掺加高模量外掺剂的开级配抗滑磨耗层(OGFC)的路用性能研究

赵冬明

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

0 引言

开级配抗滑磨耗层(Open Graded Friction Course，OGFC)是一类大孔隙开级配排水式沥青磨耗层，其优势在于能够迅速排除路表水，并具备抗滑、耐磨、降噪、抗车辙等优良性能。随着建设海绵型城市的理念不断被接受和重视，OGFC路面技术在市政公路、城市广场等方面得到了持续的推广；而在高等级公路建养中，因OGFC路面的特性，在服务区广场、桥面铺装等方面的应用也受到了广泛重视；针对半刚性基层防水及其耐久性提升的需求，OGFC混合料作为面、基层间联结层也同样具有明显的性能优势。由此，OGFC路面技术值得深入研究和不断优化。

OGFC路面的施用，其技术关键在于沥青胶结料的选用和沥青混合料级配的调控。在沥青胶结料的技术要求上：一方面，需具有较强的界面黏附能力；另一方面，沥青胶结料本身需要具有较大的劲度模量。两项条件均具备的前提下，才可有效防止沥青混合料离析、内聚力不足等问题的出现。

近年来，围绕OGFC路面的高粘沥青、级配设计、路面施工等的研究十分深入和普遍，大量工程实践表明，SBS改性沥青是较为适宜的一类胶结料，而在良好市场前景的刺激下，可用于OGFC路面技术的沥青胶结料选型研究仍未止步，仍有更多的高性能改性沥青的使用效果得到认定，从而持续促进OGFC路面技术的不断发展。

本文尝试以基于PE/PP复合粒子的高模量外掺剂掺加到OGFC混合料中，通过实验室试验，研究了普通重交通沥青、基质沥青+高模量、SBS改性沥青、SBS改性沥青+高模量OGFC混合料的路用性能，在此基础上，分析了高模量外掺剂增粘、增强作用对OGFC混合料路用性能的贡献特点。

1 试验

考虑研究结论对实际工程的借鉴意义，所选用的粗骨料、机制砂、矿粉均取于京哈高速公路沈山段路面及桥梁维修工程拌和站热料仓出料；沥青为施工单位送检样品；高模量外掺剂为辽宁省交通科学研究院有限责任公司出品的路宝牌高模量外掺剂；SBS改性沥青由沈阳三鑫盘锦路用材料有限公司生产。

1.1 原料及其基本性能

所用的试验原料基本性质具体如下。

(1)基质沥青

基质沥青选用辽河90号重交通道路沥青，其主要技术性能指标如表1所示。

(2)SBS改性沥青

SBS改性沥青的主要技术性能检测结果如表2所示。

表2 SBS改性沥青主要技术性能检测结果

(3)集料与矿粉

选用的粗骨料为葫芦岛虹螺岘中华料场的石灰岩；机制砂、矿粉为锦州七里台卓风石场的石灰岩及石灰岩磨细的矿粉。上述矿质集料与矿粉的技术性能均通过检测，其结果满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40的有关规定。

(4)纤维

OGFC混合料是一种开级配、骨架型沥青混合料。因其中细集料和矿粉所占比例较小，对自由沥青的吸持能力有限，需添加一定量的纤维用以控制自由沥青，避免发生泛油问题。选用路宝牌木质素纤维，对于几种OGFC混合料，纤维掺量均固定在0.3%，由此便于反映OGFC混合料技术性能的差异。

1.2 试验过程及其结果

研究的主要目的是确定高模量外掺剂对OGFC混合料性能的影响，试验研究内容及其具体过程如下。

(1)OGFC-16混合料级配

基于OGFC-16混合料的生产配合比，从拌和站热料仓取料，对所取矿料进行筛分，检验其合成级配是否满足OGFC混合料级配设计要求，若不满足则微调至矿料合成级配在OGFC级配控制范围内。OGFC-16混合料的生产配合比如表3所示；所取矿料筛析得到的合成级配如图1所示。

表3 OGFC-16混合料拌和站热料仓配合比

如图1所示，所取矿料的合成级配曲线在OGFC-16级配控制范围内，满足试验研究的需求。

(2)最佳沥青用量的确定

以图1所示级配的矿料为对象，参照规范JTG F40-2004的有关要求，分别对基质沥青混合料、基质沥青、0.4%高模量外掺剂混合料、SBS改性沥青混合料、SBS改性沥青、0.3%高模量外掺剂混合料等四种混合料，变换沥青用量，通过马歇尔试验确定最佳沥青用量，其试验结果如表4所示。

表4 不同OGFC-16混合料最佳沥青用量试验结果

(3)OGFC-16混合料技术性能评价

参照规范JTG F40-2004中对OGFC技术性能的要求，按照规范JTG E20中的相应的试验方法，检测了最佳沥青用量下，不同沥青胶结料OGFC-16混合料的高温稳定性、水稳定性和渗水性，结果如表5所示。

表5 OGFC-16混合料技术性能检测结果

2 讨论

针对上述试验结果，以下分别就最佳沥青用量下，不同OGFC-16混合料的技术性能差异予以讨论，在此基础上，分析高模量外掺剂对OGFC路面的适用性及其增强机理。

2.1 技术性能差异分析

(1)高温性能

本文中动稳定度、马歇尔模数均是反映OGFC混合料高温稳定性的技术指标(参见表4、表5)，其中：马歇尔模数为马歇尔稳定度及其流值的比值，单位kN/mm。不同混合料最佳沥青用量下，本文所及的四种OGFC-16混合料的高温性能指标显现出近似的差异，即：基质沥青OGFC混合料的马歇尔模数最小，仅为0.83kN/mm，掺入0.4%高模量外掺剂的OGFC混合料的马歇尔模数最大，达到1.38kN/mm，而SBS改性沥青OGFC混合料与掺入0.3%高模量的SBS改性沥青OGFC混合料的马歇尔模数接近，分别为1.48kN/mm和1.62kN/mm，相差0.14kN/mm。

相应地，动稳定度的差异也如马歇尔模数，基质沥青为837次/mm，掺入0.4%高模量外掺剂后，动稳定度增加至3158次/mm，SBS改性沥青动稳定度值为4071次/mm，掺入0.3%高模量后的SBS改性沥青混合料的动稳定度为4636次/mm。

(2)水稳定性

考虑到OGFC混合料在季冻地区的应用，选择残留稳定度评价其水稳定性。四种OGFC混合料此项指标差异如表5所示。四种OGFC混合料均具有较好的水稳定性，均达到了技术要求，且较大幅度地高于技术要求值。

(3)排水性

OGFC路面的突出优势是可快速排除面层积水或降水。渗水系数可直接反映其排水性，但规范JTG F40-2004未提出明确的技术要求，以实测值为准。如表5所示的此项指标的具体数值，基质沥青的渗水系数最大，相比之下，改性沥青混合料的渗水系数基本相近。反观表5中四种沥青混合料的高温和水稳定性技术指标差异，并未发现明显的相关性。进一步考察表4中四种混合料的空隙率，认为渗水系数与最佳沥青用量下沥青混合料的体积指标的关系密切，空隙率大，则此项指标值大，从而OGFC混合料的疏水性较好。相应地，基质沥青OGFC混合料的渗水系数较大，其它三种OGFC混合料的渗水系数基本相当，均明显低于基质沥青。由此，初步认为改性沥青的使用，在保证OGFC混合料高温性能满足技术要求的基础上，使OGFC混合料中沥青玛蹄脂黏度增大，从而使其粗骨料表面的沥青膜厚度增大，导致OGFC混合料的空隙率有所降低，最终导致渗水系数有所减小。综合考虑OGFC混合料技术性能的总体保证，在保证排水能力的同时，渗水系数略有降低是容许的，否则，其耐久性是难以保障的。

2.2 高模量外掺剂增强机理

综合上述四种混合料技术性能差异的分析，高模量外掺剂的掺入明显地提高了OGFC混合料的高温稳定性，这种基于热熔型的高聚物改性剂，在沥青混合料中均匀分散后，PE/PP复合粒子通过偶联剂联结的接枝段，与沥青分子量、极性接近，高温下呈熔融状态，被固溶入更多的沥青轻质组分，溶胀后的接枝段彼此桥接、交联，形成连续的网络结构，表观上呈拉丝状态，当混合料固结后，在其体系中实现拉筋作用，进而进一步加强了沥青混合料的骨架结构，高温下对行车荷载具有更高的抵抗力，亦即使沥青混合料的高温弹性模量进一步增大。

3 结论

(1)基于PE/PP复合粒子的高模量外掺剂应用于OGFC混合料中，可显著提高其高温稳定性，使OGFC路面具有良好的高温抗车辙能力。

(2)四种OGFC混合料均具有较好的水稳定性，均达到了技术要求，且较大幅度地高于技术要求值。