ESMA-5高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层的研究应用

宋沁浩，祁永明

（山西诺通公路养护有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

高速公路沥青路面在长时间运营后，沥青路面病害逐渐增多，尤其是交通繁重的隧道及长大纵坡或桥面铺装路段的沥青路面掉皮、脱落严重，因此急需一种具有高抗剪、高耐磨、抗车辙强、开放交通快、施工简单且长寿命的路面材料[1-3]。环氧沥青是采用环氧树脂作为改性剂的高性能改性沥青材料[4]。环氧树脂在固化剂作用下可以形成不可逆的空间网络体系，赋予材料较高强度。将环氧沥青材料应用到隧道及长大纵坡或桥面铺装的路面结构中，可以提高强度和承载力，改善道面结构抗轮辙、抗疲劳等性能，较大程度上阻止或延缓道面病害的产生与扩展，保证道面结构的使用性能与耐久性[5]。然而，根据隧道及长大纵坡或桥面铺装路面受力及使用环境特点，ESMA-5高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层使用性能及其施工工艺研究方面的研究尚缺乏，亟需开展这方面的研究，对此2020年公司对该科技项目进行立项，并展开相关技术研究，通过不断的改进、完善、技术升级，使这一产品逐渐成熟稳定。

1 工程概况

2020年10月底，应高速交管部门要求，使用新研发的ESMA-5高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层技术，分别对晋焦高速下行K2+600～K4+000、长晋高速下行K1033+000～K1035+000大数据危险路段进行了应急施工，共计完成约23 000 m2；2021年7月又分别在长晋高速上行K995+000～K997+680、下行K1028+800～K1031+000大数据危险路段、高新高速下行K43+970～K48+480路面功能衰减路段共计完成约73 000 m2，2021年10月在晋城市文华街、七星广场亮化改造路段完成25 000 m2，合计完成近120 000 m2的道路试验和材料推广。

在试验路段施工期间，对超薄磨耗层的静音效果进行了跟踪检测，通过环境检测单位现场测试，车辆通过平均噪音由75.4 dB降至65.2 dB，平均降幅达10.2 dB。

经工程质量检测单位通过2020年度和2021年度跟踪检测，该路面构造深度、摩擦系数均符合设计要求，保持最佳状态，且摩擦系数平均值较铺设初期均有小幅提高。本次测试路段为长晋高速下行段K1033+800～K1034+600，依据《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019），采用路面构造深度仪和摆式摩擦系数测定仪（756），分别对路面的构造深度和摩擦系数进行检测，检测结果如表1和表2所示。

表1 路面构造深度试验检测统计表Tab.1 Statistical table of pavement structure depth test

表2 路面摩擦系数试验检测统计表Tab.2 statistical table of pavement friction coefficient test

根据高速交警数据统计，以上大数据危险路段事故率两年期间降低100%。

通过近两年的跟踪研究、试验表明，该科技项目的研发对解决高速公路、国省主干道、城市道路等公路的应急处治，迅速改善路面使用性能，保障行车安全，都有着出色的表现，同时还具有降低噪声、防止溅水、舒适美观、绿色环保、经济实用、耐久抗滑等显著优势，与传统的超薄摩擦层材料相比，使用年限可延长2～3年，将显著减少全寿命周期内的维修养护费用，产品应用前景非常广阔，现就该研究成果进行说明。

2 ESMA-5研发概况

ESMA-5高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层是诺通公司研究开发的一种全新预防性养护理念、技术含量高的环保型超薄磨耗层技术。属于落实“十四五”交通规划中预防性养护发展方向的前沿工艺，是符合国家号召碳达峰、碳中和的道路维修绿色产品。该产品结构厚度为1.5 cm，兼具SMA和OGFC路面结构特点，具有降噪、防滑、抗磨耗、防水害等属性特点，具有施工速度快、产生废料少、使用能源少、市民出行影响小等优良特性，具有明显的表观效果、耐久的使用性能和良好的经济性能。

3 技术特点与优势

3.1 技术特点

ESMA-5高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层具有多种特点。厚度薄，仅为1.5 cm左右，不影响标高限制；黏结强度、拉伸强度、弯曲强度和抗压强度较高，能承受大流量高负载；二次热固化环氧沥青粘层确保新老路面层间紧密粘结，大幅提高层间抗剪性能；二次热固化环氧沥青粘层洒布后可快速施工，能够高效、快捷施工，缩短了封闭交通的时间；构造深度大，可以提高路面抗滑系数，降低交通事故率；防水能力超强，能保护原有路面；降低噪声，降低溅水，改善行车舒适性及提高行驶安全性；施工简便，造价较低。

ESMA-5适用于多种场合。包括但不限于预防性养护；矫正性养护；新建道路表面磨耗层；城市道路快速改善；桥面与高架表面铺装；隧道路面铺装。

3.2 技术优势

因为ESMA-5一般都只有1.5 cm厚（如图1所示），而传统的改性AC-13沥青混凝土罩面层一般有2～4 cm厚，所以在造价方面具有一定的优势。ESMA-5造价72元/m2，含铣刨、清扫、烘干路面水渍、路面防护（原路面及标线和桥梁伸缩缝等位置）高温环氧粘层，相对于4 cm厚的改性AC-13沥青混凝土的80～90元/m2的造价（含铣刨、粘层油），能够节约直接成本10%～20%，同时因为ESMA-5的高效、快捷施工缩短了封闭交通的时间（以高速施工为例，相同面积施工，ESMA-5施工进度是4 cm普通挖补的3倍，可以节省三分之二的工期），降低了通行费的收入影响，从一定程度上大幅降低了间接维修施工成本。

图1 ESMA-5厚度测试图Fig.1 ESMA-5 thickness test

在抗车辙方面。传统的改性AC-13沥青混凝土罩面层为连续级配，和ESMA-5兼具SMA和OGFC路面结构特点的级配相比较，ESMA-5就有更好的抵抗车辙方面的性能，主要有以下原因：一是矿料是间断级配，颗粒之间有良好的崁挤作用，具有较强的高温抗车辙能力；二是矿粉、改性沥青与添加的纤维组成的沥青玛蹄脂，填充在粗集料中，低温抗裂性大幅提高。

对于运行过程中已存在转轴裂纹的转子，其裂纹的开合状态均存在于转子的上方和下方，但是传统的监测转子轴的传感器均采用径向安装，而且通常是斜上45°安装，位于转子轴的侧面，因此对于裂纹在转子上方和下方开合时的响应并不敏感；裂纹开合必然引起轴向位移，而裂纹开合的轴向效应必然会体现在推力盘上，因此监测轴位移动态信号的传感器无论安装在0°、90°、180°、270°任何位置都不会漏测裂纹效应产生的动态信号。这里提出通过监测分析转子轴轴向振动信号的交流成分从而实现转子轴裂纹故障的诊断。

在抗滑性能方面。ESMA-5石料坚硬，属单一粒径，粗集料多，构造深度大，抗滑性能高。

在抗裂性和抗松散性能方面。因为ESMA-5采用的是高温环氧沥青粘层，该粘层在摊铺过程中二次加热，粘层油在高温碾压的情况下，能够充分渗入到沥青混合料的下层空隙中，形成二次固化，使沥青混合料与粘层油能够紧密结合，使磨耗层同原路面粘结更牢固、防水性更好、材料内部结合更牢靠，所以抗裂性能和抗松散性能好。

在抗水害方面。高温环氧沥青粘层属于热沥青喷洒，喷洒均匀密实，无斑点，磨耗层以下由具有隔水性能的粘层油充填，可以保护下部结构稳定免受水害。但在磨耗层上部留有大量空隙，引导水体流出，使得高温环氧粘层高性能超薄磨耗层同时具有防溅水功能。在传统级配的AC-13中，若压实度不足，含水率过高，在长期动荷载作用下，不断侵蚀沥青混合料，造成沥青混凝土路面的水损坏。

在降噪方面。ESMA-5的空隙较大，采用4.75 mm粒径矿料，路面相较传统AC-13更为粗糙，提高了路面降噪性。经实测证明，ESMA-5能够降低AC类路面4～10 dB噪声。

3.3 社会效益

ESMA-5的社会效益主要体现在使用性能、节能降耗和施工速度上。

在使用性能上。ESMA-5具有良好的抗滑，降低溅水、降噪等优良性能，这些性能给道路行车带来极大的便利和舒适，给道路安全带来极大的支持。

在节能降耗减排上。相较普通4 cm铣刨加铺，ESMA-5厚度只有1.5 cm，减少了在生产、运输、施工中的资源消耗，同时也降低了废料、污染物的产生。是符合国家号召碳达峰、碳中和的道路维修绿色产品。

在施工速度上。高温环氧沥青粘层高性能磨耗层厚度小，孔隙大，压实度要求较传统罩面层低，因此施工工程量更小速度更快，同时由于薄层与大孔隙的特性，高温环氧沥青粘层高性能磨耗层散热更快，道路更早开放交通。对于城市道路维修与高速公路养护具有重要意义，更加方便市民出行。

4 施工工艺

通过研究实验，对ESMA-5施工工艺进行了改进优化，不同于传统超薄磨耗层，无需采用专用摊铺机，且ESMA-5高温环氧沥青粘层需采用专用的智能洒布车进行洒布，具有独特的施工流程：

（1）清理路面。拆除原路面反光路钮，清扫表面的有机杂物，并用空压机吹净表面尘土，使路面保持清洁无尘埃。

（2）裂缝处置。检查原路面状况，对存在的一些细微裂缝进行灌缝处理。

（3）高温环氧沥青粘层洒布。洒布高温环氧沥青粘层油，需采用专用的智能喷洒车撒布（专利号202221151759.6），按《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）执行。

（4）拌和。高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层沥青混合料拌和应满足JTG F40—2004的基本要求。建议采用3000型以上强制间歇式拌和机拌制沥青混合料，纤维宜采用专用的纤维添加设备自动加入沥青拌和楼的拌和缸中。拌和时间以混合料均匀为准，通过试拌确定，保证纤维在混合料中充分分散，拌和均匀。沥青混合料拌和沥青加热温度为165～170℃，集料温度为190～210℃，出厂温度为170～185℃。

（5）运输。高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层沥青混合料运输按JTG F40—2004执行，运输应保证材料的温度控制，保证沥青混合料的温度均匀。

（6）摊铺、碾压。高温环氧沥青粘层高性能超薄磨耗层沥青混合料的摊铺采用SMA路面摊铺方式，撒布粘层油与摊铺混合料可在时间上错开，但间隔不宜过长。粘层撒布需要粘层油足量均匀，避免面层泛油。摊铺全程采用接触式电脑控制推铺，沥青混合料选用断级配沥青混合料，最大粒径为4.75 mm，沥青混合样通常较为均匀，无需人工处理离析和更换混合料，在施工过程中，尽量减少施工人员的踩踏，超薄磨耗层摊铺效果类似SMA路面，必须在表面温度降至155℃之前进行碾压，与传统工艺不同，每台摊铺机应配置至少一台11～13 t双钢轮压路机和一台前钢后胶压路机，摊铺后立即开始压实，首先双钢轮进行一遍静压，之后以高频低振幅压2～3遍，前钢后胶压实一遍，钢轮再静压一遍，碾压完成时表面温度不低于115℃。压路机不能停留在铺好的热沥青混合料表面上，根据现场实际情况确定碾压操作宽度，新的路面在碾压完成，路面温度降至50℃之后才可开放交通，碾压遵循“紧跟、高频、低幅、均匀、同步、少水、慢压”的原则。

（7）接缝处理。横向施工缝全部采用平接缝，纵向接缝全部采用冷接缝，配备经验丰富的摊铺机操作手和接缝修复工，确保摊铺后接缝处混合料饱满、平整，接缝修复工紧跟摊铺机，对布料不饱满的位置进行人工再次补料修复，其后钢轮压路机立即骑缝20～30 cm小振碾压，确保接缝平整无空隙。

与传统工艺相比，ESMA-5施工工艺具有设备简单、精度高、施工速度快、能耗低等优点，更加低碳环保。

5 结语

ESMA-5是路面预养护技术的创新性突破，解决了传统超薄磨耗层容易脱落、耐久性差、施工工艺复杂、施工机具专业要求高等不足，使超薄磨耗层技术得以突破性的提升，满足国家低碳、环保发展理念，为公路路面应急处置、性能提升、美化亮化、绿色环保提供了一项经济、可靠的处理方案。