排水性薄層罩面材料設(shè)計(jì)與性能研究

周城波，徐健，陳先華

(1. 浙江省紹興市公路與運(yùn)輸管理中心，紹興 312035； 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展，路網(wǎng)老化問題日益突出，越來(lái)越多公路的實(shí)際使用年限接近設(shè)計(jì)使用年限；與此同時(shí)，還面臨著養(yǎng)護(hù)水平不高、養(yǎng)護(hù)資金較少等問題。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成為緩解這一系列矛盾的首選理想方案。以開級(jí)配抗滑磨耗層(OGFC)為代表的排水性薄層罩面已在國(guó)外高等級(jí)路面養(yǎng)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。排水性薄層罩面技術(shù)是一種基于排水、降噪、提高雨天行駛可視性和安全性的技術(shù)，同時(shí)也用作耐久性路面結(jié)構(gòu)的路表磨耗層，其使用壽命一般可達(dá)8年[1]。

排水性薄層罩面在某種程度上借鑒了排水瀝青路面的概念，二者在排水性瀝青混合料的材料設(shè)計(jì)上沒有顯著差異。20世紀(jì)中后期，美國(guó)部分地區(qū)使用的瀝青混合料封層演變成開級(jí)配磨耗層，之后又研發(fā)了具備排水性、抗滑性和降噪性的OGFC。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，美國(guó)從級(jí)配和添加劑兩方面著手，改進(jìn)了OGFC設(shè)計(jì)，并在高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)中進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用[2]。

薄層罩面材料的表面紋理在服役早期會(huì)被磨平，導(dǎo)致構(gòu)造深度和平整度顯著下降，路面抗滑性不足。薄層罩面材料的耐久性和穩(wěn)定性很大程度上取決于混合料的質(zhì)量，針對(duì)薄層罩面材料功能性衰減問題，專家和學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。法國(guó)學(xué)者將加入纖維的改性瀝青應(yīng)用于薄層罩面材料，并調(diào)整粗細(xì)集料配比，改良薄層罩面材料性能。美國(guó)學(xué)者利用NovaBond(聚合物改性乳化瀝青)作為黏結(jié)層，采用間斷級(jí)配，優(yōu)化薄層罩面材料的抗滑性。

目前，國(guó)內(nèi)排水性瀝青混合料多用于排水瀝青路面，僅在江蘇、廣東等地區(qū)作為功能磨耗層使用，較少用于養(yǎng)護(hù)性薄層罩面。東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)先后在寧杭公路二期南京湯山段、滬寧高速公路鎮(zhèn)江支線改建工程、渝鄰高速公路主線等工程中鋪設(shè)了不同規(guī)模的多孔瀝青路面試驗(yàn)段。然而，由于材料組成和施工工藝的影響，試驗(yàn)段的實(shí)際使用效果和使用壽命相差較大[3-5]。效果較好的養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)段，其材料和設(shè)計(jì)大多基于施工經(jīng)驗(yàn)，瀝青用量約8%，添加了木質(zhì)纖維素，緩解了瀝青用量過多造成的滲漏問題。由此可見，排水性薄層罩面在國(guó)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際工程中多借鑒經(jīng)驗(yàn)，材料設(shè)計(jì)缺乏理論支撐。因此，本文旨在對(duì)現(xiàn)有排水性薄層罩面材料設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高薄層罩面材料的耐久性和穩(wěn)定性，以期推動(dòng)排水性薄層罩面技術(shù)在道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方面的推廣和應(yīng)用。

1 排水性薄層罩面技術(shù)特點(diǎn)

1.1 原材料選擇

排水性薄層罩面材料在排水、抗滑、降噪等方面的優(yōu)勢(shì)源于其獨(dú)特的骨架孔隙結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部存在有利于排水和降噪的連通孔隙，材料表面較大的構(gòu)造深度也保證了其優(yōu)異的抗滑性能[6]。與密級(jí)配瀝青混合料相比，開級(jí)配瀝青混合料的最大特點(diǎn)為空隙率高，受雨水、紫外線、溫度、車輛荷載等因素影響更明顯。瀝青膠結(jié)料的耐老化性、黏聚力、彈性恢復(fù)力和集料的耐磨性、硬度也成為原料選擇時(shí)的主要控制標(biāo)準(zhǔn)。集料的相互嵌擠程度決定了開級(jí)配瀝青混合料的強(qiáng)度，通常選用破碎值較小、耐磨性較好的集料[7]。

為保證瀝青混合料的耐久性，日本研發(fā)了高黏改性瀝青，用以增加瀝青膜厚度。開級(jí)配瀝青混合料以粗集料為主，較高的瀝青用量使其在實(shí)際施工過程中容易出現(xiàn)析漏問題。隨著橡膠瀝青改性技術(shù)的發(fā)展，高膠質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性和黏附性得到提升，儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到改善[8-10]。國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)證明，黏結(jié)性能良好的橡膠改性瀝青，其滲漏問題并不嚴(yán)重[11-12]。因此，橡膠改性瀝青在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益方面均優(yōu)于高黏改性瀝青。

1.2 骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高等級(jí)公路路面養(yǎng)護(hù)中，采用開級(jí)配磨損層作為路面功能層，鋪裝厚度通常為25～35 mm，骨料的最大公稱粒徑(NMAS)通常為9.5 mm和13.2 mm。以NMAS 9.5 mm開級(jí)配瀝青混合料為例，研究開級(jí)配瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。OGFC-10不同級(jí)配范圍比較如圖1所示。

圖1 OGFC-10不同級(jí)配范圍比較

圖1中，規(guī)范一引自《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3350—03—2020)，規(guī)范二引自Designconstruction,andperformanceofNewGenerationOpen-GradedFictionCourses，規(guī)范三引自《OGFC在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究》。

由圖1可知，不同規(guī)范對(duì)應(yīng)的OGFC-10的級(jí)配曲線存在明顯差異，主要體現(xiàn)在關(guān)鍵篩孔(2.36 mm和4.75 mm)通過率的取值范圍。不同規(guī)范級(jí)配曲線的影響不僅體現(xiàn)在骨架結(jié)構(gòu)的差異上，還體現(xiàn)在瀝青混合料的抗永久變形性能的差異上。

1.3 設(shè)計(jì)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

開級(jí)配瀝青混合料與密級(jí)配瀝青混合料在材料組成和結(jié)構(gòu)特征上存在顯著差異，具有特有的設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)NCAT(國(guó)家瀝青技術(shù)中心)改進(jìn)的OGFC設(shè)計(jì)方法和日本的排水性瀝青混合料設(shè)計(jì)方法都借鑒了歐洲多孔瀝青混合料的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)開級(jí)配瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法借鑒了日本的設(shè)計(jì)方法。

美國(guó)NCAT改進(jìn)后的OGFC設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括：①采用改性瀝青，建議采用橡膠改性瀝青；②在肯塔堡飛散試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析長(zhǎng)期老化后瀝青混合料的抗飛散性能；③提高空隙率以保證排水功能的持久性，通常選擇較大粒徑的集料，粒徑一般選擇12.5 mm和16.0 mm，空隙率保持在20%；④OGFC中的粗集料嵌擠形成石—石嵌擠結(jié)構(gòu)，以VCAmix

為提高水穩(wěn)定性，日本的規(guī)范要求當(dāng)溫度為60 ℃ 時(shí)，高黏改性瀝青的絕對(duì)黏度要大于20 000 Pa·s。采用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，高溫穩(wěn)定性根據(jù)車轍試驗(yàn)評(píng)定，瀝青最佳用量通過謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

開級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)中的合理級(jí)配范圍、瀝青合理用量、骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍存在爭(zhēng)議。這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)大多根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。因此，上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)用范圍相對(duì)有限，使用壽命相對(duì)較短(5年以下)。針對(duì)細(xì)粒式開級(jí)配瀝青混合料在排水性薄層罩面材料設(shè)計(jì)和評(píng)估中的若干問題，對(duì)排水性薄層罩面材料設(shè)計(jì)與性能進(jìn)行評(píng)估。

2.1 原材料

本次配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)所用原材料包括玄武巖、粗集料、細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉和高摻量膠粉改性瀝青混合料。高摻量膠粉改性瀝青混合料由江蘇寶利瀝青股份有限公司提供，采用復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)，膠粉質(zhì)量占比20%～25%，SBS質(zhì)量占比3.0%～4.5%，動(dòng)力黏度不小于50 000 Pa·s(60 ℃)。試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，高摻量膠粉改性瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高摻量膠粉改性瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

PA10級(jí)配設(shè)計(jì)參考蘇交科集團(tuán)股份有限公司和美國(guó)NCAT的開級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。目標(biāo)空隙率為20%，控制2.36 mm篩孔通過率在規(guī)范中值范圍為-3%～3%，初擬3種合成級(jí)配，PA10合成級(jí)配篩孔通過率如表2所示。

表2 PA10合成級(jí)配篩孔通過率

初選瀝青用量參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行計(jì)算，瀝青膜厚取14 μm，得到3種合成級(jí)配的油石比分別為4.6%、4.4%和4.9%。PA10篩孔通過率與空隙率的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。

圖2 PA10篩孔通過率與空隙率的相關(guān)關(guān)系

3種合成級(jí)配的空隙率依舊偏大，即使是級(jí)配偏細(xì)、油石比4.9%的合成級(jí)配3，空隙率也達(dá)到21.3%，已超過《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中空隙率20%的上限。因此，借鑒美國(guó)NCAT初選瀝青用量的經(jīng)驗(yàn)，油石比根據(jù)級(jí)配對(duì)應(yīng)的合成礦料毛體積相對(duì)密度確定，開級(jí)配瀝青混合料經(jīng)驗(yàn)取值如表3所示。

表3 開級(jí)配瀝青混合料經(jīng)驗(yàn)取值

選擇空隙率最接近20%的合成級(jí)配3作為初選級(jí)配，合成礦料毛體積相對(duì)密度的測(cè)定結(jié)果為2.87，參考表3，初拌瀝青用量取5.8%，油石比取6.2%，預(yù)拌瀝青混合料，測(cè)得空隙率為18.6%，低于目標(biāo)空隙率，試拌油石比偏大。因此，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最佳瀝青用量設(shè)計(jì)。

2.3 最佳瀝青用量

在試拌油石比6.2%基礎(chǔ)上，選取5組油石比，分別為4.6%、5.0%、5.4%、5.8%和6.2%，每組油石比各制備4個(gè)馬歇爾試件，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)。不同油石比PA10的技術(shù)指標(biāo)如表4所示，不同油石比PA10的析漏損失、飛散損失和空隙率與油石比的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

表4 不同油石比PA10的技術(shù)指標(biāo)

(a) 析漏損失

由圖3可知，不同油石比PA10的析漏損失均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求，析漏問題并不顯著。當(dāng)目標(biāo)空隙率取20%、油石比取5.8%時(shí)，飛散損失滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求。因此，當(dāng)最佳油石比為5.8%時(shí)，最佳瀝青用量為5.5%。

3 性能評(píng)估

開級(jí)配瀝青混合料的多孔結(jié)構(gòu)，使其具有良好的排水、抗滑和降噪等特性，但也使內(nèi)部材料暴露于外界環(huán)境，對(duì)材料耐久性提出了更高要求。在完成PA10配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)排水性薄層罩面材料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、抗飛散性、排水性能、抗滑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3.1 高溫穩(wěn)定性

排水性薄層罩面作為功能性養(yǎng)護(hù)磨耗層，在路面設(shè)計(jì)中不進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，但罩面層位于路表，會(huì)受到交通荷載的影響。根據(jù)鋪裝層的應(yīng)力分布特點(diǎn)，路表壓應(yīng)力和剪應(yīng)力處于較高水平，易產(chǎn)生車轍變形，影響磨耗層的路用性能和使用壽命。因此，對(duì)表層材料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)十分必要。采用車轍試驗(yàn)對(duì)PA10的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果顯示，PA10的動(dòng)穩(wěn)定度為6 397次/mm，滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中動(dòng)穩(wěn)定度≥6 000次/mm的技術(shù)要求。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度限值的確定主要基于我國(guó)排水瀝青路面的工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究，PA10在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用并不廣泛。因此，≥6 000次/mm的動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求是否適用于PA10，還需進(jìn)一步研究。

3.2 抗飛散性

飛散病害是指在反復(fù)交通荷載和復(fù)雜天氣條件的共同作用下，瀝青老化、損壞而形成的路面損傷。開級(jí)配瀝青混合料的較大空隙率減少了骨料之間的接觸面積，在承受相同載荷時(shí)，骨料之間的接觸力明顯增強(qiáng)，極易發(fā)生飛散、骨料松散等病害[13]。研究表明[14]，排水瀝青路面的剝落破壞約占所有類型病害的75%，剝落破壞顯著降低了道路的耐久性、駕駛舒適性和安全性。在配合比設(shè)計(jì)階段，飛散損失是瀝青混合料最佳摻量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，PA10的飛散損失為6.7%，滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中飛散損失≤15%的技術(shù)要求。

3.3 水穩(wěn)定性

排水性瀝青混合料的較大空隙率不僅使其具有排水特性，還加重了水損病害對(duì)瀝青混合料的不利影響。排水性瀝青混合料的細(xì)集料含量較少，粗集料包裹的瀝青膠漿含量有限。在水的反復(fù)滲透下(特別是在一些凍融地區(qū))很容易發(fā)生礦料剝落、網(wǎng)裂等水損病害。此外，在反復(fù)交通荷載的作用下，表面孔隙中的高壓水會(huì)反復(fù)沖刷包裹著粗骨料的瀝青膠漿，加劇了水對(duì)瀝青膠漿黏附力和耐久性的不利影響[15-16]。因此，確保排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性是保證排水性薄層罩面使用效果的關(guān)鍵，PA10水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 PA10水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果 (%)

3.4 排水性能

排水性薄層罩面具備的排水性能和抗滑性能，可以提高雨天道路行駛的可視性，增強(qiáng)路面的抗滑性能，提升駕駛的安全性。排水性瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)主要分為連通孔隙、半連通孔隙和封閉孔隙3種類型。連通孔隙所提供的排水通道決定了材料的排水能力，也稱有效孔隙；半連通孔隙不能提供排水通道，具有貯水吸收能力，又稱半有效孔隙；封閉孔隙位于材料內(nèi)部，其功能上表現(xiàn)為無(wú)效孔隙。體積法測(cè)得的空隙率是3種孔隙的總和。為了從體積參數(shù)的角度反映瀝青混合料的排水性能，應(yīng)去除半連通孔隙和封閉孔隙，單獨(dú)計(jì)算連通空隙率?？紤]到瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前比較合理、有效的方法是消除封閉孔隙的影響，采用相對(duì)簡(jiǎn)單的物理密度測(cè)量法，測(cè)定連通空隙率和半連通空隙率之和。除了測(cè)量連通空隙率外，本試驗(yàn)還進(jìn)行了瀝青混合料透水試驗(yàn)，利用透水儀測(cè)量排水性瀝青混合料的透水系數(shù)，PA10排水性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 PA10排水性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 抗滑性能

路面的抗滑性能是由構(gòu)造深度決定的，即水平方向0.5～50 mm的構(gòu)造。在車輛高速行駛條件下，特別是存在水膜時(shí)，構(gòu)造深度對(duì)抗滑性能影響較大。PA10的構(gòu)造深度為0.81 mm，滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中構(gòu)造深度≥ 0.55 mm的技術(shù)要求。PA10的粒徑偏小，表現(xiàn)為宏觀構(gòu)造偏小，微觀紋理偏大。

4 總結(jié)

本文分析了PA10的高溫穩(wěn)定性、抗飛散性、水穩(wěn)定性、排水性能和抗滑性能，得出以下結(jié)論。

(1) PA10的動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求，在骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面存在劣勢(shì)。排水性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度≥6 000次/mm的規(guī)范要求是否合適，還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

(2) PA10的飛散損失為6.7%，滿足規(guī)范中飛散損失≤15%的技術(shù)要求，與自身瀝青用量和細(xì)料含量較高有關(guān)。

(3) PA10的空隙率和滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求。連通空隙率作為排水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的體積控制參數(shù)，有助于優(yōu)化級(jí)配類型，提升排水性能。

(4) PA10的構(gòu)造深度為0.81 mm，滿足規(guī)范要求。