薄层罩面属于新技术还是新工艺（高速公路薄层罩面多少钱一个平方

同步碎石车 高性能冷铺薄层罩面混合料优化设计与路用性能研究

张超 魏必成 代松航 陈香 刘西胤 罗正宇 柳昊

福建省高速公路达通检测有限公司 福建省高速公路工程重点试验室 东南大学交通学院

摘 要：为了解决沥青路面预防性养护技术中抗滑性、耐久性不足的问题,提出了一种新型高性能冷铺薄层罩面技术。同时采用McLeod *** 确定了集料撒布量,采用湿轮磨耗试验和负荷轮黏砂试验确定了乳化沥青的更佳涂布量,参照渗水系数确定了纳米封面剂的酒布量,并对高性能冷铺薄层罩面混合料的早期强度、层间粘结强度、抗滑性和耐久性进行了研究。

关键词：道路工程薄层罩面冷铺技术混合料路用性能预防性养护

作者简介：张超,男,高级工程师,博士,主要研究方向为道路工程材料。*魏必成,男,高级工程师,博士,主要研究方向为道路工程材料。代松航,男,高级工程师,博士,主要研究方向为道路工程材料。陈香,男,博士,主要研究方向为道路工程材料。刘西胤,男,在读博士研究生,主要研究方向为道路工程材料。罗正宇,男,在读硕士研究生,主要研究方向为道路工程材料。柳昊,男,在读硕士研究生,主要研究方向为道路工程材料。

随着我国公路事业的蓬勃发展以及日趋增加的交通量和轴载，在气候环境的综合作用下，对沥青路面进行预防性养护实属必要。王志超[1]通过研究认为：薄层罩面技术相较于雾封层技术不仅能提高路面的抗滑性能、防渗水性能，治理路面的车辙、轻微裂缝，而且对路面的结构强度、坑槽、平整度也有一定的效果。曾德亮[2]采用水性环氧树脂乳液改性乳化沥青作为雾封层材料进行了相关研究，取得了一定效果。陈海珊[3]介绍了沥青再生剂PDC在路面预防性养护中的应用，结果显示该材料可在一定程度上恢复沥青路面的各项指标，特别是路面的防水渗透能力得到较大的提高。

传统的沥青路面预防性养护技术固然在沥青路面早期病害的防治中发挥了一定的作用，但也存在诸多弊端。例如，传统的雾封层技术耐久性较差、抗滑衰减较快，难以满足高等级公路越来越苛刻的要求。超薄罩面虽然具有耐久性高、噪声低等特点，但需要对原路面进行铣刨，且造价较高、施工效率低[4]。因此，急需要开发一种新型沥青路面预防性养护技术来解决沥青路面出现病害的难题。

1 试验材料和 ***

1.1 试验材料

选用的复合改性沥青满足PG82-22级改性沥青指标要求，具备较好的路用性能。以SBS掺量为5%、降黏剂掺量为3%、树脂掺量为1%为例，其性能指标见表1。

表1 复合改性沥青性能指标（对比PG82-22级改性沥青技术指标） 下载原图

Tab.1 Performance indexes of composite modified asphalt(compared with technical indexes of PG82-22 modified asphalt)

在复合改性沥青制备得到的超黏乳化沥青中，复合改性沥青占比63%、阿克苏乳化剂4819占比0.5%、PHT稳定剂占比0.1%，其余为水和酸，制备的超黏乳化沥青材料性能指标见表2。

表2 超黏乳化沥青材料性能指标 下载原图

Tab.2 Performance indexes of super viscous emulsified asphalt materials

由表2可知，该超黏乳化沥青具有较好的高低温性能，PG分级可达82-22，且60℃时的旋转黏度可达到124 638 Pa·s，与高黏改性沥青相当。

试验所用的纳米封面剂为快裂或中裂型，且蒸发残留物具有较高的软化点和PG分级等级，其技术指标见表3。其中纳米改性沥青、树脂、改性剂的掺量分别为3%、2%、25%。

优选二次精加工3～5 mm集料，且二次精加工集料对针片状含量要求更加严格，其针片状集料含量不高于3%。二次精加工集料技术指标见表4。

表3 纳米封面剂技术指标 下载原图

Tab.3 Technical indexes of nano cover agent

下载原表

表4 二次精加工集料技术指标 下载原图

Tab.4 Technical indexes of secondary finishing stone

%

1.2 试验 ***

采用湿轮磨耗试验和负荷轮黏砂试验来确定高性能冷铺薄层罩面混合料（以下简称混合料）的更佳乳化沥青涂布量。

1.2.1 湿轮磨耗试验

湿轮磨耗试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行。按照式（1）计算其湿轮磨耗值。

式中：md为湿轮磨耗值；ma为磨耗前试件质量，gmb为磨耗后试件质量，gA为磨耗头胶管的磨耗面积，m2。

1.2.2 负荷轮黏砂试验

负荷轮黏砂试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行。按照式（2）计算其单位面积的砂量。

式中：LWT为单位面积黏附的砂量，g/m2m1为第1次1 000次碾压后的试样质量，gm2为第2次100次碾压后的试样质量，gA为试样负荷面积，m2。

1.2.3 黏聚力试验

采用黏聚力试验来评价混合料的早期强度，黏聚力试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行。试验所用仪器和试件见图1。

1.2.4 拉拔试验

采用拉拔试验评价混合料的层间粘结强度。拉拔试验参照JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准之一册土建工程》执行。层间粘结强度试件见图2。

图1 黏聚力试验所用仪器和试件 下载原图

Fig.1 Instruments and test pieces used in the cohesion test

1.2.5 摆式摩擦仪试验

摆氏摩擦仪试验用来评价混合料的抗滑性能，参照JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》执行。每个测点用5次测定读数的平均值代表对应测点的摩擦系数值，并用5个测点的摩擦系数的平均值除以100，即为路面的抗滑系数。摆氏摩擦仪测试见图3。

1.2.6 构造深度试验

表面构造深度试验用来评价混合料的抗滑性能，参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行。按照式（3）计算其构造深度。

式中：TD为路面表面构造深度，mmD为摊平砂的平均直径，mm。

图2 层间粘结强度试件 下载原图

Fig.2 Interlaminar bonding strength test piece

图3 摆氏摩擦仪测试 下载原图

Fig.3 Pendulum friction tester

2 试验结果讨论

2.1 高性能冷铺薄层罩面混合料优化设计

2.1.1 集料撒布量的确定

作为碎石封层，可以将集料颗粒简化为简单立方体堆积———单颗粒排列堆积[5]。图4表示边长为D的立方体内，放置1个直径为D的圆球。此时，空隙率为47.6%，空隙率计算式为：

上述为单层集料撒布量的理论基础，该种排列是松散堆积。如果将石子按照平行四边形排列，则是紧密单层排列，按照棱柱体的公式，可以得出空隙率为40%。计算集料撒布量时，可根据毛体积密度和空隙率计算出单位平方米的集料撒布量。目前，大多数采用Mc Leod *** 计算撒布量，其计算公式为：

图4 简单立方体空间堆积 下载原图

Fig.4 Space stacking of simple cube

式中：C为集料撒布量，kg/m2V为集料松装空隙率，%；H为设计平均最小层厚，mm；ρb为集料毛体积密度，kg/m3E为集料损失系数，反映集料撒布后清扫、车辆行驶对集料散失程度的影响。集料设计平均最小层厚按下式计算：

式中：H为设计平均最小层厚，mmM为集料中值粒径（通过率为50%的集料粒径）理论值，mmQe为集料针片状颗粒含量，%。

根据设计的集料特殊性计算出混合料的厚度为4～6 mm，此时集料撒布量在5～8 kg/m2。具体撒布量视乳化沥青涂布量和路面具体状况而定。

2.1.2 乳化沥青涂布量的确定

采用不同涂布量的乳化沥青成型湿轮磨耗试件与负荷轮黏砂试件，然后在规范要求的条件下养生后进行测试，通过湿轮磨耗试验值（见表5）与负荷轮黏砂试验量来确定乳化沥青的涂布量（见表6），乳化沥青涂布量的确定见图7。

表5 乳化沥青涂布量对湿轮磨耗试验值（浸水1 h）的影响 下载原图

Tab.5 Effect of coating amount on test value of wet wheel wear (soaking for 1 h)

表6 乳化沥青涂布量对负荷轮黏砂试验量的影响 下载原图

Tab.6 Effect of coating amount on test value of sand adhesion

图5 乳化沥青涂布量的确定 下载原图

Fig.5 Determination of emulsified asphalt coating amount

由表5、6和图5可知，随着乳化沥青涂布量的增加，湿轮磨耗值逐渐降低，负荷轮黏砂量总体也呈下降趋势。当乳化沥青涂布量低于1.68 kg/m2时，该试验不能满足技术规范要求，但是当其涂布量高于1.68 kg/m2时，试验符合要求，因此乳化沥青更佳涂布量为1.68 kg/m2。

2.1.3 纳米封面剂洒布量的确定

纳米封面剂在混合料中主要起到封水、耐磨的作用，其洒布量大小直接决定了该技术路用性能的好坏[6]。纳米封面剂洒布量过少时，不能起到封水的作用，洒布量过大时影响路面抗滑性能。因此，选择合适洒布量的纳米封面剂就显得尤为重要。

成型混合料时，采用不同洒布量的纳米封面剂进行渗水试验。由于纳米封面剂具有封水、耐磨的作用，因此其洒布量对湿轮磨耗值影响较大，下面研究不同洒布量的纳米封面剂对混合料湿轮磨耗值的影响，见图6。

由图6可知，随着纳米封面剂洒布量的增加，混合料的渗水系数逐渐减小。当纳米封面剂洒布量达到0.3 kg/m2时，渗水系数为5 m L/min；当纳米封面剂洒布量达到0.4 kg/m2时，渗水系数为0。

图6 纳米封面剂洒布量对湿轮磨耗值和渗水系数的影响 下载原图

Fig.6 Effect of nano cover agent distribution on wet wheel wear and water permeability coefficient

在不使用纳米封面剂的情况下混合料的湿轮磨耗值大于540 g/m2，随着纳米封面剂洒布量的增加，湿轮磨耗值逐渐降低。当纳米封面剂洒布量达到0.3～0.4 kg/m2时，湿轮磨耗值较小，且小于规范要求的540 g/m2；继续增加纳米封面剂的洒布量时，湿轮磨耗值又逐渐增加，这是因为纳米封面剂洒布量过大时，沥青膜会较厚，导致集料 *** 的面积减小，使刷头直接接触了沥青膜，从而破坏了沥青膜，影响混合料的湿轮磨耗值。

2.2 高性能冷铺薄层罩面混合料路用性能研究

2.2.1 早期强度的研究

采用黏聚力法探索混合料的早期强度，将成型的黏聚力试验试件放在室外环境中养生，养生时间为1、2、3、4 h时进行黏聚力试验，测试结果见表7。

表7 养生时间对黏聚力的影响 下载原图

Tab.7 Effect of curing time on cohesion

由表7可知，由于采用单一粒径的集料成型，所以成型后试件孔隙率较大、表面不平整。而黏聚力试验用来测试微表处时，微表处属于密级配范畴，其表面平整致密。所以用黏聚力试验结果评价低噪抗滑表面处置技术时与成型的试件关系极大[7,8]，即：当成型的试件表面相对光滑时，黏聚力试验的胶片与试件表面属于面接触，此时测试数值偏小，试件多数出现打滑现象；当成型的试件表面凹凸不平时，黏聚力试验的胶片与试件表面属于点接触，此时测试数值偏大，且试件大多数被碾压破坏。但是在室外的养生时间大于2 h时，黏聚力均大于2.0 MPa，因此建议开放交通时间在考虑外部环境的影响下应大于2 h。

2.2.2 层间粘结强度的研究

粘结层主要是将沥青上层和下层粘结起来，将上层荷载传递到下层面层，规范化施工，避免出现分层和滑移问题[9]。结合相关研究可以了解到，由于粘结层材料是沥青类的热塑性材料，经过高温作用后容易变软，导致粘结强度大幅下降，从而影响层间粘结强度，降低路面耐久性[10,11]。测试温度为23℃和40℃时混合料的层间粘结强度试验结果见图7。

由图7可知，测试温度在23℃时层间粘结强度平均可达0.41 MPa，较一般的高黏乳化沥青层间粘结强度提升了近100%；测试温度在40℃时层间粘结强度平均可达0.16 MPa，与常用的高黏乳化沥青在40℃条件下软化失去粘结强度相比具有一定的优势。这是因为超黏乳化沥青是在树脂改性沥青的基础上乳化制备，其软化点可达80℃以上，在40℃条件下不易软化；而且其60℃的黏度可达7 500 Pa·s，黏聚力较大、抗剪切能力较强。

2.2.3 抗滑性能的研究

有研究表明路面抗滑性能下降与交通事故的发生有一定的联系[12]。对路面抗滑性能及时监测和衰减规律的研究，对抗滑性能不足的路段及时进行养护，对于减少因路面抗滑性能下降具有重要意义。通过摆式摩擦仪试验和构造深度试验评价混合料的抗滑性能，其结果见图8。

图7 层间粘结强度试验结果 下载原图

Fig.7 Test results of interlayer bonding strength

由图8b）可知，通过铺砂法测得混合料平均构造深度为0.85 mm，而其抗滑系数平均只有55，这是因为混合料在刚成型时表面沥青膜厚度较厚，测试时需要在表面喷水形成水膜，沥青膜厚度较厚时摆臂与路面接触时摩擦力减小，因此抗滑系数较小，故建议在通车一周后测试抗滑摆值。

2.2.4 耐久性能的研究

高性能冷铺薄层罩面技术是一种冷撒式的施工方式，与传统的热沥青混合料有明显区别，因此，评价其耐久性时可通过耐水性与耐磨性来辅助表征。其可通过6 d湿轮磨耗值加以评价。因为6 d湿轮磨耗值是试件在25℃的水中浸泡6 d后测得的，正好同时表征了耐水性与耐磨性。

图8 抗滑性试验结果 下载原图

Fig.8 Test results of skid resistance

混合料耐久性与乳化沥青涂布量有着直接的关系，下面将考察乳化沥青涂布量对6 d湿轮磨耗值的影响，其结果见图9。

图9 乳化沥青涂布量对6 d湿轮磨耗值的影响 下载原图

Fig.9 Effect of coating amount on 6 d wet wheel wear of emulsified asphalt

由图9可知，随着乳化沥青涂布量的增大，6 d湿轮磨耗值逐渐降低，当其涂布量高于1.7 kg/m2时，6 d湿轮磨耗值满足规范要求。

2.3 高性能冷铺薄层罩面工程应用研究

2.3.1 工程概况及其设计方案

宁（南京）连（连云港）高速公路属长深高速公路重要路段。其中江苏宁淮段195.7 km，为双向4车道，公路全长340 km。随着交通量的不断增长、通车年限的延长、交通荷载的重复作用，宁连高速公路北段路面技术状况出现了不同程度的衰减，部分路面出现了坑槽、裂缝、车辙以及路面缺油泛白的现象，对道路行车舒适性和安全性产生了一定影响。如果不加以及时处置，在雨水冲刷和大型车辆行车载荷的作用下，裂缝和坑槽会持续扩大，进而裂缝发展成坑槽、坑槽发展成大的坑洞，严重影响路面的使用寿命。

针对宁连高速公路路面技术状况出现的衰减及病害，笔者提出采用高性能冷铺薄层罩面技术进行处置，其结构示意图见图10。

图1 0 高性能冷铺薄层罩面结构示意图 下载原图

Fig.10 Structural diagram of high performance cold paving thin layer cover

由图10可知，路面高性能冷铺薄层罩面技术是使用同步碎石封层车和小型洒布车依次将超黏乳化沥青、石料、超黏乳化沥青、纳米封面剂等材料分步撒布施工至原路面，施工完成后2～3 h即可开放交通。该技术可恢复并提高路面功能、消除行车安全隐患、延长路面使用寿命和节约养护费用，具有抗滑能力强、封水效果好、行车噪声低、性价比高、耐久性好、快速开放交通和低碳环保等优点。

2.3.2 施工前后抗滑性能对比研究

施工前对原路面进行构造深度和抗滑系数的检测，并与施工后的路面构造深度和抗滑系数对比，其结果见表8。

由8表可知，原路面抗滑系数平均值为41.6，小于技术要求，存在一定的抗滑风险，但经过高性能冷铺薄层罩面技术处置后，刚开放交通时的抗滑系数平均值达到了56.6，在原路面的基础上提升了36%，且大于技术要求值；通车7 d后路面抗滑系数平均值达到了65.4，较原路面提升了57%，较刚开放交通时提升了16%。通车7 d后抗滑系数之所以较刚开放交通时有所提升，是因为刚开放交通时，表面沥青膜较厚，测试抗滑系数洒水时，水膜降低了路面摩擦力，导致抗滑系数测试值偏低。同时，通车7 d后构造深度外沥青膜有所磨损，测试时摩擦力恢复正常。总之，在原路面铺筑高性能冷铺薄层罩面可以显著提升原路面的抗滑系数。施工前后构造深度对比见表9。

表8 施工前后抗滑系数对比 下载原图

Tab.8 Comparison of anti sliding coefficients before and after construction

表9 施工前后构造深度对比 下载原图

Tab.9 Comparison of structural depths before and after construction

mm

由表9可知，原路面在施工前的构造深度平均值为0.46 mm，小于技术要求的0.50 mm。经过高性能冷铺薄层罩面技术处置后，其构造深度平均值达到了0.85 mm，较原路面提升了85%。综合考虑抗滑系数与构造深度的提升效果，说明高性能冷铺薄层罩面技术对提升路面抗滑系数具有显著效果。

2.3.3 施工前后渗水性能对比研究

由于原路面普遍存在缺油泛白的现象，且有部分微裂缝，所以在路面有积水的情况下，会因为行车载荷的作用产生水压力将水压入裂缝，进而渗透到基层。因此，笔者研究了经高性能冷铺薄层罩面技术处置后路面的封水性能，施工前后渗水系数对比见表10。

表1 0 施工前后渗水系数对比 下载原图

Tab.10 Comparison of water seepage coefficients before and after construction

m L/min

由表10可知，原路面渗水系数平均值达到了31 m L/min，大于技术要求的10 m L/min，而施工后的渗水系数均为0，说明经过高性能冷铺薄层罩面技术处置后路面具有优异的封水性能。

2.3.4 施工前后噪声对比研究

笔者在施工前后对原路面进行噪声检测，并与其他路段施工的微表处进行对比研究，其结果见表11。

表1 1 施工前后噪声对比研究 下载原图

Tab.11 Comparative study on noises before and after construction

由表11可知，经过高性能冷铺薄层罩面技术处置后，路面的噪声与原路面相当，相较传统养护技术微表处而言，可以降低2～3 d B。因此，路面预防性养护采用高性能冷铺薄层罩面技术时，不会像微表处一样在行车时出现较大的噪声，从而影响行车舒适度。

3 结语

1）通过Mc Leod *** 计算得出高性能冷铺薄层罩面技术的集料撒布量为5～8 kg/m2，通过1 h湿轮磨耗试验和负荷轮黏砂试验得出乳化沥青更佳涂布量为1.68 kg/m2，通过渗水试验得出高性能冷铺薄层罩面混合料的纳米封面剂洒布量为0.3～0.4 kg/m2。

2）通过对高性能冷铺薄层罩面混合料的早期强度的研究，确定其开放交通时间为1～4 h，与微表处开放交通时间相当。

3）高性能冷铺薄层罩面混合料的层间粘结强度大于0.3 MPa，优于市面上通用的高黏乳化沥青的粘结强度。构造深度大于0.8 mm，抗滑系数大于50，具有优异的抗滑性能；其6 d的湿轮磨耗值较小，具有良好的耐久性。

4）高性能冷铺薄层罩面技术的使用可显著提升路面性能，其中路面抗滑系数相较原路面提升57%，构造深度相较原路面提升近85%；路面具有优异的封水性能，其渗水系数为0；其行车噪声较微表处可降低3～5 d B，可有效提升行车舒适度。

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