(shí)間對(duì)接縫部分進(jìn)行碾壓，壓路機(jī)的碾壓輪應(yīng)該大部分在熱鋪的一側(cè)。在冷鋪的一側(cè)，只容許騎跨15 cm的寬度。

在鋪設(shè)試驗(yàn)路段的同時(shí)，對(duì)瀝青攪拌設(shè)備拌制的橡膠瀝青混合料進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。在鋪筑試驗(yàn)路段結(jié)束后，鉆取芯樣測(cè)定鋪層的壓實(shí)度，并用電阻抗密度儀按網(wǎng)格測(cè)量的方式測(cè)定了整個(gè)鋪層的壓實(shí)度分布情況和壓實(shí)度的均勻性。

表5是試驗(yàn)路段鋪層芯樣密度的測(cè)定數(shù)據(jù)，圖4是380密度儀讀數(shù)的標(biāo)定。從表5中可看到，11個(gè)芯樣的壓實(shí)度平均值為94%，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。用密度儀按縱向5 m、橫向1 m的網(wǎng)格測(cè)定試驗(yàn)路段整個(gè)鋪層的壓實(shí)度，經(jīng)密度儀標(biāo)定數(shù)據(jù)的修正后列于表6；圖5是鋪層壓實(shí)度分布頻率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。從圖5中可看到，鋪層壓實(shí)度分布的均勻性很好，96.75%測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度為93.5%～95.5%。

表5 試驗(yàn)路段鋪層芯樣密度的測(cè)定數(shù)據(jù)

圖4 380密度儀讀數(shù)的標(biāo)定

在試鋪時(shí)還進(jìn)行了鋪層構(gòu)造深度和滲水系數(shù)的測(cè)定，其結(jié)果如表7所示。從表7中可看到，橡膠瀝青混合料的密水性能非常好。

表6 用密度儀對(duì)鋪層壓實(shí)度進(jìn)行網(wǎng)格檢測(cè)的結(jié)果

圖5 試驗(yàn)路段鋪層壓實(shí)度分布

表7 鋪層構(gòu)造深度和滲水系數(shù)的測(cè)定結(jié)果

3 結(jié) 語

(1)高黏度和高用量的橡膠瀝青結(jié)合料保證了橡膠瀝青混合料具有良好的密水性和抗水損害性能，完全可以用來替代價(jià)格昂貴的高含量SBS改性瀝青混合料。

(2)S型半斷級(jí)配懸浮密實(shí)型礦料級(jí)配的骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了混合料承受外力的能力，而橡膠瀝青中未完全消融的橡膠屑固體顆粒嵌擠在混合料的集料之間，增大了集料之間的摩擦阻力，兩者的結(jié)合使S型半斷級(jí)配懸浮密實(shí)型橡膠瀝青混合料呈現(xiàn)出很強(qiáng)的抗車轍變形能力。

(3)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定按碾壓1 890～2 520次的區(qū)間來計(jì)算試件的動(dòng)穩(wěn)定度，這個(gè)區(qū)間對(duì)于高黏度的橡膠瀝青混合料來說，正處于車轍深度變化曲線斜率急劇變化的過渡段，很可能會(huì)由于原始起點(diǎn)和斜率變化不一樣而導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的判斷結(jié)果。本文采用改進(jìn)的車轍試驗(yàn)方法，用碾壓10 000次的車轍深度和碾壓5 000～10 000次線性區(qū)間計(jì)算的動(dòng)穩(wěn)定度來表征橡膠瀝青混合料的抗車轍性能，能更準(zhǔn)確地反映真實(shí)的橡膠瀝青混合料抗車轍能力。

(4)在使用無輪跡黏層材料的條件下，采用常規(guī)瀝青攤鋪機(jī)鋪設(shè)用于高性能薄層罩面的高黏度瀝青混合料是可行的。