砂粒式超薄磨耗层的路用性能对比

祝 轩，吴旷怀，陈哲宇，梁 娟，蔡 旭

(1.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006； 2.苏商建设集团有限公司，上海 200120)

0 引 言

超薄磨耗层是公路路面的一种预防性养护手段，运用这一技术能延长路面使用寿命，修复表面缺陷，提升行驶质量[1-2]。目前，已有一部分学者对于最大公称粒径9.5 mm以上的沥青混合料有深入研究。曾梦澜等[3]通过对密级配AC-13C、半开级配NovaChip (C型)和开级配OGFC-13这3种沥青混合料的抗滑、渗水和层间黏结性能的对比发现：NovaChip (C型)沥青混合料的性能最好，在黏层油洒布量相同的条件下，NovaChip (C型)的抗剪强度最大；谭忆秋等[4]用冻断温度和冻断强度作为评价低温性能指标，以初始摆值结合抗滑衰减程度评价抗滑能力，以冻融劈裂强度比和冻融劈裂强度结合评价抗水损害能力，在SMA-10、UTAC-10 和NovacCip (C型)3种沥青混合料的对比中发现，SMA-10具有较优的综合性能。因此，在磨耗层沥青混合料类型选取方面，部分工程选用的是最大公称粒径9.5 mm以上的沥青混合料。然而，公称粒径更小的砂粒式沥青混合料能降低摊铺厚度，节省造价，同时可以缩短施工周期，更早地开放交通。杨永奇[5]针对最大公称粒径4.75 mm的超薄抗滑表层技术，通过对试验路段的长期检测和分析，认为该超薄抗滑表层是一项优良的路面预防性养护技术，但是缺乏相关的室内试验给予评价。基于以上因素，本文选取UTAC-5(Ultra Thin Asphalt Concrete超薄沥青混凝土)、OGCF-5、NovaChip (B型)3种不同类型混合料进行对比，开展对于砂粒式沥青混合料的室内试验研究[6-9]，为超薄磨耗层材料的选取提供科学依据。

1 试验用原材料

砂粒式沥青混合料的集料公称粒径较小，为达到路用性能要求、提升破坏强度，在集料选择时选用棱角性和耐磨性较好的辉绿岩，其规格组成为5～10 mm碎石、3～5 mm碎石、0～3 mm石屑，均由港珠澳大桥桥面铺张集料供应商广东长大中山集料工厂生产。沥青选用壳牌新粤(佛山)沥青有限公司的高黏沥青，用以提高集料之间的黏结力[10]。填料选择广州市政维修处提供的石灰岩矿粉。原材料的性能指标如表1～3所示。

表1 集料的基本性能指标

2 级配选择与配合比设计

国内相关规范未明确规定UTAC-5和OGFC-5的级配上下限，只能借助已有的级配设计方法设计其级配组成，减少试配次数，保证级配组成的合理性。根据文献[11]所提出的主骨料空隙填充方法并结合各档石料过筛后的质量分数确定级配组成[12-13]。考虑到UTAC-5混合料做面层的抗滑特性， 将0～3 mm集料过筛后间断1.18～2.36 mm范围集料，适当增加1.18 mm以下各档集料占比。以达到骨架密实结构。NovaChip (B型)的级配选择参考NovaChip施工指南中推荐的级配范围，各级配组成如表4、图1所示。由图1可以看出，3种不同类型沥青混合料的级配组成中粗集料含量占比均较高，保证了骨架结构。UTAC-5和OGFC-5两类沥青混合料中粗集料以2.36～4.75 mm粒径的集料为主，而Novachip (B型)沥青混合料中4.75～9.5 mm粒径的粗集料占多数。OGFC-5中的粗集料比UTAC-5约多10%，除去UTAC-5中所间断的细料，其余各档细料质量分数占比均较少。这一定程度上解释了骨架空隙结构与骨架密实结构的区别。

表2 矿粉的基本性能指标

表3 沥青的基本性能指标

由于UTAC-5中间断了一档集料，导致其整个级配曲线在横坐标2.36 mm左右呈凹型；OGFC-5级配曲线在横坐标为粗细集料分界筛孔处呈凹型的原因是粗细集料占比之差较大；而Novachip (B型)级配曲线大部分处于两者之间，可以推断出在与另外两类沥青混合料油石比相差不大的情况下，Novachip (B型)沥青混合料是一种半开级配的混合料。

参考规范中规定的马歇尔配合比设计方法，尽管UTAC-5有和SMA(Stone Matrix Asphalt沥青玛蹄脂碎石)相似的级配组成，考虑到所选集料坚硬不易击碎，且所研究的混合料在重载交通条件下亦能较好地应用，选择击实次数为双面75次。OGFC-5以设计目标空隙率为主要控制指标，采用双面击实50次的方法成型马歇尔试件。对于Novachip (B型)沥青混合料的成型，考虑到其摊铺碾压次数少(黏结作用主要是通过NovaBond聚合物改性乳化沥青实现)，亦采用双面击实50次的方法成型马歇尔试件。

表4 级配组成

图1 三种沥青混合料级配

通过马歇尔方法确定出UTAC-5、OGFC-5、NovaChip-B沥青混合料的最佳油石比为5.7%、4.8%、5.1%。在最佳油石比下的各项性能指标如表5所示，可以看出，最佳油石比下UTAC-5的沥青饱和度稍微偏高，但满足规范中规定的AC类集料公称粒径9.5 mm以下沥青饱和度要求和SMA类(对于高温稳定性要求较高)的重交通路段要求，在此油石比下通过析漏损失试验得出的数据仅为0.06%，小于规范要求的0.1%，完全在可控范围内。其余各项指标参数均较为合理。

表5 性能指标

3 路用性能

规范规定沥青混合料必须在马歇尔试验配合比设计的基础上进行各种配合比混合料的性能检测。故依据规范中的方法对密级配UTAC-5、半开级配NovaChip-B和开级配OGFC-5进行路用性能对比研究，其中包括高温稳定性检验、水稳定性检验、低温性能检验和抗滑性能检验。

3.1 高温性能

高温性能是评价沥青混合料的一项非常重要的指标[14]。高温条件下沥青迅速软化，从而降低沥青混合料的抗压强度，在轮载作用下容易使路面产生车辙变形，影响行车舒适性和安全性。车辙试验被认为是检验沥青混合料高温性能的重要手段，通过动稳定度指标来评价，所测得的动稳定度值越高，说明沥青混合料的抵抗高温变形性能越好。依据规范中的方法在温度60 ℃、荷载0.7 MPa、速率42 次·min-1的标准条件下试验，车辙板试件的变形与时间的关系见图2。

图2 时间-变形曲线

由图2可以看出，3类沥青混合料的动稳定度大致相当。UTAC-5在轮载作用下位移持续增长，累计位移大；NovaChip-B位移变化曲线增长较缓，每个时间段的增长量相对稳定，累计位移小；OGFC-5的位移变化曲线在前20 min增长较快，达到稳定状态后位移变化趋于平稳，这是因为其结构中空隙率相对较大，在轮载作用初期容易产生较大位移排空空隙，达到一定的骨架结构后维持稳定。按规范给出的公式算出UTAC-5、OGFC-5、NovaChip-B动稳定度的大小分别为3 264、3 925、4 323 次·mm-1，作出条形图，如图3所示。

图3 车辙动稳定度

3种级配的动稳定度均值均满足不小于3 000 次·mm-1的要求，故都有较好的抵抗高温变形能力。其中NovaChip-B的高温性能最好，OGFC-5其次，UTAC-5的高温性能稍差。

3.2 低温性能

沥青以及沥青混合料在低温下容易开裂，这是道路病害的一种常见形式。提高低温性能，防止路面在低温下的脆性开裂，对于改善道路使用情况有着重要的意义[15]。依据规范中小梁弯曲试验方法，计算出-10 ℃、0 ℃和15 ℃三种不同温度下的弯拉应变εμ、弯拉强度RB(表6)，来评价3种不同类型沥青混合料的低温性能和变形适应能力。

表6 低温试验结果

图4 弯拉应变曲线

图5 弯拉强度曲线

图4、5为3种类型混合料的弯拉应变曲线和弯拉强度曲线，可以看出，3种不同类型混合料的应力应变趋势相同。弯拉应变随温度的增长持续递增，这是因为温度越高，沥青的延展性越好，从而提高了沥青混合料的应变值；弯拉强度曲线则出现了一个峰值点，对应点的温度为脆化点温度[16]。这是由于，沥青混合料是一种黏弹性材料，不同温度下对应的破坏形式不同，当温度低于脆化温度时呈脆性破坏，当温度高于脆化温度时呈柔性破坏，这2种形式的破坏强度都很低。故在温度较低时，随温度的增高强度逐渐增强；但当温度较高时，强度会随温度的升高逐渐变弱。3种混合料的弯拉破坏强度相差不大，但UTAC-5弯拉应变较大，说明它在达到破坏时有更好的变形能力，相较另两类混合料具有更强的抵抗低温开裂性能。NovaChip-B弯拉应变其次，OGFC-5较小，抵抗低温开裂的能力较弱。

3.3 水稳性能

水稳性能是指水对沥青混合料的影响程度，由于水的存在会使沥青对石料的胶结能力下降，影响沥青混合料的耐久性能，因此十分有必要对所研究的沥青混合料进行水稳性能的检测。目前评价沥青混合料水稳性能的常规试验方法有3种，分别是浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验。其中，浸水马歇尔试验是通过测定试件在不同浸水时间下的强度，计算出浸水残留稳定度值来表征水稳性能；冻融劈裂试验是通过对比经过冻融循坏和正常养护条件下试件的劈裂强度来评价水稳性能；浸水飞散试验则是通过将试件高温浸水后在洛杉矶试验机中旋转撞击，测定散落材料的质量百分比来表征水稳性能。不同类型沥青混合料的试验结果分别见表7～9。

表7 浸水马歇尔试验结果

表8 浸水飞散试验结果

表9 冻融劈裂试验结果

浸水马歇尔试验结果表明：NovaChip-B型混合料的残留稳定度值稍高；3种混合料的残留稳定度都为90%左右，无明显区别，均满足规范要求。这说明不同类型沥青混合料抗水损坏能力受浸水影响不大。浸水飞散试验结果表明：3类沥青混合料质量损失从大到小的依次为NovaChip-B、UTAC-5、OGFC-5。这是因为，空隙率较大的混合料在旋转碰撞过程过较易散落，导致飞散质量损失较大。冻融劈裂试验中UTAC-5的冻融强度比最高，NovaChip-B其次，OGFC-5最差。分析原因为：混合料空隙中水的冻胀会产生张拉应力，使材料内部产生微裂纹，从而引起材料力学性能衰减；空隙率越小，真空饱水过程进入的水越少，对应冻胀力小，经过冻胀后产生微裂缝较少，材料力学性能衰减较慢[17]。3种试验结果显示：NovaChip-B混合料抗水损害能力较好，UTAC-5其次，OGFC-5的水稳性稍差。

3.4 抗滑性能

作为沥青路面的磨耗层，抗滑是路用性能研究中必不可少的部分。依据规范中的方法成型30 cm×30 cm×5 cm的车辙板后，用手工铺砂法分别测量3种不同类型沥青混合料的构造深度，结果如表10所示。可以看出，3类沥青混合的构造深度均满足规范要求。

表10 构造深度

然而，随着路面使用过程中轮载的反复搓揉，后期构造深度可能会难以满足要求。为研究这3类混合料在使用过程中抗滑性能的衰减程度[18-20]，参考相关规范中粗集料磨光值试验，设计混合料室内磨耗试验。具体过程如下：依据规范中的方法成型车辙板后切割成约3 cm×1 cm×8 cm的薄片，使切割的薄片刚好能卡置于磨光值试验所用标准试模的台阶内，按磨光值试验的方法调制胶砂，填充试模中的空隙部分，制作出类似的试件，如图6所示。调节磨光机胶轮荷载和作用次数，测出磨耗前后摆值BPN的变化。试验系统见图7，试验结果见表11。可以看出，3种类型的混合料摆值都随磨耗次数的增加呈明显下降趋势，其中OGFC-5试件的降幅最大，到达13.7，而NovaChip-B的降幅最少，仅为7.8。

图6 超薄磨耗层试件

图7 磨耗试验系统

磨耗次数摆值BPNUTAC-5NovaChip-BOGFC-5059.061.071.03 00054.657.165.06 00051.355.762.09 00049.254.559.812 00048.753.259.115 00048.553.257.3

4 结 语

本文通过对高温抗车辙性能、低温抗裂性能、抗水损害性能和抗滑性能的测试，研究了沥青混合料的不同类型对超薄磨耗层路用性能的影响,得出主要结论如下。

(1)3种沥青混合料都有较好的抵抗高温变形能力。其中NovaChip (B型)的高温性能最好，OGFC-5其次，UTAC-5的高温性能稍差。

(2)3种混合料的低温弯拉破坏强度相差不大。UTAC-5弯拉应变较大，说明其在达到破坏时有更好的变形能力，NovaChip-B其次，OGFC-5的低温性能相对较弱。

(3)浸水马歇尔试验和浸水飞散试验结果表明，NovaChip-B的水稳性能较优；冻融劈裂试验结果表明NovaChip-B的抗水损害性能较UTAC-5稍差。综合考虑3个试验的结论，认为NovaChip-B混合料水稳性较好。

(4)由表面性能研究结果可知，OGFC-5表面构造深度最大，NovaChip-B虽初始构造深度稍小，但抗滑衰减最慢，故其抗滑性能较好。

通过对比 3 种沥青混合料超薄磨耗层的路用性能，将各项指标综合考虑，建议选择NovaChip-B沥青混合料并应用到实际工程中。