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                                  薄層罩面級配特征與適用性分析
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                                  薄層罩面級配特征與適用性分析
                                  2022年11月14日    閱讀量:76565    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

                                  摘 要

                                  薄層罩面技術廣泛應用于國內外瀝青路面的預防性養護中,其技術種類與適用范圍均不盡相同。在實際應用過程中,需明確不同薄層罩面類型對應的技術特點與適用范圍以實現物善其用。該文整理了近期薄層罩面領域的相關研究進展,包括室內試驗研究、現場試驗段短期與長期性能觀測,總結并論證了國內外典型薄層罩面級配特征及其適用性的一般關系,得出最大公稱粒徑NMAS和級配類型對薄層罩面若干服務性能的影響,指出不同薄層罩面技術的適用范圍,揭示了中國薄層罩面技術種類較為單一、應用范圍相對受限的問題瀝青網sinoasphalt.com。


                                  關鍵詞 道路工程 | 薄層罩面 | 級配類型 | NMAS | 抗滑性能


                                  引言

                                  中國經濟社會發展步入新時代,道路行業經過數十年的發展,在規模和質量上均已達到世界先進水平。2019年底中國公路總里程已達501.25萬km,其中養護里程495.31萬km,占總里程的98.8%。當前道路養護面臨的問題集中表現為:路面服務功能衰減明顯,主要包括抗滑性能、平整度、行駛質量下降。路面功能性損傷直接影響到道路服務對象的行駛安全與質量,必須采取針對性的處置措施。


                                  20世紀80、90年代,歐美各國的主要道路同樣出現了服務性功能下降的問題,薄層罩面技術應運而生。1999年AASHTO公布的美國國家路面養護報告指出,薄層罩面是最為有效的瀝青路面預防性養護技術。薄層罩面可用于修復路表非結構性損傷的裂縫和車轍、提高路面的平整度和抗滑性能、改善舊路面老化狀況、延長路面使用期限,國外工程實踐證明:薄層罩面技術作為一種預防性養護措施,與微表處相比可延長高速公路路面使用壽命至少6年以上。


                                  薄層罩面技術起源于20世紀70年代后期的法國,之后在歐美各國廣泛使用。應用初期以Novachip?系列產品為代表,經過不斷地推廣應用和技術革新,目前薄層罩面技術的產品已擴展至SMA、OGFC、再生技術(RAP)、溫拌技術(WMA)等多個領域,表現出更加顯著的應用價值和光明的發展前景。中國薄層罩面技術雖已形成較為完整的設計、生產和施工體系,但同國外多樣化的技術應用相比,其技術種類與使用范圍仍存在改進優化的空間。該文通過調研國內外典型薄層罩面技術的相關室內試驗研究與現場實測數據,針對薄層罩面技術的若干關鍵服務性能,總結并論證了薄層罩面技術的級配特征及其適用性,為不同種類薄層罩面技術的實際應用提供參考。


                                  國內外典型薄層罩面技術類型


                                  薄層罩面技術種類的區分主要以級配類型與鋪筑厚度為分類標準,薄層罩面級配類型的確定與其自身的結構特點和使用功能直接相關。薄層罩面層厚較小,不同國家和地區的厚度范圍存在一定差異性,普遍為15~35mm。薄層設計的理念主要反映了道路工作者對于養護成本以及路面壓實效率的重視,面層厚度的減薄也直接影響到級配設計中最大公稱粒徑(DNMAS)的確定。NCHRP相關報告指出薄層罩面結構層厚度與DNMAS之比一般為2~3;JTGD40-2017《公路瀝青路面設計規范》對該比值的規定為:對于連續級配瀝青混合料和SMA,比值不宜小于2.5;對于開級配瀝青混合料,不宜小于2.0。結合薄層罩面的一般鋪設厚度,可確定薄層罩面DNMAS為4.75~13.2mm,主要分為4.75、9.5和13.2mm3類,級配種類亦分為密級配、半開級配與開級配3種。


                                  密級配型薄層罩面


                                  密級配型薄層罩面是應用最為廣泛的一類薄層罩面技術,中國相關規范與部分省級養護規范涉及的密級配薄層罩面主要有以下4種,分別為SMA-10、SAC-10、ACG-10和Sup-10,鋪筑厚度一般為25~35mm,實際應用中以SMA-10最為普遍。DNMAS為9.5mm密級配薄層罩面可有效增加路面抗滑能力,亦兼顧了降噪的需求,在滲水方面,密實型混合料用作表面層主要表現為低透水性能,原路面的水穩定性可得到改善,但無法有效改善雨天行駛的可視性與安全性。


                                  美國將歐洲薄層罩面技術與Superpave?設計方法相融合,結合各州實際交通情況與養護經驗,提出了多種類型的密實型混合料,級配組成見表1。此類薄層罩面的鋪筑厚度一般為0.5~1in(12.7~25.4mm)。美國各州薄層罩面的厚度與DNMAS的比值并非嚴格滿足ASSHTO規范中3~5的要求。由于具有粒徑較小以及相對較高的瀝青含量,薄層罩面混合料較為容易壓實。厚度與DNMAS的比值限制也可適當降低,這意味著可以將較大公稱粒徑如12.5/13.2mm的混合料用于薄層罩面中,事實上DNMAS為12.5mm薄層罩面的通常鋪設厚度僅為0.75in(19mm),壓實要求的降低也可由表1中混合料設計壓實次數反映:阿拉巴馬州DNMAS為12.5mm混合料的設計壓實次數為60次;馬里蘭州DNMAS為4.75mm混合料設計壓實次數則根據交通量大小,分別設定為:中小交通量對應50次;大交通量對應65次。

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                                  半開級配型薄層罩面


                                  半開級配型薄層罩面特指美國Novachip?系列產品,源于1986年法國SCREG Routes Group研發的薄層罩面技術,通常鋪筑厚度為3/8~3/4in(9.5~19mm)。Novachip采用間斷級配,分為A、B、C共3種類型,DNMAS分別對應4.75、9.5、12.5mm。Novachip?混合料級配斷點為2.36~4.75mm,級配曲線與SMA類似,但其結合料與填料含量低。因此該混合料本身透水,空隙率為8%~16%,表面紋理與開級配磨耗層(OGFC)相似。Novachip?的細集料含量更多,力學穩定性與抗剪能力優于開級配瀝青混合料,但空隙率相對下降,曹東偉等對半開級配瀝青混合料真空飽水后的自然排水試驗結果表明:半開級配瀝青混合料孔隙結構以有效孔隙(連通孔隙)和半有效孔隙為主,30min排水率為40%~50%,實際路面排水效率存疑。同密級配瀝青磨耗層相比,Novachip?在構造深度、抗滑、降噪、改善雨天行車可視性和安全性等方面仍存在一定的優勢。


                                  2003年中國引進了Novachip?專用設備在廣韶高速公路鋪筑了2km的試驗路。此后,南方部分省市,如廣東、福建、江蘇、浙江等分別引進該技術作為超薄磨耗層用于高速公路預防性養護。目前Novachip?薄層罩面在中國很多地區的實際養護工作中均得到一定程度的推廣,但關于半開級配瀝青混合料設計理論及配套設備技術的研發仍處于研究評估階段,且缺少該類型薄層罩面的實際使用效果及使用壽命分析數據。


                                  開級配細粒徑磨耗層


                                  開級配細粒徑磨耗層(OGFC)是20世紀60年代由美國西部幾個州的混合料封層發展而來的。OGFC在應用初期曾出現過多種問題,如瀝青析漏、過早氧化、松散、下面層剝落等問題。為改進這項技術,20世紀90年代美國開始逐漸向歐洲學習,美國的OGFC材料組成、厚度、施工等逐漸向歐洲靠近。OGFC用于預防性養護中的瀝青混合料類型以DNMAS為9.5/12.5mm混合料為主,設計空隙率增至20%,鋪設厚度為0.75~1.25in(19~32mm)。改進之后的OGFC在排水、降噪、抗滑以及耐久性方面得到了進一步提升,目前已廣泛應用于美國西、南部各州的高等級路面養護;在北部凍融病害十分顯著的地區,開級配磨耗層鋪設厚度會相應增大,有些地區如威斯康辛州、俄勒岡州則明確提出限制OGFC在寒冷地區的使用。


                                  中國OGFC主要用于表面磨耗層以及排水瀝青路面面層,作為薄層罩面應用于道路養護中較少,僅北京、江蘇、廣東等部分地方養護規范中將其作為薄層罩面用于預防性養護。江蘇省曾鋪設過OGFC-10/13薄層罩面,如寧高高速公路2006年路面養護鋪設的3cm厚AR-OGFC-13薄層罩面,瀝青膠結料選用橡膠瀝青,級配設計主要參考了美國得克薩斯州OGFC級配范圍,瀝青用量較大(油石比為8.9%)。


                                  薄層罩面級配特征與適用性論證


                                  總結上述國內外薄層罩面級配類型的級配組成及使用特點,可以得出目前薄層罩面技術的級配特征及其適用性的一般特點:


                                  (1)厚度減薄使得路面壓實效率提高,一般結構層厚度與DNMAS比值的限制在厚度減薄后可相應降低,DNMAS為12.5/13.2mm混合料可應用于薄層罩面;DNMAS為9.5mm混合料應用最為廣泛;DNMAS為4.75mm密級配瀝青混合料在國外薄層罩面中已有應用,在不同交通量條件下的使用效果仍需論證。


                                  (2)密級配型薄層罩面如SMA-10、Sup-10應用最為廣泛,抗滑、密水、降噪及耐久性能顯著;開級配細粒徑磨耗層OGFC-10/13的骨架空隙結構賦予其良好的抗滑、降噪和排水特性,但為保障耐久性需提高瀝青用量并引入纖維類材料,施工成本相對提高;Novachip?半開級配的組成特點介于間斷密級配與開級配之間,具有一定的排水性能,在中國一般用作超薄磨耗層。


                                  上述薄層罩面級配特征與適用性的一般關系主要通過總結實際應用經驗得出,其可靠性尚需真實數據的論證。該文擬選用國內外薄層罩面技術應用的實測數據,反映級配特征與關鍵服務性能的內在聯系,并進行薄層罩面應用DNMAS為4.75mm混合料的可行性分析,以論證上述結論的可靠性。


                                  薄層罩面級配特征與關鍵服務性能的關系


                                  薄層罩面技術的核心服務導向是其抗滑特性,在過去一般通過摩擦系數與構造深度表征面層的抗滑性能。摩擦系數反映面層材料的微觀構造,在低速條件下,微觀構造是路面抗滑性能的決定性因素;構造深度則反映材料表面的宏觀紋理,在較高速度,尤其當有水膜存在時,構造深度對抗滑性能的影響更大。圖1、2分別為美國早期鋪設的Novachip?型薄層罩面以及用作對照組的密級配磨耗層路表紋理特征,由圖1、2可以看出:Novachip?型混合料的路表紋理更為粗糙。兩種路面竣工后3年內摩擦系數隨時間的分布如圖3所示。


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                                  由圖3可以看出:Novachip?型混合料試驗段右幅摩擦系數較大,而在左幅與密級配混合料相當。仔細比較兩種級配類型混合料的摩擦系數大小,會發現二者的差異性并不明顯,甚至出現密級配混合料摩擦系數大于Novachip?的情況,即摩擦系數無法直觀體現Novachip?在抗滑性能上的優勢。類似結果也出現在中國的一些研究中,圖4為中國研究人員對AC-13C、Novachip?Type-C以及OGFC-13進行抗滑性能比較的摩擦系數試驗結果,3種混合料摩擦系數差異性并不明顯,且摩擦系數相對大小無法直觀體現Novachip?和OGFC在抗滑性能方面的優勢。圖5反映的是同一研究中3種混合料的構造深度試驗結果,構造深度的大小關系與3種混合料實際抗滑性能相對應且差異性明顯。

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                                  上述兩組案例,對應于國外試驗路現場測試與中國室內試驗研究,所得數據均表明摩擦系數表征路面材料的抗滑性能存在一定的缺陷?,F行JTGD40-2017《公路瀝青路面設計規范》將抗滑技術指標修改為橫向力系數和構造深度,去除了舊版規范中的摩擦系數指標,一定程度上論證了上述結論的可靠性。為進一步論證級配特征對薄層罩面抗滑性能的影響,該文擬采用構造深度作為主要評價指標。


                                  構造深度反映了路表宏觀紋理,研究認為宏觀紋理與混合料級配類型以及孔隙結構存在一定的函數關系。美國NCAT試驗路的長期觀測數據表明宏觀紋理同路面耐久性相關:路面耐久性下降通常表現為集料松散、剝落的現象,致使混合料內部孔隙結構暴露在表面。研究發現,路表構造深度在這一過程中表現出增大的趨勢。這意味著采用構造深度表征路面抗滑性能時,通過孤立的試驗數據說明構造深度滿足規范要求,不足以完全反映實際路面的抗滑性能;應體現構造深度隨使用期限或加載次數的變化趨勢,客觀真實地評價路面實際抗滑與耐久的使用效果。


                                  NCAT于2003年鋪設了DNMAS為4.75、9.5、12.5mm3種Superpave?密級配薄層罩面的試驗路,并對3段試驗路進行了為期8~9年的性能跟蹤觀測??够阅懿捎脴嬙焐疃缺碚?,構造深度隨加載次數的變化曲線如圖6所示。在試驗路段使用壽命初期,累計作用次數Nesals小于3.0×10^6 次,對應于AASHTO規范中的低交通量,3種密級配混合料構造深度大小關系表現為:12.5mm(DNMAS)>9.5mm(DNMAS)>4.75mm(DNMAS),符合構造深度隨粒徑增大而增加的一般觀點;Nesals超出3.0×10^6次后,DNMAS為9.5mm混合料的構造深度超過了DNMAS為12.5mm混合料,這一發現與構造深度同粒徑大小的關系相矛盾。需結合抗滑性能與耐久性的關系進行解釋。相關研究指出:構造深度與加載次數線性擬合的斜率可反映相應混合料的耐久性:較大斜率的混合料具有相對較差的耐久性能。因此,NCAT試驗路構造深度的觀測結果說明:DNMAS為9.5mm混合料薄層罩面抗滑性能在使用后期會受到耐久性下降的顯著影響,雖然構造深度不斷增加,但實際使用效果可能會伴隨松散、剝落等耐久性病害而有所削弱;DNMAS為12.5mm混合料薄層罩面可兼顧抗滑性能與耐久性的要求。此外,該研究還認為,DNMAS為4.75mm混合料用于薄層罩面抗滑性能是其明顯缺陷,但卻表現出較好的耐久性、平整度和抗永久變形能力,DNMAS為4.75mm混合料用于薄層罩面技術的可行性需額外論證。


                                  以上論述通過引用國內外試驗路現場測試、長期性能觀測以及室內試驗研究,說明了以構造深度為評價指標的薄層罩面級配特征與抗滑性能的關系,可得到以下結論:

                                  (1)級配種類與抗滑性能的關系:密級配<Novachip?半開級配<開級配。


                                  (2)Superpave?密級配型薄層罩面DNMAS與抗滑性能的關系:在使用初期,或荷載作用次數較小時,與一般認識相符,即4.75mm<9.5mm<12.5mm,但在使用后期,DNMAS為9.5mm混合料實際使用效果受耐久性降低影響,松散剝落等病害間接引起構造深度的相對增大。因此,實際使用效果應結合抗滑性與耐久性進行評估。DNMAS為12.5mm混合料抗滑性與耐久性在荷載加載前后階段均表現較好。


                                  (3)DNMAS為4.75mm混合料主要缺陷表現在抗滑性能上,但NCAT試驗路的實測結果表明該種混合料具有較好的耐久性、平整度以及抗車轍能力,是否適合用作薄層罩面仍需論證。

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                                  薄層罩面應用DNMAS為4.75mm混合料的可行性分析


                                  由3.1節分析可知,DNMAS為4.75mm混合料的缺陷主要是無法提供足夠的構造深度以滿足抗滑性能的要求。中國SAC混合料類型研究時,同樣對DNMAS為4.75mm的AC-5混合料進行了評估:AC-5的2.36mm以上的碎石含量為25%~45%,該種混合料的構造深度難以滿足路面抗滑性能的要求。對于高等級路面的養護工作而言,抗滑性能的保證居于主導地位。但是考慮到不同區域交通軸載、通行水平以及氣候特點的多樣性,DNMAS為4.75mm混合料仍具有廣泛的應用空間。


                                  國內外已有關于DNMAS為4.75mm混合料實際應用效果的研究,NCAT于2011年公布了DNMAS為4.75mm混合料應用研究的成果,為修改ASSHTO中此類混合料設計標準提出相關建議,以推廣DNMAS為4.75mm混合料的應用。研究報告總結了不同地區試驗段路用性能的實測結果,如表2所示。


                                  4條試驗段路用性能測試結果表明:APA車轍深度均滿足小于9.5mm的要求;且明尼蘇達州試驗段在相對較高的Nesals情況下表現出較好的抗車轍性能,其原因主要和使用改性PG64-33瀝青和棱角性粗糙度極優的鐵燧巖有關;滲水性能方面,田納西州試驗路因現場空隙率較大,實測滲透系數相對較大,但綜合現場實測滲透系數與室內試驗結果,研究認為DNMAS混合料在相對較高的現場空隙率下仍具有不透水性;構造深度測試結果處于DNMAS為4.75mm混合料的正常范圍。

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                                  上述研究總結了DNMAS為4.75mm混合料的實際使用效果,分析了該類型混合料的設計要點和優缺點。報告明確指出,DNMAS為4.75mm混合料不能用于高等級、重載條件下的道路養護;但對于等級較低、交通量較小的路面,該類型混合料在降噪、防水、施工方便、以及對剩余礦料資源的有效利用方面均表現出明顯的優勢。因此,DNMAS為4.75mm混合料用作薄層罩面依然具有廣泛的使用前景。


                                  結論

                                  該文系統概述了國內外薄層罩面典型級配及其使用特點,在此基礎上提出并論證了薄層罩面級配特征與其適用性的一般關系,主要結論包括:

                                  (1)DNMAS為9.5mm密級配混合料在薄層罩面中使用最為普遍,但使用后期路面耐久性可能會有所降低。

                                  (2)DNMAS為12.5/13.2mm混合料同樣適用于薄層罩面,且DNMAS為12.5/13.2mm混合料可兼顧抗滑性與耐久性,長期使用效果較好。

                                  (3)Superpave?DNMAS為4.75mm密級配型混合料可用作低等級、低交通量路面的薄層罩面。

                                  (4)級配類型對薄層罩面抗滑性能的影響表現為:密級配<Novachip?半開級配<開級配。

                                  (5)密級配型薄層罩面應用最為廣泛,抗滑、密水、降噪及耐久性能顯著;開級配細粒徑磨耗層OGFC-10/13兼具抗滑、降噪和排水特性,但成本較高;Novachip?半開級配的組成特點介于間斷密級配與開級配之間,具有一定的排水性能,在中國一般用作超薄磨耗層。


                                  標簽:今日頭條,綜合論文,施工案例,技術中心,瀝青混凝土
                                  免責聲明: 本文僅代表作者本人觀點,與中國瀝青網無關。本網對文中陳述、觀點判斷保持中立,不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考,并請自行承擔全部責任。本網轉載自其它媒體的信息,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。如因作品內容、版權和其它問題需要同本網聯系的,請在一周內進行,以便我們及時處理。郵箱:23341570@qq.com
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