基于黏结性能优化的微罩面沥青路面预防性养护技术研究

何文继

（上海城投公路投资（集团）有限公司，上海市 200335）

0 引言

美国沥青路面研究人员曾对几十万公里不同等级道路进行跟踪研究发现，一条质量合格的道路在使用寿命75%的时间内性能下降40%，这一阶段称之为预防性养护阶段，如不能及时进行预防性养护，在随后12%的使用寿命时间内，性能将再次下降40%[1]。在预防性养护阶段，采取适当的养护技术对沥青路面进行预防性养护维修，一方面可以有效提高沥青路面服役质量，同时可以有效延长沥青路面的整体使用寿命。

超薄磨耗层预养护技术起源于法国，具有使用寿命长、单位面积投资低等特点，在欧洲和北美等发达地区得到了广泛应用[2]。2003年，我国在广韶高速公路的车辙病害修复过程中，引进了NovaChip超薄磨耗层技术，应用效果良好[3]。之后超薄磨耗层预养护技术在我国逐渐得到了较为广泛的应用。

相对于传统的超薄磨耗层技术，微罩面技术更薄，只有1.2 cm左右。微罩面技术的主要功能为恢复沥青路面的路用性能，延长沥青路面使用寿命，同时能够修复一些早期的沥青路面病害，如路面微裂纹、轻微路面车辙、麻面、磨光等。更薄的沥青路面厚度，具有更好的经济性和适用性，对原材料要求、混合料设计和现场施工等的要求也更高。

微罩面技术作为路表功能层，混合料自身的粘结性及与原路面的粘结性至关重要。本文将通过对混合料设计和施工工艺进行研究，以保证微罩面混合料自身及与原路面的粘结性能，引进三种新的沥青混合料试验方法对沥青混合料自身及与原路面的粘结性能进行评价。同时为了论述方便，下文将微罩面沥青混合料自身的粘结性能及其与原路面之间的层间粘结性能统称为微罩面技术的粘结性能。

1 微罩面沥青混合料粘结性能优化与评价方法

1.1 微罩面沥青混合料的技术要点

沥青路面微罩面作为路面功能层，如何保证微罩面技术的粘结性是本研究需要重点解决的问题。为了解决这个问题，本技术主要从三个方面进行优化：

第一，对微罩面混合料本身进行优化，包括沥青胶结料的优化，集料优化和混合料级配优化等。沥青胶结料需要足够的粘结性能，本研究选用高性能复合改性沥青，对关键指标进行严格控制；选用优质集料，对其级配进行优选。

第二，对微罩面与原路面的粘结进行优化，一方面采用高性能改性乳化沥青作为层间粘结材料；另一方面对原路面处理提出更高的要求，对原路面进行病害预处理和清洁处理，保证原路面整洁干净。

第三，对微罩面施工进行优化，考虑到微罩面厚度仅有1.2 cm，混合料在摊铺过程中，温度下降很快，本技术采用一体式摊铺机进行施工，粘层油撒布的同时，进行沥青面层的铺筑，沥青混合料中加入温拌助剂，热拌温铺，保证路面压实度。

1.2 微罩面沥青混合料的粘结性能评价方法

微罩面技术的路用性能很大程度上取决于微罩面技术的粘结性能，我们可以通过一定的技术手段进行优化，以达到目的。但如何对优化后微罩面技术的粘结性能进行评价是本研究需要重点关注的问题。

沥青混合料的基本力学特性是粘弹性，其强度随外界条件的变化而变化[4]。微罩面沥青混合料作为沥青路面的表面层，直接与环境结合，其承受的力学作用极为复杂，包括汽车正常行驶时候的动态正应力荷载、汽车制动时的复杂应力荷载和汽车转弯及调头时的多方向复杂应力荷载等。

对于材料破坏，我们最直观的印象是材料之间的粘聚力不足，材料承受的拉应力超出了其抗拉强度，导致材料破坏。Coulomb于1773年提出了单剪强度理论，即材料的破坏是沿着一定平面的滑移引起的，在考虑材料滑移面粘聚力的同时，需要考虑该面上的法向力产生的摩擦力[5]。而随着学者对材料破坏研究的深入，发现以上基本的强度理论并不能很好地解释一些材料破坏现象，有学者提出了双剪强度理论。

沥青路面在复杂应力作用下的强度特性也极为复杂，为了方便研究，我们可以将其进行简化，考虑到行车荷载作用，沥青混合料可能产生的破坏为抗拉强度不足或者抗剪强度。其中拉拔强度主要来源于胶结料的粘结性能，而抗剪强度则是来源于材料之间的模组效应。

为了对微罩面沥青混合料自身的粘结性以及与原路面的粘结性能进行评价，我们选择了三种力学试验进行研究：室内拉拔试验、室内斜剪试验和室内旋回车辙试验。试件的成形方式是现场铺筑试验路，通过钻芯取样成形。

（1）室内拉拔试验

为了对微罩面技术的粘结性能进行评价，我们选择了室内拉拔试验。通过万能力学试验机对试件进行拉拔，以抗拉强度为混合料粘结性能的评价标准。

（2）斜剪试验

斜剪试验的主要思想是模拟层间的受剪切状态，严格来说其原理与路面实际受力状况有一定的差别[6]。但试验简单，容易掌控，且试验过程能够一定程度上模拟沥青路面层间剪切状况，用以评价沥青路面的层间粘结性能是可以接受的。

（3）旋回车辙试验

沥青路面在复杂荷载作用下最易发生破坏，如汽车频繁转弯和调头的交叉口区域一直是沥青路面病害的重灾区。通过旋回车辙试验，通过转动车辙板试件以模拟路面在转弯和调头时的应力状况，对沥青混合料的抗变形和抗剪切性能进行评价。

2 微罩面混合料设计及常规性能检测

本研究采用了两种沥青混合料技术，为了对微罩面沥青混合料性能进行全面研究，保证其路用性能，本文首先进行沥青混合料设计研究，主要研究内容为原材料检测、级配设计和混合料基本性能检测。

2.1 沥青胶结料性能要求

为保证微罩面沥青混合料的粘结性能，需要选用高性能复合改性沥青，具体技术指标见表1[7]。

表1 高性能复合改性沥青技术指标

2.2 集料级配与油石比设计

选用优质玄武岩粗集料和石灰岩细集料，1#混合料参考SMA-5级配范围，油石比为7.5%；2#混合料级配范围参考AC-5，油石比为6.5%。所用集料与矿粉的技术要求均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）。

两种混合料级配见表2，级配曲线见图1。

表2 两种混合料级配

图1 两种混合料级配曲线图

对油石比进行室内试验验证。试验结果见表3。

表3 混合料油石比验证

根据油石比室内试验结果，两种混合料油石比的选择符合规范要求，试验结果，最终确定油石比∶1#混合料为7.5%；2#混合料为6.5%。

2.3 沥青混合料常规性能检测

按照设计油石比，成型马歇尔试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行冻融劈裂试验、析漏损失检测和肯塔堡飞散试验，试验结果见表4。

表4 常规室内试验结果

根据室内试验检测结果，本次研究采用的两种沥青混合料满足规范要求。

3 微罩面技术试验段铺筑与粘结性能研究

本文主要通过三种试验方法对两种微罩面技术的粘结性能进行研究与评价。为了保证评价结果的准确性，本次试验采用现场铺筑实验段，钻芯取样的方式成型试件，其中2#沥青混合料试验段铺筑之前，对原路面进行了精铣刨，1#沥青混合料试验段铺筑前，只对原路面进行清扫处理。

3.1 室内拉拔试验

室内拉拔试验的评价指标为抗拉强度，试验温度为50℃，试验仪器为万能试验机，试件为现场试验段钻取芯样，端面为100 mm×100 mm，厚度为60 mm。荷载加载速率为1 mm/min。

试验结果见表5和图2。

表5 粘结强度试验结果

图2 室内拉拔试验

从试验数据以及试件破坏形态来看，2#微罩面与原路面粘结性较好，粘结处无破坏痕迹，试件破坏发生在原路面层，1#微罩面试件破坏发生在微罩面与原路面粘结处，分析认为，对原路面进行适当的处理能有效提升层间粘结力；需要注意的是2#试件的破坏发生在原路面混合料部分，也就是说精铣刨可能对原路面混合料产生损坏，需要进一步的试验进行验证。

两种混合料的拉拔试验中，都未发生微罩面混合料的破坏，说明微罩面沥青混料自身的粘结性能良好。

3.2 斜剪试验

为了进一步研究微罩面与原路面的粘结性能，我们进行了室内斜剪试验，试验温度为50℃，剪切角为30°，采用100 mm×100 mm的方形试件，试件厚度为60 mm。斜剪试验主要用于评价粘结层抗剪切能力。但常规的斜剪试验主要用于测试刚性层之间的粘结强度或者刚性层与柔性层之间的粘结强度，本次试验的柔性层与柔性层之间的抗剪切粘结强度检测较为少见，试验过程中，我们发现难以得到试件完全破坏的抗剪切强度，试验荷载与位移曲线见图3。

图3 斜剪试验位移与荷载图

分析认为，试验荷载出现第一个台阶时，即为粘结层的破坏强度，随着试件变形的增大，柔性结构层的受力发生变化，此时试件的主要受力不再是剪切应力，后续的强度也不再是抗剪切强度。

我们取试验出现的第一个台阶数值为混合料抗剪强度结果，试验结果见表6。

表6 室内斜剪试验结果

两种试件的斜剪试验结果数值相近，后续对试件的破坏形态进行观察，见图4。

图4 斜剪试验破坏试件

从试件的破坏形态我们可以看出，1#试件有轻微层间滑移，2#试件几乎看不出层间滑移，说明2#微罩面技术的层间粘结性能更好，能够保证微罩面与原路面很好地结合在一起，保证其路用性能。

3.3 旋回车辙试验

微罩面厚度仅为1.2 cm，充当的是路面功能层，路面实际承重的仍为原路面结构层。对于城市道路，路面功能层在交叉口区域最易产生破坏，主要原因在于交叉口有频繁的汽车制动、转弯和调头工况，为了模拟路面在汽车转弯和调头阶段的工况，本研究引进了旋回车辙试验。

旋回车辙试验的车轮与传统车辙试验相同，车辙板所在底座固定在一个转盘上，试验过程中，转盘转动带动车辙板转动，从而模拟汽车转弯及调头。试验荷载为686 N时，轮压满足0.7 MPa±0.05 MPa要求；另考虑车辆调头时车速较低，在1.6 m/s左右，前后车轮间距约2.87 m，汽车转动一圈大概需要花费5.7 s，因此试验中转速定为10.5圈/min。其他条件均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的车辙试验要求进行安排。所得试验结果见图5。

图5 旋回车辙试验结果汇总

取5 mm车辙深度为标准，达到该车辙深度，1#混合料用时 9.5 min，2#混合料用时 12.6 min，2#混合料抗旋回车辙破坏性能更好。分析认为1#混合料采用的是间断级配，属于骨架密实结构，其强度形成主要依赖骨架嵌挤结构，且混合料最大公称直径只有4.75 mm，在汽车转弯和调头等工况下，骨架嵌挤结构更易产生破坏。现场试件见图6，从图6中我们可以看出，部分集料在旋回车辙试验中发生了推移。

图6 旋回车辙试验试件

从拉拔、斜剪及旋回车辙试验结果及时间破坏形态来看。微罩面技术在路用过程中主要的破坏点有两个，一个是层间粘结处的破坏，另一个是在汽车转弯或调头等多方向复杂应力作用下的微罩面集料本身的推移和分散，但实际上，通过上述沥青原材料选择、混合料设计及施工优化等措施，能通过提高沥青混合料本身的粘结性能以及微罩面与原路面之间的粘结性能来保证微罩面的实际服役性能。

4 微罩面现场试验段铺筑及性能研究

在试验段铺筑过程中，我们对试验路段的基本路用性能进行了测试，包括构造深度、摆值和渗水，试验结果见表7。

表7 现场试验路测试结果

对试验段现场检测结果进行分析：

（1）对比1#混合料和2#混合料试验段平整度，2#试验段的原路面进行了精铣刨，3 m直尺测试结果为0.8 mm，相对于1#试验段的4.75 mm，表现良好，表明微罩面沥青路面预防性养护技术的平整度对原路面状况的依赖程度很高。

（2）2#试验段的渗水系数为730 ml/min，属于半开级配设计；1#试验段的渗水系数为60 ml/min，属于传统的密级配设计。

（3）1#试验段的构造深度为0.71 mm，摆值为53；2#试验段的构造深度为0.55，摆值为69。表明1#混合的宏观构造较2#混合料为好，但1#混合料的摆值较2#混合料为好，总体满足城市道路基本抗滑要求。考虑到微罩面技术的最大公称粒径仅为4.75 mm，其表面构造深度有限，为了提高微罩面技术的抗滑性能，可以考虑采用耐磨性集料，如钢渣等。

5 结论

通过一系列的室内试验和现场试验段研究，我们可以得出如下结论：

（1）微罩面技术强度的形成主要靠沥青胶结料的粘结能力，因此对沥青胶结料性能的要求很高；

（2）微罩面技术作为路表功能层，主要作用为路表功能性修复和延长沥青路面使用寿命，路面结构强度主要依托原路面，因此，微罩面与原路面的粘结性能十分重要，原路面处理和粘层油的选择需要重点关注；

（3）微罩面技术厚度仅为1.2 cm，摊铺过程中，混合料温度下降很快，为了保证路面压实度，建议加入温拌助剂，热拌温铺，同时采用一体式摊铺机进行施工，保证路面施工质量；

（4）通过各个阶段的技术优化，微罩面技术能够很好地满足预防性养护要求，是一种经济实用的预防性养护技术。

[1]郑南翔.沥青路面养护技术及新材料新技术[C]//沥青路面养护新材料应用技术研讨会专家文稿.河南：中国公路学会养护与管理分会、河南省公路学会，2014.

[2]王长军.预防性养护技术在高速公路中的应用[D].陕西西安:长安大学,2013.

[3]曾思清.超薄磨耗层NovaChip材料性能及在高速公路预防性养护中的应用[D].广州:华南理工大学,2011.

[4]吴俊.沥青混合料等效力热性质的细观力学研究[D].武汉:华中科技大学,2013.

[5]Yu M.Advances in strength theories for materials under complex stress state in the 20th century[J].Applied Mechanics Reviews,2002,55(3):169-218.

[6]刘丽.沥青路面层间处治技术研究[D].西安:长安大学,2008.

[7]JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].