ESMA-5高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層的研究應用

宋沁浩，祁永明

（山西諾通公路養護有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

高速公路瀝青路面在長時間運營后，瀝青路面病害逐漸增多，尤其是交通繁重的隧道及長大縱坡或橋面鋪裝路段的瀝青路面掉皮、脫落嚴重，因此急需一種具有高抗剪、高耐磨、抗車轍強、開放交通快、施工簡單且長壽命的路面材料[1-3]。環氧瀝青是采用環氧樹脂作為改性劑的高性能改性瀝青材料[4]。環氧樹脂在固化劑作用下可以形成不可逆的空間網絡體系，賦予材料較高強度。將環氧瀝青材料應用到隧道及長大縱坡或橋面鋪裝的路面結構中，可以提高強度和承載力，改善道面結構抗輪轍、抗疲勞等性能，較大程度上阻止或延緩道面病害的產生與擴展，保證道面結構的使用性能與耐久性[5]。然而，根據隧道及長大縱坡或橋面鋪裝路面受力及使用環境特點，ESMA-5高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層使用性能及其施工工藝研究方面的研究尚缺乏，亟需開展這方面的研究，對此2020年公司對該科技項目進行立項，并展開相關技術研究，通過不斷的改進、完善、技術升級，使這一產品逐漸成熟穩定。

1 工程概況

2020年10月底，應高速交管部門要求，使用新研發的ESMA-5高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層技術，分別對晉焦高速下行K2+600～K4+000、長晉高速下行K1033+000～K1035+000大數據危險路段進行了應急施工，共計完成約23 000 m2；2021年7月又分別在長晉高速上行K995+000～K997+680、下行K1028+800～K1031+000大數據危險路段、高新高速下行K43+970～K48+480路面功能衰減路段共計完成約73 000 m2，2021年10月在晉城市文華街、七星廣場亮化改造路段完成25 000 m2，合計完成近120 000 m2的道路試驗和材料推廣。

在試驗路段施工期間，對超薄磨耗層的靜音效果進行了跟蹤檢測，通過環境檢測單位現場測試，車輛通過平均噪音由75.4 dB降至65.2 dB，平均降幅達10.2 dB。

經工程質量檢測單位通過2020年度和2021年度跟蹤檢測，該路面構造深度、摩擦系數均符合設計要求，保持最佳狀態，且摩擦系數平均值較鋪設初期均有小幅提高。本次測試路段為長晉高速下行段K1033+800～K1034+600，依據《公路路基路面現場測試規程》（JTG 3450—2019），采用路面構造深度儀和擺式摩擦系數測定儀（756），分別對路面的構造深度和摩擦系數進行檢測，檢測結果如表1和表2所示。

表1 路面構造深度試驗檢測統計表Tab.1 Statistical table of pavement structure depth test

表2 路面摩擦系數試驗檢測統計表Tab.2 statistical table of pavement friction coefficient test

根據高速交警數據統計，以上大數據危險路段事故率兩年期間降低100%。

通過近兩年的跟蹤研究、試驗表明，該科技項目的研發對解決高速公路、國省主干道、城市道路等公路的應急處治，迅速改善路面使用性能，保障行車安全，都有著出色的表現，同時還具有降低噪聲、防止濺水、舒適美觀、綠色環保、經濟實用、耐久抗滑等顯著優勢，與傳統的超薄摩擦層材料相比，使用年限可延長2～3年，將顯著減少全壽命周期內的維修養護費用，產品應用前景非常廣闊，現就該研究成果進行說明。

2 ESMA-5研發概況

ESMA-5高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層是諾通公司研究開發的一種全新預防性養護理念、技術含量高的環保型超薄磨耗層技術。屬于落實“十四五”交通規劃中預防性養護發展方向的前沿工藝，是符合國家號召碳達峰、碳中和的道路維修綠色產品。該產品結構厚度為1.5 cm，兼具SMA和OGFC路面結構特點，具有降噪、防滑、抗磨耗、防水害等屬性特點，具有施工速度快、產生廢料少、使用能源少、市民出行影響小等優良特性，具有明顯的表觀效果、耐久的使用性能和良好的經濟性能。

3 技術特點與優勢

3.1 技術特點

ESMA-5高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層具有多種特點。厚度薄，僅為1.5 cm左右，不影響標高限制；黏結強度、拉伸強度、彎曲強度和抗壓強度較高，能承受大流量高負載；二次熱固化環氧瀝青粘層確保新老路面層間緊密粘結，大幅提高層間抗剪性能；二次熱固化環氧瀝青粘層灑布后可快速施工，能夠高效、快捷施工，縮短了封閉交通的時間；構造深度大，可以提高路面抗滑系數，降低交通事故率；防水能力超強，能保護原有路面；降低噪聲，降低濺水，改善行車舒適性及提高行駛安全性；施工簡便，造價較低。

ESMA-5適用于多種場合。包括但不限于預防性養護；矯正性養護；新建道路表面磨耗層；城市道路快速改善；橋面與高架表面鋪裝；隧道路面鋪裝。

3.2 技術優勢

因為ESMA-5一般都只有1.5 cm厚（如圖1所示），而傳統的改性AC-13瀝青混凝土罩面層一般有2～4 cm厚，所以在造價方面具有一定的優勢。ESMA-5造價72元/m2，含銑刨、清掃、烘干路面水漬、路面防護（原路面及標線和橋梁伸縮縫等位置）高溫環氧粘層，相對于4 cm厚的改性AC-13瀝青混凝土的80～90元/m2的造價（含銑刨、粘層油），能夠節約直接成本10%～20%，同時因為ESMA-5的高效、快捷施工縮短了封閉交通的時間（以高速施工為例，相同面積施工，ESMA-5施工進度是4 cm普通挖補的3倍，可以節省三分之二的工期），降低了通行費的收入影響，從一定程度上大幅降低了間接維修施工成本。

圖1 ESMA-5厚度測試圖Fig.1 ESMA-5 thickness test

在抗車轍方面。傳統的改性AC-13瀝青混凝土罩面層為連續級配，和ESMA-5兼具SMA和OGFC路面結構特點的級配相比較，ESMA-5就有更好的抵抗車轍方面的性能，主要有以下原因：一是礦料是間斷級配，顆粒之間有良好的崁擠作用，具有較強的高溫抗車轍能力；二是礦粉、改性瀝青與添加的纖維組成的瀝青瑪蹄脂，填充在粗集料中，低溫抗裂性大幅提高。

對于運行過程中已存在轉軸裂紋的轉子，其裂紋的開合狀態均存在于轉子的上方和下方，但是傳統的監測轉子軸的傳感器均采用徑向安裝，而且通常是斜上45°安裝，位于轉子軸的側面，因此對于裂紋在轉子上方和下方開合時的響應并不敏感；裂紋開合必然引起軸向位移，而裂紋開合的軸向效應必然會體現在推力盤上，因此監測軸位移動態信號的傳感器無論安裝在0°、90°、180°、270°任何位置都不會漏測裂紋效應產生的動態信號。這里提出通過監測分析轉子軸軸向振動信號的交流成分從而實現轉子軸裂紋故障的診斷。

在抗滑性能方面。ESMA-5石料堅硬，屬單一粒徑，粗集料多，構造深度大，抗滑性能高。

在抗裂性和抗松散性能方面。因為ESMA-5采用的是高溫環氧瀝青粘層，該粘層在攤鋪過程中二次加熱，粘層油在高溫碾壓的情況下，能夠充分滲入到瀝青混合料的下層空隙中，形成二次固化，使瀝青混合料與粘層油能夠緊密結合，使磨耗層同原路面粘結更牢固、防水性更好、材料內部結合更牢靠，所以抗裂性能和抗松散性能好。

在抗水害方面。高溫環氧瀝青粘層屬于熱瀝青噴灑，噴灑均勻密實，無斑點，磨耗層以下由具有隔水性能的粘層油充填，可以保護下部結構穩定免受水害。但在磨耗層上部留有大量空隙，引導水體流出，使得高溫環氧粘層高性能超薄磨耗層同時具有防濺水功能。在傳統級配的AC-13中，若壓實度不足，含水率過高，在長期動荷載作用下，不斷侵蝕瀝青混合料，造成瀝青混凝土路面的水損壞。

在降噪方面。ESMA-5的空隙較大，采用4.75 mm粒徑礦料，路面相較傳統AC-13更為粗糙，提高了路面降噪性。經實測證明，ESMA-5能夠降低AC類路面4～10 dB噪聲。

3.3 社會效益

ESMA-5的社會效益主要體現在使用性能、節能降耗和施工速度上。

在使用性能上。ESMA-5具有良好的抗滑，降低濺水、降噪等優良性能，這些性能給道路行車帶來極大的便利和舒適，給道路安全帶來極大的支持。

在節能降耗減排上。相較普通4 cm銑刨加鋪，ESMA-5厚度只有1.5 cm，減少了在生產、運輸、施工中的資源消耗，同時也降低了廢料、污染物的產生。是符合國家號召碳達峰、碳中和的道路維修綠色產品。

在施工速度上。高溫環氧瀝青粘層高性能磨耗層厚度小，孔隙大，壓實度要求較傳統罩面層低，因此施工工程量更小速度更快，同時由于薄層與大孔隙的特性，高溫環氧瀝青粘層高性能磨耗層散熱更快，道路更早開放交通。對于城市道路維修與高速公路養護具有重要意義，更加方便市民出行。

4 施工工藝

通過研究實驗，對ESMA-5施工工藝進行了改進優化，不同于傳統超薄磨耗層，無需采用專用攤鋪機，且ESMA-5高溫環氧瀝青粘層需采用專用的智能灑布車進行灑布，具有獨特的施工流程：

（1）清理路面。拆除原路面反光路鈕，清掃表面的有機雜物，并用空壓機吹凈表面塵土，使路面保持清潔無塵埃。

（2）裂縫處置。檢查原路面狀況，對存在的一些細微裂縫進行灌縫處理。

（3）高溫環氧瀝青粘層灑布。灑布高溫環氧瀝青粘層油，需采用專用的智能噴灑車撒布（專利號202221151759.6），按《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）執行。

（4）拌和。高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料拌和應滿足JTG F40—2004的基本要求。建議采用3000型以上強制間歇式拌和機拌制瀝青混合料，纖維宜采用專用的纖維添加設備自動加入瀝青拌和樓的拌和缸中。拌和時間以混合料均勻為準，通過試拌確定，保證纖維在混合料中充分分散，拌和均勻。瀝青混合料拌和瀝青加熱溫度為165～170℃，集料溫度為190～210℃，出廠溫度為170～185℃。

（5）運輸。高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料運輸按JTG F40—2004執行，運輸應保證材料的溫度控制，保證瀝青混合料的溫度均勻。

（6）攤鋪、碾壓。高溫環氧瀝青粘層高性能超薄磨耗層瀝青混合料的攤鋪采用SMA路面攤鋪方式，撒布粘層油與攤鋪混合料可在時間上錯開，但間隔不宜過長。粘層撒布需要粘層油足量均勻，避免面層泛油。攤鋪全程采用接觸式電腦控制推鋪，瀝青混合料選用斷級配瀝青混合料，最大粒徑為4.75 mm，瀝青混合樣通常較為均勻，無需人工處理離析和更換混合料，在施工過程中，盡量減少施工人員的踩踏，超薄磨耗層攤鋪效果類似SMA路面，必須在表面溫度降至155℃之前進行碾壓，與傳統工藝不同，每臺攤鋪機應配置至少一臺11～13 t雙鋼輪壓路機和一臺前鋼后膠壓路機，攤鋪后立即開始壓實，首先雙鋼輪進行一遍靜壓，之后以高頻低振幅壓2～3遍，前鋼后膠壓實一遍，鋼輪再靜壓一遍，碾壓完成時表面溫度不低于115℃。壓路機不能停留在鋪好的熱瀝青混合料表面上，根據現場實際情況確定碾壓操作寬度，新的路面在碾壓完成，路面溫度降至50℃之后才可開放交通，碾壓遵循“緊跟、高頻、低幅、均勻、同步、少水、慢壓”的原則。

（7）接縫處理。橫向施工縫全部采用平接縫，縱向接縫全部采用冷接縫，配備經驗豐富的攤鋪機操作手和接縫修復工，確保攤鋪后接縫處混合料飽滿、平整，接縫修復工緊跟攤鋪機，對布料不飽滿的位置進行人工再次補料修復，其后鋼輪壓路機立即騎縫20～30 cm小振碾壓，確保接縫平整無空隙。

與傳統工藝相比，ESMA-5施工工藝具有設備簡單、精度高、施工速度快、能耗低等優點，更加低碳環保。

5 結語

ESMA-5是路面預養護技術的創新性突破，解決了傳統超薄磨耗層容易脫落、耐久性差、施工工藝復雜、施工機具專業要求高等不足，使超薄磨耗層技術得以突破性的提升，滿足國家低碳、環保發展理念，為公路路面應急處置、性能提升、美化亮化、綠色環保提供了一項經濟、可靠的處理方案。