超薄罩面层在水泥混凝土路面加铺中的应用研究

覃东 卢军源 马乃富

作者简介：

覃 东（1989—），工程师，研究方向：沥青路面施工技术。

为了研究超薄罩面层在水泥混凝土路面加铺效果，文章采用沥青混合料小梁低温弯曲试验机、智能路面层间扭剪试验仪、路面横向力系数测试系统和多功能路况快速检测系统对用于水泥混凝土路面的EMC-13、EMC-10、AC-8和加纤维AC-8四种超薄罩面层沥青混合料进行小梁弯曲试验、扭剪试验并对其路表性能指标进行跟踪观测。结果表明：混合料类型对其性能影响较大，所选用的四种类型的超薄罩面层沥青混合料的低温性能和抗剪切性能均满足设计及规范要求，其中AC-8和加纤维AC-8的抗剪切性能及低温性能最好，EMC-10次之，EMC-13相对较差；通车半年后四种类型的超薄磨耗层路面结构除了抗滑性能指数，其余路面性能指标均出现不同程度下降，EMC-13的路面行驶质量指数衰减较快。

水泥路面；超薄罩面层；路表性能；抗剪强度；低温性能

U416.216A150534

0 引言

水泥混凝土路面因具有承载能力强和使用寿命长等优点，是我国早期高等级公路建设中一种常见的路面结构形式。但是水泥混凝土路面平整度差、行车舒适差及噪音大的缺点，不能满足人们日益提高的高质量出行要求。超薄罩面层作为一种常见的处治路面非结构型裂缝、恢复路面表面功能的预防性养护措施，广泛应用在我国养护工程领域，也吸引了国内科研工作者的大量关注。谭忆秋等［1］对不同类型超薄层的表面性能及抗水损害性能进行研究，提出初始摆值结合抗滑衰减程度可科学地评价超薄层的抗滑性能，冻融劈裂强度比和冻融劈裂强度相结合可以评价超薄磨耗层的抗水损害能力。杨献章等［2］通过对比AC-13C、Novachip超薄磨耗层及OGFC-13三种类型的沥青混合料，评价薄层罩面的使用性能。曾梦澜等［3］通过研究分析了粘层种类、用量、磨耗层类型对层间抗剪强度的影响，发现在最佳的粘层油洒布量下，Novachip超薄磨耗层的抗剪切能力优于AC-13C和OGFC-13。李正中等［4］通过观测车辙板轮碾位置构造深度在试验前后的变化，对密级配抗滑超薄磨耗层构造的深度衰减特性进行试验研究。牟压强等［5］等选取不同的沥青作为粘结材料，对超薄沥青罩面层与水泥混凝土之间的层间粘结性能进行试验研究。而目前密实型超薄罩面层沥青混合料和水泥混凝土路面加铺实体的应用鲜见报道。

本文依托广西三江至柳州高速公路水泥混凝土路面薄层加铺工程，研究广西常用的AC-8、纤维AC-8，以及易密实超薄磨耗层EMC-13和EMC-10在水泥路面上的加铺效果。采用路面智能扭剪仪研究不同类型的超薄磨耗层与水泥混凝土下卧层的粘结效果和抗剪性能，通过对实体工程的平整度、抗滑性能及激光构造深度的跟踪观测，评价各超薄层的路用性能，分析以上四种磨耗层结构用于水泥混凝土路面薄层加铺的工程适用性。

1 工程概况

三江至柳州高速公路为水泥混凝土路面，在对其进行超薄罩面施工前，进行了路面技术状况检测，并按照《公路技术评定标准》（JTG5410-2018）进行了评定。各分项指标的分布情况如图1所示。从检测结果来看，原路面整体病害较少，但平整度较差。在不增加原有路面结构层厚度、保持原有的交安设施、隧道净高均满足现行规范要求的前提下，提升路面行车舒适性，同时提前为今后加铺厚沥青层提供过渡层，进行超薄罩面。共采用四种超薄罩面施工工艺，具体如表1所示。

2 超薄罩面层施工和路用性能评价

2.1 原材料技术指标及配合比组成设计

采用的沥青为易密实高弹改性沥青，软化点为77 ℃，5 ℃延度为85 cm，135 ℃运动黏度为1.01 Pa·s，易密实剂在拌和楼投放，掺量8.0%；黏层为溶剂型高强防水粘结剂，其固体含量46.2%，23 ℃的表干时间和实干时间分别为1 h和6 h，不粘轮。

超薄罩面层在水泥混凝土路面加铺中的应用研究/覃 东，卢军源，马乃富

采用的粗细集料均为辉绿岩，产于广西罗城县宝坛乡碎石场，其中粗集料表观相对密度为2.852，吸水率为0.58%，磨耗损失为5.4%，与沥青的粘附性等级为5。细集料表观相对密度为2.837，吸水率为0.80%，亚加蓝值为0.5 g/kg。填料为石灰岩矿粉，产于广西柳州市柳江区，表观相对密度为2.713。所采用的原材料各性能指标均满足设计及规范的要求。AC-8、纤维AC-8、EMC-13和EMC-10级配如表2所示，曲线如图2所示，其中AC-8和纤维AC-8公称最大粒径为7.2 mm，EMC-13和EMC-10的最大公称粒径分别为13.2 mm和9.5 mm。

采用马歇尔法进行配合比设计，表3为四种级配的沥青混合料的主要物理指标及最佳油石比。

混合料的抗水损害能力采用浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比进行评价；高温性能采用动稳定度进行评价；低温稳定性及疲劳性采用混合料在-10 ℃，加载速度为50 mm/min的情况下的弯拉应变进行评价。四点弯曲疲劳试验的过程为：室内对四种超薄磨耗层结构成型车辙板试件，再切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体小梁试件，进行沥青混合料低温弯曲试验。相关试验结果见表4。

由表4可知，四种混合料的浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度及低温弯曲应变均满足设计要求，其中AC-8、纤维AC-8的高、低温性能较好，EMC-10次之，EMC-13较差。

2.2 施工过程简介

2.2.1 施工前路面检测

进行超薄罩面施工前，采用落锤式弯沉仪逐板进行水泥混凝土板底脱空检测，通过多级加载，线性回归截距＞50 μm判定为脱空。对存在严重沉陷的局部路段，采用地质雷达进行检测。在探明路基或路床存在空洞、脱空等病害后，进行注浆补强处置。

2.2.2 铣刨工艺探索

对原混凝土板进行铣刨，铣刨深度约18 mm。若采用常规的铣刨工艺，混凝土板接缝处容易出现坑边，薄层罩面后坑边处会出现剥落等病害。对铣刨工艺进行探索改进，各种铣刨工艺及其效果如表5所示。试验结果表明：预灌环氧树脂后672刀头铣刨，效果最优，预灌高强水泥浆后采用672刀头铣刨，效果次之。环氧树脂昂贵，早强水泥较廉价，综合考虑性价比，采用的铣刨方法为清除旧填缝料，灌注高强水泥浆，强度达到40 MPa后，采用672刀头纵向慢速铣刨，速度5 m/min左右，保证铣刨质量。

2.2.3 路面施工

路面铣刨后，缩缝采用聚氨酯、胀缝采用环氧树脂进行封缝，并跨缝铺设抗裂贴。在超薄罩面施工前洒布黏层油，黏层油为溶剂型高强防水粘结剂，洒布量为0.3～0.5 kg/m2。混合料采用2台摊铺机梯队摊铺，压路机紧跟慢压。其中AC-8和纤维AC-8未使用胶轮压路机，EMC-13和EMC-10使用胶轮压路机碾压3～5遍。四种路面结构的铺筑单幅长度见表6。

本次采用的EMC-10、AC-8、纤维AC-8、EMC-13超薄罩面层厚均为18 mm，碾压过程中发现EMC-13出现离析现象，这是由于摊铺厚度与最大公称粒径之比不匹配，不满足2.5～3.0的规范要求导致。

2.3 路用性能

在四种类型的超薄罩面层铺筑完成并通车6个月后，采用CICS多功能路况快速检测系统检测路面平整度、车辙深度，采用横向力系数测试系统检测路面横向力系数，并按照《公路技术评定标准》（JTG5410-2018）的要求换算成技术状况指数，用于评价超薄磨耗层的路表性能。四种超薄磨耗层的路表性能检测结果见表7～9。

由表7～9可以发现：

（1）所选用的四种超薄磨耗层结构均可改善水泥混凝土路面的行驶质量指数，且路面行驶质量指数RQI的初始差异较小；通车半年后，自密实超薄磨耗层EMC-13下降较块，但是四种结构的RQI差异不大，这是由于经精铣刨的水泥路面，其平整度本身就得到一定改善，超薄沥青罩面提升路面平整度有限，其主要功能是改善行车舒适性、降低噪音。

（2）四种超薄磨耗层的抗滑性能指数均出现不同程度的增长，其中以EMC-13增长幅度最大，这是由于在车辆作用下，集料表面的沥青膜被抹掉，集料的棱角暴露出来，抗滑性能变好。

（3）车辙深度指数出现不同程度降低，其中纤维AC-8降幅最大。这可能是由于纤维AC-8油石比和空隙率较大，通车后在行车荷载作用下，进一步追密造成的。

3 抗剪切性能评价

3.1 路面层间剪应力分析

与在平坡行驶相比，汽车在陡坡行驶时表面水平力增加，而正向重量有些许减小，平坡和陡坡路段路面受力情况如下页图3所示。

汽车上坡时车速降低，风阻力减少，而坡度阻力增大。由于坡度一般较小，可认为平坡段和陡坡段的表面正向压力相等。考虑中型货车（视为标准轴重-100 kN），后轴每个车轮重25 kN，车轮触地压力为0.7 MPa，取滚动摩擦系数为0.01，则1个后轴车轮的滚动阻力为250 N；对于平坡段，车速80 km/h时，按式（2）计算的整车风阻力为1 634 N，2轴中型货车有6个轮胎，近似认为每个车轮承受的风阻力相同，即每个车轮水平风阻力为272 N，则平坡段每个车轮总水平阻力为522 N，后轴1个车轮对路表作用的水平剪力为522 N；对于坡度5%纵坡段，根据文献［6］，计算的风阻力为350 N，则每个车轮承受的风阻力为58 N，后轴1个车轮的坡度阻力为1 250 N，滚动摩阻力仍为250 N，则后轴1个车轮总阻力为1 558 N。可见匀速行驶于5%纵坡的中型货车对路表作用的水平剪力是平坡段的2.98倍。如表10所示。

综合考虑坡度、风阻力、滚动摩阻力的影响，应用层状体系分析软件BISAR3计算沥青层与水泥混凝土层最大剪应力，计算结果见表11。从计算结果来看纵坡段和平坡段的层间剪应力几乎相等。

3.2 路面抗剪性能分析

为了更准确模拟路面在水平和竖向荷载下的真实受力情况，本文在铺筑完成后的路面现场钻取复合芯，并切割加工成复合试件，采用智能路面层间扭剪试验仪，对其进行扭剪试验。复合试件直径为100 mm，高度95 mm，其中沥青层厚度为19 mm。在试件顶部施加0.7 MPa正应力，模拟标准车荷载作用，扭剪试验环境温度20 ℃，以最大抗剪强度作为抗剪性能的评价指标。

由表12可知，在防水粘结层材料和撒布量相同的情况下，四种类型的罩面结构的实测层间抗剪强度远大于表11的层间剪应力。抗剪强度均满足要求。

4 结语

本文通过对四种超薄磨耗层沥青混合料进行室内外试验及路面性能的跟踪观测，得出以下结论：

（1）小梁弯曲试验结果表明：四种类型的超薄磨耗层沥青混合料在-10 ℃条件下的低温弯曲应变均满足规范要求，AC-8和纤维AC-8的低温稳定性最好，EMC-10次之，EMC-13最差。

（2）四种类型的超薄磨耗层结构均可改善水泥混凝土的路面行驶质量、抗滑性能等路表性能；但后期跟踪观测表明EMC-13的路面行驶质量指数和激光构造深度衰减较快；车辙深度指数出现不同程度下降，其中纤维AC-8下降最大；由于通车后混合料沥青膜被磨掉，集料的棱角暴露出来，四种超薄磨耗层结构的抗滑性能均出现不同程度的增长，其中EMC-13增幅最大。

（3）扭剪试验表明超薄罩面层结构的抗剪切性能较好，抗剪强度均大于不同坡度下的路面层间剪应力。

参考文献

［1］谭忆秋，姚 李，王海朋，等.超薄磨耗层沥青混合料评价指标［J］.哈尔滨工业大学学报，2012，44（12）：73-77.

［2］杨献章，凌剑兴，吴超凡，等.Novachip～超薄磨耗层沥青混合料使用性能评价［J］.公路工程，2013，38（1）：9-13.

［3］曾梦澜，彭良清，吴超凡，等.超薄磨耗层沥青混合料使用性能试验研究［J］.武汉理工大学学报，2012，34（4）：27-31.

［4］李正中，柴东然，耿 磊，等.密级配抗滑超薄磨耗层材料UWM-10设计与路用性能研究［J］.中外公路，2019，39（1）：243-248.

［5］牟压强，郭大进，孙武云，等.水泥混凝土路面-环氧沥青超薄罩面层间黏结性能试验研究［J］.公路交通科技，2021，38（5）：1-9.

［6］林有贵，杜荣耀，石菊创.大纵坡沥青路面车辙估算及混合料设计研究［J］.西部交通科技，2020，4（2）：80-85.