最大粒径不同的ARC超韧磨耗层性能对比研究
来源:用户上传
作者:曹小燕 麦荣章 许湛成
摘要：文章从室内试验和试验段试验两方面，对比研究了ARC-5和ARC-8两种最大粒径不同的超韧磨耗层性能。结果表明：粒径的加大和铺筑厚度的增大对于路面的横向力系数没有明显的影响，最大粒径和抗滑性能没有显著的相关性特征，最大粒径的增大会提高ARC混合料的高温稳定性和低温抗裂能力，同时也会提高ARC超韧磨耗层的路面平整度，有利于改善路面的行车舒适性。
关键词：超韧磨耗层；粒径；路用性能；高温稳定性
中图分类号：U416.03-A-02-005-4
0 引言
随着道路服役时间的增加，许多建成道路在服役期内逐渐出现耐久性降低、抗滑性能衰减、行车噪音增大等问题。在道路性能衰减期间适时地引入养护处治，可以极大地改善道路的行驶质量，同时有效缓解道路耐久性下降问题［1］。超薄磨耗层在延缓路面的性能衰减速率、有效延长路面的使用寿命方面有一定的效用［2-3］。同时，薄层罩面较薄的铺筑厚度极大地节省了不可再生的矿料资源，是目前公路养护工程中较好的处治工艺［4-5］。
ARC超韧磨耗层是超薄磨耗拥囊恢郑其采用高弹高韧的复合改性沥青作为沥青胶结材料，良好的弹性和黏性很好地抑制了原路面裂缝的反射开裂［6］。同时，高弹高韧改性沥青可以增大沥青膜厚度，有效改善薄层罩面的脱落和耐久问题［7］。
本文针对ARC-5和ARC-8两种最大粒径不同的超韧磨耗层混合料，进行了配合比设计，在此基础上，开展了包括室内性能试验和路用性能试验的对比研究，并依托包茂高速公路预养护工程进行了超韧磨耗层的铺设，比较最大粒径不同的ARC超韧磨耗层性能的差异情况。
1 原材料
1.1 集料
选用同一石场的辉绿岩作为ARC-5和ARC-8两种混合料使用的粗集料和细集料，其中，粗集料性能指标见表1。
1.2 沥青
选用的高黏高韧沥青均产自同一批次，沥青的具体性能指标见表2。
1.3 填料
选用的填料为矿粉，均产自同一产家，其具体的性能指标如下页表3所示。
2 配合比设计
2.1 设计级配
根据规范的要求，本文针对ARC-5和ARC-8进行了级配设计。混合料具体的级配如表4所示。
2.2 最佳油石比
依据《公路沥青路面施工技术规范》［8］试验流程对ARC超韧磨耗层材料进行马歇尔试验，确定ARC-5和ARC-8的最佳油石比。具体的最佳油石比和马歇尔试验各项指标见表5。
由表5可知，ARC-5的最佳油石比只比ARC-8高0.1%，二者差距不大，并且二者的稳定度、空隙率、间隙率、饱和率指标的差距也不大。这说明随着ARC混合料最大粒径的增大，混合料的最佳油石比变化不大，最大粒径的改变不会导致沥青用量的变化。同时，沥青ARC-8马歇尔试件的流值较ARC-5小，说明ARC-5抵御变形的能力较弱。最大粒径的增大使得混合料内部的嵌挤结构更加牢固，增加了混合料的抗变形能力，同时也提高了混合料的稳定度。
3 混合料性能研究
3.1 室内试验性能比对
为了较全面地比对ARC-5和ARC-8混合料的室内试验性能，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［9］，采用前文确定的设计级配，按各自最佳油石比成型试件，分别对ARC-5和ARC-8成型试件进行了飞散试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验、残留稳定度试验和高温车辙试验。
3.1.1 高温稳定性
从表6～7的数据可以看出，ARC-8的残留稳定度和动稳定度较ARC-5好，反映了ARC-8自身抵抗高温作用下混合料性能衰减的能力更强。同时，ARC-8的稳定度较ARC-5的更高，具有更好的力学性能。但是ARC-8的60 min变形量较ARC-5的偏大，说明在高温环境下ARC-8混合料的变形量会更大。
通过试验，说明最大粒径的改变在一定程度上使得ARC混合料级配嵌挤得到提升，总体混合料的结构稳定性得到了提升，所以ARC-8的高温性能衰减会比ARC-5慢，同时其单值的稳定度也较高。但是其高温环境下的变形量也因为存在较大的颗粒而稍微变大，具体表现为车辙试验中变形量的增加。
3.1.2 低温抗裂性能
从表8～9数据可以看出，ARC-8的低温弯曲最大弯拉应变、抗弯拉强度、弯曲劲度模量均比ARC-5高，说明在单一的低温环境下，ARC-8的低温抗裂性能比ARC-5的好。但是，对比冻融劈裂残留强度比可以发现，ARC-5的残留强度比较ARC-8的略高，说明ARC-8持续抵抗低温水毁、保持混合料低温水稳定性能的效果较差。粒径的增大在一定程度上提高了抗低温性能的阈值，但是同时也降低了抗低温水毁稳定性。
3.1.3 肯塔堡飞散试验
从表10数据可以看出，高黏高韧沥青的加入，使得ARC-8和ARC-5的飞散损失均维持在较低的水平，较大的粒径基本没有影响混合料的飞散性能，也从侧面印证了ARC高韧磨耗层中改性沥青对混合料的粘结性能提升作用较大，ARC混合料内部粘聚力大多来自于高黏高韧沥青。
3.2 试验段室外性能指标对比
本文依托2021年实施的包茂高速公路预养护工程，进行了ARC-5和ARC-8试验段的铺设，ARC-5的铺设厚度为1.2 cm，ARC-8的铺设厚度为1.5 cm。为了降低其他方面的影响因素，ARC-5和ARC-8选取的试验段为邻近路段，且原路面基本状况一致。试验段层间粘结均采用一样的施工方法，以降低对罩面的影响［10］。本文针对试验段进行了抗滑、平整度、构造深度等性能指标的对比分析。
3.2.1 抗滑性能
采用路面横向力系数测量车对试验路段进行了抗滑性能方面的数据检测，横向力系数车辆按连续数据采集的方式，每20 m采集一次数据。采集车道为试验段外车道。表11为抗滑性能检测情况。
nlc202211211444
以相邻的SFC数据差值为Y坐标，桩号为X坐标，分析试验路段抗滑值的局部离析情况，以评价路段抗滑性（见图1～2）。
通^图1～2和表12可以看出，ARC-5和ARC-8的横向力系数均值相差不大，且其变异系数、标准差差距也很小，说明ARC-5和ARC-8试验段路面的抗滑性能相差较小，进一步表明了ARC超韧磨耗层中最大粒径的增大不会导致混合料抗滑性能的显著变化。同时，通过统计相邻SFC差值分布发现，ARC-5的相邻SFC差值绝对值均值为1.24，ARC-8的为1.06，二者相差较小，表明ARC-5和ARC-8的抗滑平顺性相差不大。ARC超韧磨耗层中最大粒径的增加和路面铺筑厚度的提高不会改善路面抗滑性。
对比表12的构造深度可以发现，最大粒径的增大使得路面的表面构造深度有所上升，主要原因是最大粒径增大了混合料表面开孔空隙，从而提高了其构造深度。从试验数据分析，ARC混合料的构造深度和横向力系数相关性较小。
3.2.2 平整度
本文采用“多功能路况快速检测系统”对试验段进行平整度的连续性检测，收集试验段的平整度数据。因平整度检测受作业面的影响较大，所以需先对试验段原始的平整度进行检测，对比加铺前后新旧路面平整度的差异，以分析ARC超韧磨耗层对路面平整度的影响。表13为检测结果。
以相邻桩号平整度数据差值为Y坐标，桩号为X坐标，分析试验路段平整度的局部离析情况，以评价试验路段平整度（见下页图3～4）。
为排除原路面平整度影响因素的干扰，本文采用IRI前后提升数值来对ARC超韧磨耗层的平整度效果进行评价。从IRI提升值来看，ARC-8的IRI提升值比ARC-5的IRI提升值更高，说明ARC-8的平整度提升效果整体比ARC-5好。同时，通过图3～4可以分析得出，ARC-8处治前相邻IRI差的均值为0.012，处治后为0.004；同时ARC-5处治前相邻IRI差的均值为0.004，处治后为0.002。对比处治前和处治后的值，可以得出ARC-8和ARC-5均有效地改善了路面的平整度，处治前相邻路面的IRI差值较高，说明路面的平整度较差，处治后的ARC路面IRI差值均较低，说明路面的平整度较好，即ARC超韧磨耗层的铺筑有效地增加了路面平整度，提高了路面行驶的舒适性。同时，横向对比ARC-5和ARC-8对平整度的提高幅度可以发现，ARC-8对路面平整度的修复效果更好，对于改善路面平整度更加有效。
根据试验结果分析，增加ARC超韧磨耗层的最大粒径，路面的铺筑厚度会相应增加，路面铺筑厚度的增加会相应地提高平整度的修复范围；同时，铺筑厚度的增加也提高了路面摊铺时的容错率，提高了路面的平整度。因此ARC-8平整度修复的总体情况较ARC-5要好。
4 结语
本文以包茂高速公路预养护工程为依托，通过室内试验和试验段铺筑两个方面对ARC-8和ARC-5超韧磨耗层的各项性能指标进行对比分析，研究表明：
（1）ARC超韧磨耗层最大粒径的增大并不会使得混合料的最佳油石比发生明显的变化。同时，由于最大粒径的增大，沥青饱和度下降，材料本身的嵌挤结构有所加强，其稳定度会上升，同时流值呈稍微下降的趋势。
（2）随着ARC超韧磨耗层材料最大粒径的增大，其高温稳定性得到一定的提高，且高温下力学性能指标也随之提高。
但是随着最大粒径的增大，ARC-8的高温车辙变形量较ARC-5要高。
（3）随着粒径的增大，ARC混合料的低温力学性能明显提高，模量和抗弯拉强度以及应变等均有提升。但是随着粒径的增大，ARC-8的低温抗水毁的性能较ARC-5有略微的下降。
（4）随着ARC混合料最大粒径的增大，路面构造深度会相应提升，但最大粒径的增大和铺筑厚度的增加不能有效地提高路面的横向力系数。
（5）最大粒径的增大和铺筑厚度的增加会使得ARC超韧磨耗层的平整度得到改善，同时，较大的铺筑厚度可以有效地改善路面的平整度，有效地降低平整度不均匀的情况。对于需要进行修复平整度的养护路段，可以适当地增加ARC混合料的粒径以增加路面厚度，达到修复平整度的效果。
参考文献
［1］李亚明.超薄磨耗层的研究与应用［D］.长沙：长沙理工大学，2012.
［2］虞将苗，杨倪坤，于华洋.道路高性能沥青超薄磨耗层技术研究与应用现状［J］.中南大学学报（自然科学版），2021，52（7）：2 287-2 298.
［3］于庆革，田新宇，舒 跃.浅谈超薄磨耗层沥青混凝土在公路养护中的应用［J］.公路，2010（10）：233-236.
［4］陈富达.高韧超薄沥青磨耗层的力学性能和功能属性研究［D］.广州：华南理工大学，2020.
［5］董艳梅.超薄磨耗层施工技术在道路维修工程中的应用探析［J］.中国公路，2021（15）：100-101.
［6］李尚彬.ARC超韧磨耗层在“白改黑”复合式路面中的应用研究［J］.交通科技，2021（2）：74-77.
［7］高 磊，吴旷怀.基于正交试验的复合高黏高弹改性沥青制备及性能研究［J］.公路，2021，66（12）：323-329.
［8］JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.
［9］JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.
［10］柴冲冲.1 cm厚超薄罩面在公路工程中的应用分析［J］.公路，2019，64（10）：269-272.
作者简介：
曹小燕（1988―），硕士，工程师，主要从事高速公路运营管理工作。
nlc202211211444
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15442391.htm
