摻加高模量外摻劑的開級配抗滑磨耗層(OGFC)的路用性能研究

趙冬明

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

0 引言

開級配抗滑磨耗層(Open Graded Friction Course，OGFC)是一類大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層，其優(yōu)勢在于能夠迅速排除路表水，并具備抗滑、耐磨、降噪、抗車轍等優(yōu)良性能。隨著建設海綿型城市的理念不斷被接受和重視，OGFC路面技術在市政公路、城市廣場等方面得到了持續(xù)的推廣；而在高等級公路建養(yǎng)中，因OGFC路面的特性，在服務區(qū)廣場、橋面鋪裝等方面的應用也受到了廣泛重視；針對半剛性基層防水及其耐久性提升的需求，OGFC混合料作為面、基層間聯結層也同樣具有明顯的性能優(yōu)勢。由此，OGFC路面技術值得深入研究和不斷優(yōu)化。

OGFC路面的施用，其技術關鍵在于瀝青膠結料的選用和瀝青混合料級配的調控。在瀝青膠結料的技術要求上：一方面，需具有較強的界面黏附能力；另一方面，瀝青膠結料本身需要具有較大的勁度模量。兩項條件均具備的前提下，才可有效防止瀝青混合料離析、內聚力不足等問題的出現。

近年來，圍繞OGFC路面的高粘瀝青、級配設計、路面施工等的研究十分深入和普遍，大量工程實踐表明，SBS改性瀝青是較為適宜的一類膠結料，而在良好市場前景的刺激下，可用于OGFC路面技術的瀝青膠結料選型研究仍未止步，仍有更多的高性能改性瀝青的使用效果得到認定，從而持續(xù)促進OGFC路面技術的不斷發(fā)展。

本文嘗試以基于PE/PP復合粒子的高模量外摻劑摻加到OGFC混合料中，通過實驗室試驗，研究了普通重交通瀝青、基質瀝青+高模量、SBS改性瀝青、SBS改性瀝青+高模量OGFC混合料的路用性能，在此基礎上，分析了高模量外摻劑增粘、增強作用對OGFC混合料路用性能的貢獻特點。

1 試驗

考慮研究結論對實際工程的借鑒意義，所選用的粗骨料、機制砂、礦粉均取于京哈高速公路沈山段路面及橋梁維修工程拌和站熱料倉出料；瀝青為施工單位送檢樣品；高模量外摻劑為遼寧省交通科學研究院有限責任公司出品的路寶牌高模量外摻劑；SBS改性瀝青由沈陽三鑫盤錦路用材料有限公司生產。

1.1 原料及其基本性能

所用的試驗原料基本性質具體如下。

(1)基質瀝青

基質瀝青選用遼河90號重交通道路瀝青，其主要技術性能指標如表1所示。

(2)SBS改性瀝青

SBS改性瀝青的主要技術性能檢測結果如表2所示。

表2 SBS改性瀝青主要技術性能檢測結果

(3)集料與礦粉

選用的粗骨料為葫蘆島虹螺峴中華料場的石灰?guī)r；機制砂、礦粉為錦州七里臺卓風石場的石灰?guī)r及石灰?guī)r磨細的礦粉。上述礦質集料與礦粉的技術性能均通過檢測，其結果滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》JTG F40的有關規(guī)定。

(4)纖維

OGFC混合料是一種開級配、骨架型瀝青混合料。因其中細集料和礦粉所占比例較小，對自由瀝青的吸持能力有限，需添加一定量的纖維用以控制自由瀝青，避免發(fā)生泛油問題。選用路寶牌木質素纖維，對于幾種OGFC混合料，纖維摻量均固定在0.3%，由此便于反映OGFC混合料技術性能的差異。

1.2 試驗過程及其結果

研究的主要目的是確定高模量外摻劑對OGFC混合料性能的影響，試驗研究內容及其具體過程如下。

(1)OGFC-16混合料級配

基于OGFC-16混合料的生產配合比，從拌和站熱料倉取料，對所取礦料進行篩分，檢驗其合成級配是否滿足OGFC混合料級配設計要求，若不滿足則微調至礦料合成級配在OGFC級配控制范圍內。OGFC-16混合料的生產配合比如表3所示；所取礦料篩析得到的合成級配如圖1所示。

表3 OGFC-16混合料拌和站熱料倉配合比

如圖1所示，所取礦料的合成級配曲線在OGFC-16級配控制范圍內，滿足試驗研究的需求。

(2)最佳瀝青用量的確定

以圖1所示級配的礦料為對象，參照規(guī)范JTG F40-2004的有關要求，分別對基質瀝青混合料、基質瀝青、0.4%高模量外摻劑混合料、SBS改性瀝青混合料、SBS改性瀝青、0.3%高模量外摻劑混合料等四種混合料，變換瀝青用量，通過馬歇爾試驗確定最佳瀝青用量，其試驗結果如表4所示。

表4 不同OGFC-16混合料最佳瀝青用量試驗結果

(3)OGFC-16混合料技術性能評價

參照規(guī)范JTG F40-2004中對OGFC技術性能的要求，按照規(guī)范JTG E20中的相應的試驗方法，檢測了最佳瀝青用量下，不同瀝青膠結料OGFC-16混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和滲水性，結果如表5所示。

表5 OGFC-16混合料技術性能檢測結果

2 討論

針對上述試驗結果，以下分別就最佳瀝青用量下，不同OGFC-16混合料的技術性能差異予以討論，在此基礎上，分析高模量外摻劑對OGFC路面的適用性及其增強機理。

2.1 技術性能差異分析

(1)高溫性能

本文中動穩(wěn)定度、馬歇爾模數均是反映OGFC混合料高溫穩(wěn)定性的技術指標(參見表4、表5)，其中：馬歇爾模數為馬歇爾穩(wěn)定度及其流值的比值，單位kN/mm。不同混合料最佳瀝青用量下，本文所及的四種OGFC-16混合料的高溫性能指標顯現出近似的差異，即：基質瀝青OGFC混合料的馬歇爾模數最小，僅為0.83kN/mm，摻入0.4%高模量外摻劑的OGFC混合料的馬歇爾模數最大，達到1.38kN/mm，而SBS改性瀝青OGFC混合料與摻入0.3%高模量的SBS改性瀝青OGFC混合料的馬歇爾模數接近，分別為1.48kN/mm和1.62kN/mm，相差0.14kN/mm。

相應地，動穩(wěn)定度的差異也如馬歇爾模數，基質瀝青為837次/mm，摻入0.4%高模量外摻劑后，動穩(wěn)定度增加至3158次/mm，SBS改性瀝青動穩(wěn)定度值為4071次/mm，摻入0.3%高模量后的SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度為4636次/mm。

(2)水穩(wěn)定性

考慮到OGFC混合料在季凍地區(qū)的應用，選擇殘留穩(wěn)定度評價其水穩(wěn)定性。四種OGFC混合料此項指標差異如表5所示。四種OGFC混合料均具有較好的水穩(wěn)定性，均達到了技術要求，且較大幅度地高于技術要求值。

(3)排水性

OGFC路面的突出優(yōu)勢是可快速排除面層積水或降水。滲水系數可直接反映其排水性，但規(guī)范JTG F40-2004未提出明確的技術要求，以實測值為準。如表5所示的此項指標的具體數值，基質瀝青的滲水系數最大，相比之下，改性瀝青混合料的滲水系數基本相近。反觀表5中四種瀝青混合料的高溫和水穩(wěn)定性技術指標差異，并未發(fā)現明顯的相關性。進一步考察表4中四種混合料的空隙率，認為滲水系數與最佳瀝青用量下瀝青混合料的體積指標的關系密切，空隙率大，則此項指標值大，從而OGFC混合料的疏水性較好。相應地，基質瀝青OGFC混合料的滲水系數較大，其它三種OGFC混合料的滲水系數基本相當，均明顯低于基質瀝青。由此，初步認為改性瀝青的使用，在保證OGFC混合料高溫性能滿足技術要求的基礎上，使OGFC混合料中瀝青瑪蹄脂黏度增大，從而使其粗骨料表面的瀝青膜厚度增大，導致OGFC混合料的空隙率有所降低，最終導致滲水系數有所減小。綜合考慮OGFC混合料技術性能的總體保證，在保證排水能力的同時，滲水系數略有降低是容許的，否則，其耐久性是難以保障的。

2.2 高模量外摻劑增強機理

綜合上述四種混合料技術性能差異的分析，高模量外摻劑的摻入明顯地提高了OGFC混合料的高溫穩(wěn)定性，這種基于熱熔型的高聚物改性劑，在瀝青混合料中均勻分散后，PE/PP復合粒子通過偶聯劑聯結的接枝段，與瀝青分子量、極性接近，高溫下呈熔融狀態(tài)，被固溶入更多的瀝青輕質組分，溶脹后的接枝段彼此橋接、交聯，形成連續(xù)的網絡結構，表觀上呈拉絲狀態(tài)，當混合料固結后，在其體系中實現拉筋作用，進而進一步加強了瀝青混合料的骨架結構，高溫下對行車荷載具有更高的抵抗力，亦即使瀝青混合料的高溫彈性模量進一步增大。

3 結論

(1)基于PE/PP復合粒子的高模量外摻劑應用于OGFC混合料中，可顯著提高其高溫穩(wěn)定性，使OGFC路面具有良好的高溫抗車轍能力。

(2)四種OGFC混合料均具有較好的水穩(wěn)定性，均達到了技術要求，且較大幅度地高于技術要求值。