薄层罩面用于路面维修

薄层罩面用于路面维修
（日本道路协会建设业协会国际技术交流会•海外技术WG，
译自全美沥青路面协会（NAPA）发行的Information Series 135）
目录
要点 (1)
前言 (2)
路面评价和维修方法选择 (4)
材料和配合比设计 (9)
施工和质量管理 (13)
路面的性能 (17)
技术要点 (19)
执笔：David E.Newcomb
原载：Thin Asphalt Overlays for Pavement Preservation Information Series 135 PP3~11
要点
道路管理者为了维修管辖的道路，不断地摸索大规模维修的合理方案，其中作为能延长路面结构使用寿命且至今还在应用的有“薄层罩面”工法。

薄层罩面厚度小于3.8cm（1.5吋），一般由最大粒径小于12.5mm的集料构成骨料。

采用薄层罩面方法有以下许多优点：
●路面结构良好的路面上可延长路面使用年限，降低路面使用寿命周期成本。

●特别是采用较小粒径集料混合料时，可将对排水构造物的影响控制在最小限
度，并保持纵、横断面坡度。

●可按工程要求设计和选择材料。

●具有对重载交通和高剪应力的适应性。

●能得到良好的平整度。

●完工后无集料飞散
●施工中不会产生粉尘，或减少粉尘。

●临时限制交通，无需养生时间。

●降低轮胎/路面行驶噪音。

●无沥青流淌。

●可再生利用。

●容易维修。

此类混合料是在无需结构维修的路面上铺筑，若采用薄层罩面进行路面维修，必须选择合格的材料。

为了得到良好的效果，则优质的混合料和施工最为重要。

由于温拌混合料可远距离运输和在较低温度下施工，因此有更多的优点。

利用沥青路面废料在将经济性最大化的同时，用于表层的混合料应特别提高其耐流动性。

将原有路面铣刨加铺薄层罩面，在提高路面性能的同时，还可提供可再生利用的材料。

薄层罩面铺在平整、少病害的面层上可使用10年以上；铺在水泥混凝土路面上可使用6~10年。

前言
背景
近30年间，美国运输部关注点从设施的新建转为基础设施的更新和维修。

随着沥青路面早期和阶段性施工的完成，在确保路面安全性和舒适性的功能改善中，承受交通荷载的结构强化不再是必要的，特别是有仅针对路面破损的上层，适当铺设较厚的沥青混合料的倾向，为了使路面保持良好的使用状态，只要采取铣刨一层或两层路面加铺薄层罩面就可以了。

此种类型的沥青路面，被称之为长寿命路面或永久性路面。

为了使永久性路面有良好的使用效果，在改进构造设计中，对材料选定、配合比设计、改善路面性能的表层铺装方法也进行了改进。

此类改善从1980年路面表层混合料采用聚合物改性沥青，提高路面耐流动性开始。

1990年从欧洲向美国引进SMA，此种高性能混合料使粗集料间紧密嵌挤，在提高有棱角性集料耐流动性的同时，因有较多的沥青充填空隙而提高了路面的抗裂性，其结果可使面层修补周期长达20年。

1990年代引入了改良后的Superpave配合比设计方法，该法考虑以往的实绩选定材料，将在实验室内按新的击实方法测定体积和最佳特性组合，将抗滑性、耐流动性、抗裂性等特定功能组合作为配合比设计。

1990年代，表层混合料的铺设和性能相关，出现了其他的课题。

例如，表层摊铺厚度较薄时，混合料若采用粒径偏大的粗集料，已确定不能长期保持路面排水，使路面存在纵向接头破损问题；因场合不同，混合料表面产生温差，产生不均匀的铺装面及表面层的层间剥离问题。

随着这些问题的出现，采取针对性的改进措施，就能实现长寿命路面的配合比设计和施工。

最后，2000年代初在提高再生料使用量的同时，导入了降低沥青混合料施工温度的新要求，温拌沥青混合料提高了沥青业界优化环境保护的业绩。

沥青混合料的温度降低，减少了沥青混合料生产时的废气排放和燃料消耗。

材料处理方法和沥青拌合场结构的改善，对增加混合料中沥青废料的利用率做了很大的贡献。

这种新技术，无疑对将薄层罩面用于路面的维修具有重要作用。

若依据Lead States Team on Pavement Preservation 1999年的AASHTO调查，薄层罩面是对沥青路面和水泥混凝土路面最有效的预防性养护维修工法。

在该工法推广中，
为了使路面维修措施最优化，开展了对薄层罩面材料、设计和施工方法等多方面的研究，关于薄层铺装的技术，可参阅Williame（2006）、Cooley and Brown （2003）、Xie et al（2003）、Walubita and Scullion（2008）、Chou et al（2008）等相关研究成果。

薄层罩面的优点
薄层罩面有超越其他维修方法的许多优点，得到很高的国民支持率。

主要优点如下：
⏹铺在路面结构良好的路面上，可延长路面使用年限，降低路面使用寿命周期
成本。

⏹特别是采用最大粒径较小的混合料时，可最低限度控制对排水构造物的影响，
保持路面纵、横坡度。

⏹可按施工方法不同设计和选择材料。

⏹具有对重载交通和高剪应力的适应性。

⏹能得到良好的平整度。

⏹完工后无集料飞散
⏹施工中不会产生粉尘，或减少粉尘。

⏹临时限制交通，无需养生时间。

⏹降低轮胎/路面行驶噪音。

⏹无沥青流淌。

⏹可再生利用。

⏹可分段施工。

⏹容易维修。

上述优点中相对主要优点则因工程的种类、施工位置、气候、交通量而异。

例如，住宅区域保持路面的形状、确保步道路缘石高度是重要的；而无重交通的城市道路中，降低行车噪音是重点。

无论何种情况，采用薄层罩面作路面维修，应确保其用于原路面状况为小至中等程度的破损路段。

目的
该技术指南提供薄层罩面适用路段的场所选定、材料选择和配合比设计、包含质量管理的施工方法，和有关薄层罩面使用性能变化资料。

薄层罩面是将厚度小于3.8cm （1.5吋）的表层用的混合料，铺筑在经适当处理后的原路面上的工艺。

与原路面是否需铣刨无关。

不适用于原路需大规模维修有结构破损的路段。

前言
在原有路面上铺筑薄层罩面，必须慎重调查，确认没有需结构维修的段落，还应增加路面结构条件评价、排水、抗滑和行车舒适性功能状态等内容。

目测评价
道路管理者和顾问有多种企业管理方法评价原有路面的状态，其中大多依据目测评价路面的破损状况，目测项目如下：
剥落松散
目测路面细集料飞散、露骨、风化程度，采用松散面积相对与全路面面积之比表示（图-1）。

图-1 剥落松散（全美沥青技术中心提供）
路面评价和方法选择
◆纵向开裂（行车道外）
纵向开裂是由纵向接缝或下层反射裂缝形式的开裂（图-2）。

图-2纵向开裂（行车道外）（全美沥青技术中心提供）
◆纵向开裂（行车道内）
此类开裂是由交通荷载疲劳拉应力引起的开裂，开裂发生在路表或与下层的交界面（图-3）。

图-3纵向开裂（行车道内）（全美技术中心提供）
◆横向开裂
为与行车方向呈90°直交方向产生的开裂，是由路面温度胀缩或下层反射裂缝原因所致（图-4）。

图-4 横向开裂（lowa 沥青铺装协会提供）
◆龟裂或疲劳开裂
由于过度的交通量，在车轮行走位置产生的相互连接的开裂，这种开裂从通常车轮行走位置较短的横向裂纹开始（图-5），逐渐发展而成。

图-5龟裂或疲劳开裂（全美沥青技术中心提供）
◆车辙
为一层或多层沥青面层因剪应力不足，在车轮行走位置产生的路面表面推移（图-6）。

图-6 车辙（全美沥青技术中心提供）
剥落松散、行车带外侧产生的纵向开裂、横向开裂类的病害，几乎都是发生在路面表面，均适合采用薄层罩面方法维修处理。

纵向开裂和横向断裂，则有必要钻芯取样，判断裂缝深度；行车道位置的纵向开裂和龟裂，则应在开裂位置钻心，确认裂缝从路表向下发展的程度；若是沥青表面开裂，也建议确认裂缝深度。

开裂深度影响薄层罩面加铺类型的选用和对原路面的处理程度。

从路面内部产生的龟裂和行车道内的横向开裂，若范围很大，则设计路面结构的修复，不能采用薄层罩面处理。

设计大范围的结构破损，可采用更有效的维修方法。

若结构问题仅限于局部段落，则作为薄层罩面事前处理的一环，可局部更换处理。

若确认有车辙，则建议判断车辙产生的原因，若近似表面流动车辙，则清除流动部分后仍可采用薄层罩面恢复。

若流动层位较深，则需采取专项措施处理。

路面破损程度符合表-1状况时，建议采用薄层罩面作路面预防性养护。

原路面的事前处理方案，可按表中所示病害程度和深度决定。

此外，薄层罩面对提高路面抗滑性能、改善行车舒适性、降低轮胎/路面噪音等功能性问题均有功效。

一般而言，此类问题并非局部段落的问题，而需对路面作全面处理。

局部有行车舒适性问题的段落，希望能进行土质调查，判断是否是冻胀、膨胀土、上下水管漏水等特殊问题。

原路面采用碎石若有抗滑问题或路面泛油路段，需以改善路面抗滑性能为目的。

若有必要，可按道路等级、限制速度、道路线形、是否有交叉口等状况确定抗滑性能的改善程度。

防滑性通过薄层罩面采用防滑集料、按0.45次方曲线图的最大密度线采用粗级配，就能确保路面的宏观构造和微观构造。

表-1 罩面前对原路面病害处理方案
路面平整度受面层破损、路床变形、下沉、埋设管线、回填等多种因素影响，采用薄层罩面前，通过原路面铣刨行车舒适性得到明显改善。

因为铣刨将底面层处于原有状态，清除表面层病害所得废料可再生利用，可为罩面提供均一的底面层等理由，可以为了提高平整度而推荐采用原路面铣刨方法。

此外，铣刨后再做罩面，路缘石、雨水进出口类排水设施可维持原有排水功能，预防路面端部剥落和桥的梁下堵塞，可免去因罩面而调整人孔（进出水孔）高度。

由于适当的摊铺和碾压技术，长期保持路面平整度，可最大限度提高路面使用年限。

此外，若依据WesTrack 实验（Sime ，2000）结果，可知平整度好的路面可节约汽车油耗。

轮胎/路面噪音产生的原因，主要是路面表面宏观构造的原因，特别是路面宏观构造粗，则过往车辆的噪音增大，其关系如图-7所示，可确认路面材料公称最大粒径增大则实测噪音也增大（Hanson ，2004）。

图-7 集料公称最大粒径和轮胎/路面噪音关系
混合料公称最大粒径 轮胎
/路面噪音
（A ）d B
在结构、功能评价中，还应增加排水条件评价，在铺筑罩面之前，对路面特定的泄水路段，有必要适当调整坡度和地下排水功能。

若决定将薄层罩面用于特定的路段，则应提供气候条件和设计交通量，对铺前原路面处理、材料、罩面厚度进行设计。

原路面的事先处理，依据表-1所列原路面破损程度和平整度，按确保缘石高度和路表排水原则决定。

在未铣刨的原路面上铺筑薄层罩面时，应事先洒布粘层油，虽然铣刨后的原路面需洒粘层油，但也有些研究者认为无需洒布（Tashman，2006）（West，2005）。

在施工章节，论述了按路面条件决定粘层油的使用条件，粘层油的用量。

罩面用混合料，按以下章节规定使用材料的同时，混合料公称最大粒径由设计加铺层厚度决定。

材料和配合比设计
前言
在薄层罩面中，材料的合理选择和配合比设计方法，对路面的成功极为重要。

理论上薄层罩面由公称最大粒径小的集料级配组成，和公称最大粒径大的集料级配相比，沥青用量较多，集料不产生车辙，将承受设计交通荷载作为目的使用。

细集料粒径表面积大，为了将此类集料结合作为适当的罩面层，需用更多的沥青，但为了不产生泛油、车辙和流动变形，必须选定合理的沥青用量和沥青类型。

本章信息，反应了对用于表面层的公称最大粒径较小的混合料的研究和实际使用效果。

公称最大粒径较小的混合料配合比设计方法，从有实绩的配合比到重视性能的抗车辙标准的范围，本书也将现在流行的Superpave体积率应用在配合比的设计中。

材料的选择
表-2 列示了美国洲际高速公路对薄层罩面混合料级配和集料质量的技术要求。

在各州中，并未列入所有要求和条件，例如，省略了几个中间筛孔和Micro-Deval集料磨耗试验质量要求。

但可了解不同地区对混合料要求的条件是什么。

同样也不代表各种规格的混合料，例如，阿拉巴马州和北卡罗莱纳州，公称最大粒径小于12.5mm的
混合料也可使用。

表-2 小粒径密级配沥青混合料级配、集料质量、配合设计要求
表中：1：低中交通量/高交通量2：碳酸盐其他集料3：和交通量对应N design 4：马歇尔击实次数
从定义上，用于薄层罩面集料是公称最大粒径小的材料。

本书因将适应厚度小于37.5mm（1.5吋）薄层罩面为对象，为能有效压实，铺装层厚度和集料公称最大粒径之比应满足3:1~5：1要求，集料公称最大粒径应小于12.5mm（Brown，2004）。

公称最大粒径12.5mm的级配，用于37.5mm（1.5吋）厚的罩面时，为有效压实，采用的级配曲线应在最大密度线上侧（较细级配），一般薄层罩面除被指定采用公称最大粒径12.5mm集料外，通常为9.5mm、6.3mm（纽约州）、4.75mm。

表-2列示了各州高速公路部门指定使用的小粒径集料的混合料性能要求。

集料要求质量与罩面的种类、设计交通量、车速有关。

公称最大粒径9.5mm和12.5mm的混合料，分别规定了粗集料和细集料的质量要求，而6.3mm和4.75mm的混合料，仅细集料质量是重要的。

集料的棱角状况、破碎面数量和扁平料含量决定了集料形状；洛杉矶磨耗试验和硫酸钠坚固性试验决定了集料的耐久性，相关要求一般在粗集料中均有规定。

对于细集料，规定了砂当量和塑性指数的清洁度标准，对细集料的棱角性也作了规定。

表-2列示的粗、细集料质量要求，因交通量、地域不同，也因材料供应的可能性而有所不同。

胶结料
一般薄层罩面所用胶结料类型，对应于特定的用途，由气候和交通量决定。

沥青选择可由性能指标（PG）胶结料类型，使用温度的高低和累计设计交通量（ESAL）的水平决定，各州采用什么样的直馏沥青，何种改性胶结料各不相同。

明里苏达州罩面混合料规定采用直馏沥青；俄亥俄州采用聚合物改性后的PG 64-22 式PG 76-22的沥青；纽约州因气候条件不同北部地区指定用未经聚合物改性的用PG64-22沥青，而南部地区应采用PG76-22的聚合物改性胶结料，并要求弹性恢复60%以上；New Jersey高性能薄层罩面混合料中，使用聚合物改性后PG76-22胶结料。

若按Litzka资料，小粒径集料混合料中普遍采用聚合物改性沥青。

北卡罗莱纳州表层混合料的沥青类型依设计轴载确定，大交通量采用PG76-22，小交通量采用PG64-22。

应注意的是现在仅北卡罗莱纳州指定累计交通量小于30万轴次时，采用公称最大粒径 4.75mm的混合料，并采用PG64-22沥青，其他大多数州一般要求采用SHRP方法开发独自类型胶结料。

沥青路面废料（RAP）
集料公称最大粒径小的混合料，希望使用较细的RAP。

RAP的最大粒径有必要和
混合料所用集料公称最大粒径相对应。

RAP在混合料生产范围内，应满足沥青混合料的体积特性和性能要求。

添加RAP后确保混合料集料级配是特别重要的。

一般若RAP 由小于4.75mm的粒径组成，因为路面的磨耗抵抗性由粗集料控制，因此RAP的抗磨耗性并不重要。

密级配沥青混合料的集料配合比设计
通常，用于表层公称最大粒径小的混合料，因为集料小，沥青用量多，比较容易压实。

若采用表-2中各州公称最大粒径4.75mm~ 12.5mm的混合料试件压实，表中列示了相关的体积特性值。

马里兰州和佐治亚州，公称最大粒径4.75mm混合料在小交通量道路中使用时，旋转压实试验（SGC）中，旋转压实次数采用50次；马里兰州在交通量较大的道路中，压实次数采用65次；纽约州公称最大粒径6.3mm的混合料为75次；阿拉巴马州不同交通量配合比设计均采用60次；犹他州旋转压实次数因交通量而异，最低50次，最高125次。

此类规定意味着只按薄层高强路面铺装碾压时，压路机用较少次数静压所能完成的压实效果（参照施工和质量管理章）。

因而，旋转压实次数希望是在集料无破损条件下完成相互嵌挤的水平。

表-2中所列各州混合料设计体积特征的范围标准，是依据各地特定的经验、气候、可用材料所开发的方法。

通常公称粒径小的混合料因沥青用量大，因此要求有较大的空隙率。

骨料间隙率（VMA）的最小值，依集料大小调整。

表-2中列出了三个州饱和度（VFA）的范围规定。

8个州中，5个州规定了最小沥青用量的范围。

犹他州为了将确保充分沥青用量作为手段，因此规定的VFA的范围和设计空隙率较小，某些场合更依据特定值确定空隙率的范围。

通常公称最大粒径较小的混合料，即使有较大空隙率，也有降低透水性倾向（Brown，2004），没有大粒径混合料时存在的渗水问题。

因此，在公称最大粒径较小的混合料设计说明中，要求在混合料保持充分的空隙率是重要的。

其他混合料
薄层罩面混合料设计并不仅限于用旋转压实级配混合料，如表-2中俄亥俄州smooth seal说明书中所示，用马歇尔配合比设计方法也能提供优良的薄层罩面混合料。

最大粒径9.5mm的SMA和最大粒径12.5mm或9.5mm的开级配磨耗层（OGFC），作为表层混合料也有良好的使用性能。

SMA被认为是抗车辙、防开裂、耐久性最好的路面表层。

公称最大粒径小的SMA较公称最大粒径大的SMA透水性更小。

OGFC混合料被认为是雨天行车视认性好、抗滑性好、轮胎/路面噪音更小的面层材料。

通常，SMA、OGFC两种混合料，均采用聚合物改性沥青胶结料。

加利福亚州采用指定的薄层罩面改性沥青，加州交通运输局（Ca-Ltrans）还指定将聚合物改性沥青的PG等级高温指标降低一级、低温指标提高一级作为基数制作橡胶沥青（Caltreans 2007）。

加州采用间断级配的薄层表面处治路面和橡胶改性薄层表面处治路面类似的混合料（Caltreans 2007），最大粒径4.75mm~12.5mm。

加州要求用美国道路运输部行政协会（AASHTO）试验法进行水稳定性试验。

通常OGFC薄层混合料的最大公称粒径为9.5mm或12.5mm。

由于OGFC薄层罩面混合料不含细粒径的集料，所以和密级配混合料相比，材料单价较高，不过可带来行车更加安全的好处。

OGFC混合料无论采用聚合物改性沥青或橡胶改性胶结料，均应掺加石灰作为抗剥落剂。

施工和质量管理
前言
薄层罩面用的混合料，基本都是集料公称最大粒径小的沥青混合料，这意味着和工厂日常生产的混合料有很大的不同。

为了进行拌制和摊铺，有必要特别注意混合料生产、施工和试验。

本章将论述薄层罩面施工中应注意的问题。

施工
混合料生产
公称最大粒径小的混合料粗集料成分少，集料几乎都由一个或二个储料仓供给。

通常，由多个储料仓相连进行天然砂和人工砂的混合，集料储存为了保持正确的级配，进行适当调整是重要的。

例如，因为使用长输送带送料而发生的储料仓材料离析，导致生产过程中发生级配偏差，级配偏差过大产生混合料体积特性变化，可能导致路面
车辙、剥落、松散及其他病害。

应该认识到细集料通常较粗集料含有更多的水分，因此对储料仓的水分进行管理是重要的。

良好的储料仓管理包括：1）对储料仓的道路进行硬化；2）从拌和楼到料场地面形成坡度以利排水；3）储料仓料湿时应从干燥部位取料；4）采取必要的防雨措施，集料仓顶加盖等。

减少集料含水量无疑对产品质量、及生产成本和混合料运输都是重要的。

一般公称最大粒径小的混合料较大粒径混合料的生产速度慢，原因是：1）表面积大的细集料所用沥青较多；2)一般细集料含水率高，集料烘干时间较长；3）细集料烘干、拌和筒中滞留时间较长。

加热干集料可降低拌和时间和燃料消耗，因为生产量大，因此影响到工厂的运营成本。

集料含水率若降低1%，则可节约燃油10%。

工厂生产细集料的沥青混合料时，生产温度一般高于生产粗集料的温度，因而为了保证混合料质量和降低生产温度，可考虑采用温拌技术，当采用温拌技术时，确保集料完全干燥则更为重要。

在混合料中添加沥青路面废料（RAP）时，应调整RAP粒径的大小和级配。

应选择破碎方法使RAP最大粒径不超过混合料公称粒径、为保证RAP的沥青含量和级配没有变化，应进行试验确认。

若试验确认的RAP材料质量变化较小，则可适当增加在混合料中的掺配量。

公称最大粒径小的混合料保温方法，应参照相应不同的技术要求。

若长时间或隔夜贮存，应采取保温措施使筒仓内混合料温度降低最少。

此类混合料材料不易离析，但仍有产生离析的可能性，因此在对大型自卸车装料时，推荐采用前后分3~5次移动装料。

对应于气温和运送距离，为防止摊铺时温度不均匀，温度降低过多或混合料表面固结，推荐在车厢上设置防水苫布保温。

温拌技术对薄层罩面混合料的生产和施工无疑是有利的。

使用该技术的混合料，和一般热拌沥青混合料相比，即使在较低的温度时作业，也更容易摊铺和碾压。

使用温拌混合料具有以下优点：1）可增加运输距离；2）可在较低温度下薄层摊铺，3）在较低温度下确保压实度；4）延长施工季书；5）即使在裂缝修补材料上罩面通常错台也较小。

此外由于使用温拌混合料，对施工现场和环境也有好处，对此Prowell 和Hurler（2007）作了总结。

摊铺
薄层罩面应用较广的重要因素之一，是罩面层与原有路面的层间结合，为此有必要注意原有路面的处理和粘层油的选用。

其他工序和通常路面摊铺、碾压相同，但在厚度较薄时，为确保铺筑厚度，找平板的控制是重要的。

若能对原路面进行铣刨，不仅可消除对新铺沥青层有影响的缺陷，而且可在更平整的原路面上加铺，能提供更好的行车舒适性。

由于较粗铣刨面的影响，增加和表层间的抗剪能力，罩面层不容易产生推移和剥离，研究表明，和在未铣刨的路面上洒布粘层油相比，层间结合能力更强。

此外，采用自动控制横坡的适当速度铣刨，也可带来路面平整度的改善。

特别是铣刨后的沥青混合料，还可作为再生材料得到应用。

铣刨机应选择适合现场要求的机型，路面结构较薄时，不要因大型铣刨机的通行对路面结构带来不良影响。

铣刨完成后，为确保层间结合，应将铣刨废料和尘土进行全面清除。

粘层油对新旧层间，特别是与未做铣刨的原路面的层间结合是不可缺少的。

因为罩面层很薄，因车辆制动和转向，剪应力在层间很近的位置产生。

图-8显示了街道交叉部位因层间结合不良产生的薄层罩面剥落状况。

许多设计说明要求粘层油洒布量大于要求值。

加利福尼亚州规定采用带有乳化沥青洒布装置的摊铺机。

加利福尼亚州（Caltrans，2007）和澳大利亚（Litzka，1994）等地虽要求使用聚合物改性乳化沥青，但明苏里达等州仍使用通常的乳化沥青。

粘层油洒布量各州规定各不相同，用量最少的北卡罗莱纳州为0.18~0.36L/m2（0.04~0.08gal/ya2），但用量最多的加州（Caltrans，2007）用量平均为0.91 L/m2（0.08gal/ya2）。

多数州粘层油用量在0.45~0.68L/m2（0.10~0.15gal/ya2）范围内。

图8 街道交叉段薄层罩面剥离状况。