摘 要：
为了恢复高速公路沥青路面的抗滑性能，使用高强韧超薄磨耗层（Strength and Toughness Course，STC）置换路表以下 1.5 cm 的旧混合料。首先，提出 STC-8（公称最大粒径 7.5 mm）磨耗层的具体技术方案；其次，对STC-8 磨耗层混合料进行配合比设计，检验并分析其路用性能；最后，通过工程实践验证 STC-8 磨耗层的应用效果。检验结果显示，STC-8 磨耗层混合料在 60 ℃高温下的动稳定度超过 8 000 次/mm，在 −10 ℃低温下的弯曲破坏应变超过 2 800 με，表明 STC-8 磨耗层混合料具有优良的强度和韧性沥青网sinoasphalt.com。铺筑 STC-8 磨耗层后，路面构造深度大于 0.6 mm，摆值大于 80，横向力系数大于 60。工程验证表明 STC 磨耗层可作为恢复路面抗滑性的一种潜在技术措施。
关键词：道路工程；高强韧磨耗层；抗滑处治；配合比设计；施工方案；应用效果
0 引言
在道路修建完成后，需要铺筑磨耗层来提高其抗滑能力，以延长路面的使用寿命，保证服务质量。磨耗层技术分为传统磨耗层和超薄磨耗层，由于超薄磨耗层的铺筑厚度仅为传统磨耗层的 1/3～1/2，可以节约 30%～40%的成本，减少能源消耗，所以超薄磨耗层技术更受道路工作者的青睐[1,2]。
因其优良的性能，超薄磨耗层技术在我国得到广泛推广和应用[3-5]。超薄磨耗层技术类型有Novachip、SMA-10、SAC-10、SMA-5 等[6,7]。其中，NovaChip 因其技术成熟且铺筑速度快、开放交通快、噪声小、抗滑系数远高于密级配沥青路面等优点而被广泛使用[8]。在超薄磨耗层的设计中，混合料设计尤为重要，如 SAC-5 沥青混合料，其路用性能（动稳定度、构造深度等）均随空隙率的增加而增大[9]。在 SMA-5 沥青混合料中加入煅烧铝矾土可以提高磨耗层的高温稳定性，并使混合料的空隙率增大[10]。在沥青混合料中加入温拌橡胶沥青，所得到的混合料抗滑性和排水性均有明显改善[11]。然而超薄磨耗层获得良好效益的同时，也存在部分技术缺陷亟须完善[12]。虽然超薄磨耗层的抗滑性能优越，但因其韧性较差，在受到重载时路面会产生较大的变形，从而引起路面开裂[13]。
为了解决超薄磨耗层韧性不足的问题，开发一种新型高强韧磨耗层解决路面开裂问题就显得尤为重要。高强韧磨耗层，具有耐久性好、安全抗滑、黏结强度高、施工速度快等优点。将其应用于港珠澳大桥珠海人工通道上，使桥面的抗滑性、密水性以及强度获得极大提升[14]。近年来，高强韧磨耗层被应用于沥青路面设计、养护工程、市政工程以及混凝土桥面上，极大地改善了路面和桥面的平整性、安全性和整体性[15-18]。
南京至扬州高速公路（简称宁扬高速），全长66.3 km，为双向 6 车道。运营期间由于部分路段抗滑性能不足，2022 年 9 月铺筑热拌 STC 高强韧磨耗层来提高其抗滑能力，延长路面的使用寿命。热拌 STC 高强韧磨耗层是一种采用改性沥青、高强韧改性剂和其他集料制成的路面加铺结构层，其铺筑厚度一般为 1.2～2.0 cm。在本研究中主要对STC-8 磨耗层混合料进行配合比设计，检验并分析其路用性能。并通过工程实践验证 STC-8 磨耗层的应用效果。
1 方案设计
高强韧磨耗层 STC-8 的具体施工路段为 G40扬宁方向 K368 + 700～K369 + 810、K369 + 864～K370 + 530 第三车道。首先对原路面技术状况进行统计，如表 1 所示。由表 1 可知，施工路段原路面整体技术状况较好，无明显路表破损、车辙等病害，仅横向力系数 SFC 平均值为 40，抗滑性能有所不足。
宁扬高速热拌 STC 高强韧磨耗层的铺筑方案如图 1 所示，铣刨 1.5 cm 原有上面层后，使用不粘轮乳化沥青撒布黏结层，再重铺 1.5 cm 热拌 STC-8 高强韧磨耗层。
2 不同层位 RAP 旧沥青性能分析
2 配合比设计
本研究选用 SBS 改性沥青、玄武岩粗细集料、石灰岩矿粉、木质素纤维以及高强韧改性剂等作为原材料，采用马歇尔设计方法对混合料的配合比进行了设计，并验证了其路用性能。
2.1 目标配合比设计
2.1.1 原材料
根据设计文件的要求，采用高强韧改性剂与 SBS改性沥青进行复合改性，质量掺配比例为高强韧改性剂∶SBS 改性沥青 = 5∶95。高强韧改性沥青各项指标检测结果见表 2。粗细集料、矿粉、木质素纤维等其他原材料均满足相关规范的技术要求。
2.1.2 矿料级配设计
由于磨耗层的粒径较细，为了保证其具有较丰富的宏观纹理，以提升路表抗滑性能，将混合料的目标空隙率选在 4.5%～5.0%。初选三组不同粗细的矿料级配进行马歇尔试验，三种级配的合成曲线见图 2。测试三种级配制备的混合料的空隙率和马歇尔稳定度指标，结果见图 3。由图 3 可见 C 级配的空隙率满足要求且马歇尔稳定度最大，可以较好地满足路面的抗滑性能并可以承受较大荷载，因此选择 C 级配作为本次目标配合比，设计验证体积指标和路用性能的优化方案。
2.1.3 最佳油石比的确定
采用推荐的 C 级配，分别选用五组油石比配制沥青混合料进行马歇尔稳定度试验及空隙率测试。根据图 4 的试验结果，当油石比为 7.0%时，混合料空隙率满足要求，并且具有较高的马歇尔稳定度，因此最终确定混合料的油石比为 7.0%。
2.1.4 沥青混合料路用性能的验证
采用推荐的 C 级配，以 7.0%的油石比配制高强韧沥青混合料。与常规 SBS 改性沥青混合料进行对比，测试不同类型沥青混合料的关键路用性能指标，检测结果见表 3（二者配合比一致，仅沥青不同）。
由表 3 可知，高强韧沥青混合料的马歇尔稳定度由8.5 kN 提高至 12.1 kN，动稳定度由 6 015 次/mm 提高至 8 200 次/mm，低温弯曲破坏应变由 2 528 με 提高至 2 985 με，强度和韧性优异，路用性能得到全面提升。
2.2 生产配合比设计
2.2.1 生产级配设计
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）的要求，按照目标配合比确定的冷料仓比例上料，对二次筛分后的隔热料仓进行取样筛分，根据筛分结果合成级配曲线（表 4），使合成级配与目标配合比设计级配基本一致。其中 4.75 mm 筛孔通过率偏大是因为施工采用的 5～8 mm 集料为 5～10 mm 筛除超粒径集料而得到的，在筛分过程中存在变异性，从而导致生产级配有一定幅度的波动。
2.2.2 生产油石比的确定
取热料仓材料进行生产配合比设计，按目标配比设计最佳油石比 7.0% ± 0.3%，用此比例在试验室内拌制马歇尔试件。对试件的空隙率、马歇尔稳定度等指标进行分析，结果见表 5。由表 5 可知，当油石比为 7.0%时，混合料的空隙率接近目标值，且马歇尔稳定度较大，故选取 7.0%为生产最佳油石比。
根据矿料级配、最佳油石比等生产配合比设计结果，进行了室内试拌，对混合料的油石比、级配及相关性能进行了验证。验证结果为马歇尔稳定度、动稳定度、残留稳定度和强度比等均满足技术要求。
3 高强韧磨耗层施工
热拌 STC 高强韧磨耗层的施工分为 7 个阶段：旧路面的铣刨、清扫、不粘轮乳化沥青黏层撒布、磨耗层混合料拌制、运输、摊铺、碾压及施工接缝的处理。
3.1 旧路面的铣刨和清扫
采用铣刨机对旧路面进行铣刨。开始铣刨时，铣刨速度控制在 0.5 m/min，确保铣刨深度满足 1.5 cm 的设计要求。待两边铣刨深度满足要求后，铣刨速度可稳定控制在 1～3 m/min。铣刨机开始工作 5～10 m 后，采用强制清扫机开始清扫废料，并将采集的废料倒入平产装载机中废弃。
3.2 撒布不粘轮乳化沥青
为保证层间联结，不被施工车辆粘连导致黏层损坏，在磨耗层与旧路面间设置不粘轮乳化沥青黏层，撒布量通过试撒进行了标定。
3.3 拌制和运输
为确保混合料质量，沥青和集料的加热温度分别为 170℃～175 ℃和 190℃～210 ℃。集料的投放顺序为：投放集料 + 木质素纤维 + 高强韧改性剂（拌和 15 s）→喷撒沥青（拌和 12 s）→3～5 s 后投放矿粉（拌和 40 s）。现场施工时应在拌和楼内进行搅拌。混合料的出厂温度必须在 180℃～185℃，保证混合料无花白、冒青烟、离析、析漏等现象。由于磨耗层混合料摊铺速度慢，一分钟仅消耗约 0.5 t 混合料。故采用小型运料车，确保每车料快铺快用。
3.4 摊铺
采用 VOLVO 摊铺机完成摊铺作业，其摊铺速度按 2～3 m/min 控制，应确保摊铺速度不超过 3 m/min，以免摊铺过程中出现混合料离析现象。
3.5 碾压
本次试验段采用的碾压工艺为：初压 2 遍（前静后振）+ 复压 1 遍（全振）+ 终压 1 遍（静压）。碾压工序均采用钢轮压路机，其中振荡压路机作为初压和复压的碾压设备，普通钢轮压路机作为终压设备。碾压完成后，路面温度低于 50 ℃方可开放交通。养护期间，不得有车辆驶入，防止路面出现痕迹影响平整度。
3.6 施工接缝处理
横向施工缝全部采用平接缝。用 3 m 直尺沿纵向位置，在摊铺段端部的直尺呈悬臂状，以摊铺层与直尺脱离接触处定出接缝位置，用锯缝机割齐后铲除，将接缝锯切时留下的灰浆擦洗干净，涂上少量黏层沥青，摊铺机熨平板从接缝后起步摊铺。
4 高强韧磨耗层的应用效果
4.1 混合料性能检测
混合料的性能检验见表 6。从表 6 可知，各施工日的混合料除了空隙率由于级配偏粗而有所增大之外，其余指标均满足设计要求。
4.2 抗滑性能提升效果
高强韧磨耗层铺筑前后，分别检测了路面的构造深度、摆值、横向力系数，结果如表 7 所示。由表 7 可知，高强韧磨耗层具有优异的抗滑性能，可作为恢复路面抗滑性的一种潜在技术措施。
5 结论
通过宁扬高速热拌 STC 高强韧磨耗层工程实际铺筑和路用性能的检测，表明热拌 STC 高强韧磨耗层是一种很好的恢复路面使用功能的养护措施。具体结论如下：
（1）本研究的磨耗层混合料掺加了高强韧改性剂，且油石比高达 7%，与常规混合料相比，高强韧混合料的动稳定度提高了 16.9%，低温弯曲破坏应变提高了 15.7%。
（2）铺筑后高强韧磨耗层路面的构造深度超过增大了 31.4%，摆值 BPN 增大了 72.9%，横向力系数 SFC 增大了 60%，抗滑性能得到显著提升。
（3）本研究中 STC-8 高强韧磨耗层需要使用特殊定制的 5～8 mm 粒径范围的粗集料，由于本次应用工程量较小，无法定制采购，因此采用 5～10 mm粗集料筛除超粒径颗粒后得到，级配存在一定的变异性，导致目标和生产级配存在波动。后续遇到同类工况时应加强对生产级配的控制。
参考文献：
[1] S SON, I L AL-QADI, T ZEHR. 4.75 mm SMA performance and cost-effectiveness for asphalt thin overlays[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2016, 17(9): 799-809.
[2] D H CHEN, T SCULLION. Very Thin Overlays in Texas[J]. Construction and Building Materials, 2015, 95: 108-116.
[3] 黄静波, 李亚明, 范洁. 超薄磨耗层的研究与推广[J]. 中外公路, 2012, 32(6): 271-274.
[4] 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): 2287-2298.
[5] 成高立, 潘梦, 唐礼泉, 等. 沥青路面养护中连续级配超薄磨耗层技术的应用[J]. 筑路机械与施工机械化. 2017, 34(2): 96-100.
[6] P S KANDHAL, L LOCKETT. Construction and performance of ultrathin asphalt friction course[R]. Auburn: National Center for Asphalt Technology, 1997.
[7] 李亚龙, 成志强. 超薄磨耗层 SAC-5 沥青混合料设计及性能[J]. 科学技术与工程. 2022, 22(8): 3309-3314.
[8] 李运华, 李珍, 原华. 基于 Novachip 超薄磨耗层的高速公路沥青路面养护技术应用研究[J]. 公路工程, 2019, 44(5): 156-161.
[9] 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.
[10] 关博文, 薛兴杰, 孟建党, 等. SMA-5 煅烧铝矾土超薄磨耗层路用性能与抗滑性能评价[J]. 长安大学学报 (自然科学版) , 2022, 42(4): 10-19.
[11] 冯志刚. 超薄磨耗层温拌橡胶沥青混合料性能研究[J]. 公路, 2021, 66(11): 14-19.
[12] FENG Z G. Research on the performance of ultra-thin wear layer warm-mix rubber asphalt mixture[J]. Highway, 2021, 66(11): 14-19.
[13] WLADYSLAW, GARDZIEJCZYK. The effect of time on acoustic durability of low noise pavements -The case studies in Poland[J]. Transportation Research Part D：Transport and Environment, 2016, 44: 93-104.
[14] 李尚斌. 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.
[15] 虞将苗, 陈富达, 余贤书, 等. 高韧超薄磨耗层在港珠澳大桥珠海人工岛通道上的应用[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2020, 60(1): 48-56.
[16] 罗栓萍, 黄红明. 高韧超薄沥青磨耗层在旧砼桥面铺装中的应用[J]. 公路与汽, 2022, (2): 126-129.
[17] 黄海滨. 沥青路面高韧超薄磨耗层预防性养护的应用[J]. 福建建设科技, 2020(6): 88-91.
[18] 葛晗, 吴有威. 高韧超薄沥青磨耗层在粤赣高速公路的应用[J]. 广东公路交通, 2021, 47(4): 35-40.
声明：
原创作者：蒋建飞 1，赵 跃 1，郭阳阳 1，王伟伟 2，武 昊 3，李明亮 3，李 俊 3，1. 江苏高速公路工程养护有限公司，江苏 淮安 223000；2. 江苏连徐高速公路有限公司，江苏 徐州 210008；3. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088。
