HET系列高性能抗滑表层技术研发及应用

2021-09-10吴传海邓星鹤李善强许新权王志祥

广东公路交通 2021年4期

吴传海，邓星鹤，李善强，许新权，王志祥，肖凤

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420；2.广东交科技术研发有限公司，广州 510550)

0 概述

公路沥青路面的表面层作为重要的功能层，主要起到提高路面表面抗滑、耐磨功能、降低路面噪音，并扩散车轮荷载，减少冲击振动，以及降低温度梯度等作用，从而为行车提供安全、快速、舒适的条件[1]。分析表明，表面层是各种损坏最易发生的部位，因此，保证路面具有优良的使用性能首先要保证表面层抗开裂、抗高温抗滑性能及耐久性能[2]。在我国，习惯采用较厚的(4～5cm)表面层，使表面层既有表面功能层的作用也起到一部分结构层的作用；而在国外，一般设置单独的表面层，并把表面层称为磨耗层，厚度一般在2.5cm左右，主要作用是抗滑、抗磨耗、抗车辙、降低噪音等[3]。

在1995年至2005年大概十年的时间里，我国许多沥青路面尝试采用了一种专门的抗滑表层—AK类抗滑表层，但使用效果并不理想，主要表现在：(1)AK13(16)-B型混合料一般空隙率较大，透水严重，易引发松散、坑槽损坏；(2)AK13-A型混合料表面密水和均匀性较好，但抗滑能力衰减较快，有的甚至还会发生泛油和车辙等病害；(3)AK-16A型混合料虽然高温稳定性和抗滑能力有所提高，但施工时往往离析严重，易引发局部坑槽或泛油等病害。

随着经济的快速发展和交通量的日益增加，对道路使用也提出了越来越高的要求，客观上要求路面具有行车安全、驾驶舒适、低噪音的使用特性。然而，目前我省公路沥青路面上面层仍主要采用4～5cm GAC-13(16)型沥青混凝土作为抗滑磨耗层[4]。近年来抗滑性能检测数据表明，部分高速公路通车3～4年后路面横向力系数SFC就已经下降到40以下，甚至不能满足公路沥青路面养护技术规范的要求，为行车安全埋下极大隐患；若道路表面排水不畅，存在积水，则行驶车辆会出现水漂现象，极易导致安全事故。

截至2020年底，广东省公路总里程达22万km，其中高速公路突破1万km。高速公路养护里程不断增加，针对路面预防性养护的“四新技术”也不断涌现：自2003年广东省引入NovaChip获得成功应用后，超薄磨耗层技术开始逐渐发展，近十年出现了数十种薄层技术，形成了百花齐放、百家争鸣之态势[5]。

各类超薄磨耗层厚度从0.5cm～2.0cm不等，矿料级配分为密实、半开、全开三种，拌和温度包括热拌、温拌和冷拌[6]。各类产品技术特点不一，产品质量参差不齐，应用效果时好时坏，管养单位养护决策时往往难以抉择。针对这种情况，华路公司创造性的研发了依据项目特点定制的、科学的、高效的、有针对性的HET高性能抗滑表层技术。

1 研发思路

1.1 需求分析

(1)减少路面早期损害，提升路面使用性能。在广东省湿热、大交通量环境下，沥青路面早期损坏一直是管养单位的痛点。改进型AC类磨耗层因其最大公称粒径和矿料级配抗滑设计的影响，施工均匀性难以控制；尽管已使用改性沥青，但因表面离析导致的沥青路面坑槽、车辙、泛油等早期病害仍然时有发生[7]。

(2)提高路表抗滑耐久性，保障路面行车安全。根据广东省公路管养经验，目前使用较多的GAC-16型沥青路面磨耗层普遍存在抗滑衰减过快、抗滑性能不足的现象。针对此类问题，可以从两个方面加以解决：一是在公路建设期就进行路面表层抗滑耐久性能设计；二是在管养阶段对路面表面抗滑不足的路段进行抗滑性能恢复。由于路面抗滑性能的衰变来源于路面表观纹理的变化，而表观纹理又与路面表层所用的集料性质、矿料级配、油石比等息息相关，因此需要从矿料级配设计，以及集料、沥青等原材的选择方面进行路面表层长期抗滑性能的设计，以保障路面行车安全。

(3)优化桥面和隧道路面铺装结构，落实节能环保要求。交规划发〔2018〕81号文也提出：将绿色发展理念贯穿于交通基础设施全过程，通过材料节约等举措，积极推进绿色公路建设。随着路面抗滑表层薄层化技术的进步，公路沥青路面结构，尤其是桥隧铺装结构厚度的优化成为了可能。然而，以往各类路面薄层技术仅用于营运公路路面预防性养护，在新建公路路面结构层中并未使用。因此，利用薄层技术优化新建公路路面结构，尤其是桥面和隧道路面，不仅可以改善营运公路路面使用性能，还能达到节能环保的目的。

(4)提高施工便利性，保证路面施工质量。目前，公路路面养护市场上厚度较薄的磨耗层产品，其胶结料一般采用高黏改性沥青[9]。然而，由于高温黏度过大，薄层沥青混合料施工时对温度的控制要求更为苛刻：一是碾压窗口期短，稍稍耽搁则难以压实；二是压实过程中混合料易黏附在钢轮上，而人工补料又存在表观不均匀导致的薄弱环节，在后期车辆荷载和环境因素影响下，易出现脱皮、坑槽等病害。因此，从施工的便利性和路面施工质量角度出发，急需研发一种高温黏度较小，而低温黏度较大的高黏改性沥青作为薄层抗滑表层的胶结料，以确保其使用性能和施工和易性。

(5)提高抗滑表层设计的针对性，做到铺筑方案有的放矢。公路路基段的路面结构表层与桥梁段的桥面铺装、隧道路面铺装等抗滑表层，由于其下部的主要承重层刚度条件不同，受力模式差异较大，加上使用环境也不一样，因此其对抗滑表层的使用性能需求和层间粘结的要求也大不相同；新建和营运公路由于路面施工条件不同、界面洁净和粗糙程度差异较大，同样工况条件下铺筑相同的抗滑表层对层间结合材料的要求也理应不同。然而，目前公路路面养护市场上的薄层抗滑表层材料，较少有针对路基、桥梁、隧道等不同实际工况分别进行设计的产品，往往一种产品应用于所有场景及工况，这就会导致薄层应用过于保守，造成资源浪费。因此，急需针对不同使用场景和工况开发相适用的抗滑表层材料，真正做到铺筑方案有的放矢。

综上所述，基于绿色环保、安全舒适、性能提升和资源节约等发展理念，有必要针对路基段路面或桥(隧)路面铺装、新建或营运公路等不同应用场景和实际工况进行路面抗滑表层设计研究。

1.2 HET系列抗滑表层构建

针对路、桥、隧等不同应用场景和工况，结合近十年来广东省沥青路面各类抗滑表层应用情况，在总结各种抗滑表层特点及优势的基础上华路公路研发了HET系列高性能抗滑表层体系，如表1所示。HET系列抗滑表层所用的胶结料、粘结层材料分别采用广东华路交通科技有限公司自主研发的HET专用特种沥青和HET专用高性能改性乳化沥青，施工工艺根据HET抗滑表层型号不同，分别设计了同步摊铺和异步摊铺两种。

表1 HET高性能抗滑表层体系

2 HET系列高性能抗滑表层技术特点

HET系列高性能抗滑表层是一种依据项目特点定制的科学、高效、节约型铺面新技术，由特制高性能粘结层和1.0～3.0cm的高性能沥青混合料组成，具有抗高温、抗水损、抗老化、抗疲劳开裂及抗滑耐久等优良性能，分为HET-J(新建)、HET-Y(养护)两个系列，每个系列下分有骨架密实型和静音排水型两类，分别适用于不同工况路面的抗滑表层。

2.1 量身定制，满足不同应用场景

HET系列抗滑表层均采用增强型骨架结构混合料确保良好的抗永久变形能力，HET专用特种沥青的使用以及0.2%～0.4%的纤维稳定增强，较大地增强了材料本身的抗高温稳定性、水稳定性以及抗裂性等。

HET-J型适用于新建公路，下分为2.5～3.0cm HET-J(A)型和HET-J(B)型；HET-J(A)级配类型为密级配，目标空隙率为4%，油石比6.0%～6.5%，密水性好，抗滑耐久性良，适用于新建公路的路基段、桥梁段以及中短隧道抗滑表层；HET-J(B)型级配类型为半开级配，目标空隙率为15%，油石比5.0%～5.6%，抗滑耐久性优适用于长、特长隧道及一般路段和路面排水不良的路段抗滑表层。

HET-Y型适用于营运公路，下分为2.0～2.5cm HET-Y(A)型、1.0～1.5cm HET-Y(B)型、2.0～2.5cm HET-Y(C)型。其中 HET-Y(A)型、HET-Y(B)型为密级配，空隙率为4%，油石比分别控制在6.0%～6.5%、6.5%～7.5%；HET-Y(C)型为半开级配，空隙率为15%，油石比为5.0%～5.6%。根据以往实践经验，广东省营运公路罩面一般在通车8～10年后，在通车5年后，路面裂缝、裂缝修补以及坑槽修补已对路面平整度造成一定程度的影响，而2cm以下的薄层对于平整度的改善非常有限。因此，在标高不受限制的情况下，考虑到耐久性问题，建议在一般路基段、隧道路段采用2.0～2.5cm的HET-Y(A)作为抗滑表层加铺；桥面铺装因恒载问题，建议采用1.0～1.5cm HET-Y(B)作为加铺抗滑表层；而隧道路面，尤其是长和特长隧道路面，结合抗滑性能考虑，推荐采用HET-Y(C)作为罩面层。

2.2 抗滑耐久，保障路面行车安全

HET系列高性能抗滑表层主要通过控制集料粒型和矿料级配设计来获得较为丰富的微观纹理和宏观构造，同时通过使用耐磨耗的玄武岩、辉绿岩或中性闪长岩，确保在车辆重复荷载的作用下保持抗滑面耐久性。采用小型加速加载设备在室内对HET抗滑表层和其他常用抗滑表层试件进行了加速磨耗，然后用摆式仪进行了摆值测试。测试结果显示，HET抗滑表层初始抗滑性能较优，衰减速率较低，整体抗滑性能较为稳定。另外，对汕梅高速公路路面养护工程HET-Y(A)型抗滑表层试验路应用效果进行了跟踪观测，结果如图2所示。由此可知：HET-Y(A)型抗滑表层在重载交通条件下通车9个月后，其抗滑性能SFC值一直维持在54～57之间，抗滑性能总体较好且稳定。

图1 HET室内加速加载后抗滑性能衰变规律

图2 汕梅高速公路HET试验段工后抗滑性能

2.3 平整降噪，提高路面行车舒适性

基于富油设计理念，HET系列高性能抗滑表层，沥青用量较其他同类型抗滑表层高0.3%～0.5%；使得HET施工和易性良好，平整度远优于一般的抗滑表层，如2.5cm的HET-J(A)和2cm的HET-Y(A)国际平整度指数IRI可达0.8m/km以下，同等条件下优于传统的4cm GAC和SMA型沥青表层。路面良好的平整度可有效降低行车颠簸和减少车辆震动；而富油特性赋予HET更优的弹性，使其具有更好的行车震动能量吸收功能，可降低噪音约3～5dB；两者综合使得HET抗滑表层具有较好的行车舒适性。另外，作为静音排水型的HET-J(B)、HET-Y(C)为半开级配，相比一般沥青路面表层可降低噪音8～10dB，降噪效果更优。

2.4 优化路面结构，落实节能环保要求

为落实交通运输部对于节能环保的相关要求，课题组经过理论计算分析，并结合广东省公路沥青路面结构应用实践，对新建公路沥青路面传统典型结构，尤其是桥梁和隧道路面铺装结构进行了优化，即采用2.5～3.0cm的HET高性能抗滑表层来取代4.0～4.5cmGAC-16沥青表层。优化后的路面表层结构在保证良好的抗高温、抗裂、抗水损等路用性能的同时，提升了抗滑耐久性，减薄了2cm的沥青层，节约了优点稀缺石料等资源；切实提高了路面行车安全性。研究成果在惠清、花莞、云茂等新建高速公路得到了成功应用，实践表明：优化后的路面结构路用性能良好，较原典型结构具有更优的服役水平。

2.5 施工便利，保障路面施工质量

基于压实考虑，课题组提高了HET系列抗滑表层集料的选用标准：即将集料针片状定义为最大长度与最小厚度方向尺寸之比大于2.5倍，且粗集料针片状颗粒含量不大于12%；HET系列抗滑表层采用的专用特种沥青60℃动力粘度可根据实际需求在20～60万Pa·s之间进行调节，但对应的150℃运动黏度始终控制在1.5～2.1Pa·s，即在确保专用沥青高性能情况下，又能保证其施工和易性；HET系列抗滑表层所用单档集料占比达70%以上，加上纤维的稳定，混合料本身几无离析空间，摊铺碾压后即可做到全断面表面均匀、密实。总体看，HET系列抗滑表层沥青混合料具有易加工、易摊铺、不离析的特点。

2.6 经济耐久，降低路面全寿命周期养护成本

HET系列抗滑表层在重交通等级条件下，1.0～1.5cm骨架密实型HET使用寿命约在4～6年，2.0cm以上的骨架密实型HET使用寿命可达6～8年，2.0cm以上的静音排水型HET的使用寿命在5～6年。另外，由于HET抗滑表层技术完全属于课题组自主研发，其综合单价要低于市面上同类产品。因此，采用HET作为抗滑表层可有效提升路面使用品质，降低路面全寿命周期养护成本。

3 工程应用

3.1 惠清高速公路(新建高速公路HET应用)

2020年8月，在惠清高速公路桥梁和路基段进行了HET-J(A)型抗滑表层试验段铺筑，即采用2.5cm HET替代原设计的4.5cm GAC-16，将桥面铺装厚度降低为8cm，这为后续桥梁铺装层轻量化设计提供了较好的示范作用。

表2 惠清HET试验段路面结构

HET-J(A)抗滑表层混合料在运输、摊铺过程中具有很好的抗离析效果，采用13t双钢轮压路机静压2～3遍即可摊铺出的沥青面均匀美观。现场检测结果表明，压实后HET抗滑表层表观密实不透水、纹理粗糙(构造深度平均值为1.0mm)、国际平整度指数IRI为0.78m/km，横向力系数SFC均值为57。此外，在现场气温30℃、路表温度45℃情况下，HET与下承层粘结强度达0.45MPa。课题组通过跟踪观测，通车10个月后，路面无病害，国际平整度指数仍为0.78m/km，横向力系数平均值为59，抗滑性能较为稳定。

图3 惠清新建路面抗滑表层HET-J(A)

3.2 汕梅高速公路(营运高速公路复合路面加铺HET)

汕梅高速公路原为水泥路面结构，为提高服务质量，营运单位于2013年下半年对该水泥路面加铺了7cmGAC-20。通车6年后，路面因反射裂缝的反复修补，造成路面平整度不佳，同时，局部路段存在坑槽病害。为提高路面行车舒适性，防止病害进一步发展，2020年10月，对BK104+949～BK109+300路基段路面采用2.0cm HET-Y(A)型抗滑表层进行了预防性养护。HET施工完成后，路面密实、均匀，基本不透水，构造深度平均值为1.0mm，国际平整度指数IRI为1.0m/km，横向力系数SFC值为58，噪音相比原复合路面降低噪音达8～10dB，在80km/h行车速度下感受不到胎噪，静音效果佳。后续跟踪检测结果表明，在重载交通作用9个月后，HET-Y(A)无掉粒、无裂缝、无车辙、国际平整度指数IRI保持在1.0m/km左右，横向力系数SFC维持在55～60之间。