美國佐治亞州交通廳OGFC的開發(fā)歷程-

1、文章編號:1671-2579(200301-0021-04美國佐治亞州交通廳OGFC的開發(fā)歷程李樂洲,伍石生,毛琦編譯(西安公路研究所,陜西西安710054摘要:佐治亞州的路面質(zhì)量在美國處于前列,這與該州對路面性能的研究極為重視是分不開的。該文介紹了佐治亞州交通廳開發(fā)使用O GFC的詳細過程,如早期曾出現(xiàn)各種問題,一度暫停使用;最近幾年,通過對這種混合料的改良重新投入使用的種種歷程。國內(nèi)同行或許從中可以借鑒某些經(jīng)驗和教訓。關鍵詞:瀝青路面;改性O GFC;離析;早期氧化;排水性1概述由于佐治亞州公路交通量的不斷增加,佐治亞州交通廳(G DO T一直在探索使用最先進的和最有效的路面形式來提高乘車

2、者的安全性。O GFC是一種最近幾年開發(fā)并改良的路面混合料形式,它能提高乘車者的安全性。使用這種混合料的主要優(yōu)點是:在小到中等強度的暴風雨期間,地面水可從路表迅速排走,減少了“水飄”現(xiàn)象從而增加了駕駛者的安全。由于水是從混合料的孔隙而不是橫穿混合料表面排出,輪胎和路面之間的摩擦系數(shù)得到改善。另外,O GFC混合料減少了雨水飛濺和起霧,改善了夜間的可視性,提高了行車標線的可視性。從O GFC的原始概念開始,G DO T已經(jīng)嘗試改進這些混合料以達到可能的頂級路用性能。由于在做了這些改進之后所獲得的成功,G DO T已經(jīng)頒布了一項政策,即在所有的州際項目中使用O GFC混合料作為最后的罩面。自從混合

3、料改性以后,超過100萬t的這種混合料已經(jīng)鋪筑或者正在簽訂合同。2O GFC的材料構成O GFC于20世紀50、60年代被研制出來,佐治亞州交通廳(G DO T主要在州際公路上使用這些混合料作為多孔磨耗薄層。早期使用的混合料由于老化而經(jīng)常出現(xiàn)早期破損。然而,在20世紀90年代早期, G DO T開發(fā)了12.5mm的O GFC,它現(xiàn)在是G DO T的標準混合料。這種混合料從1993年起已經(jīng)被廣泛用在全州,它由集料、聚合物改性瀝青(PMAC、穩(wěn)定纖維和熟石灰組成。它在工程中應用的典型攤鋪率為41kg/m2,相當于16mm的攤鋪厚度。然而最近的攤鋪率已經(jīng)增加到50kg/m2。O GFC混合料是典型的

4、間斷級配,因此單一粒徑粗集料含量高。典型的O GFC具有瀝青結(jié)合料(AC含量高、AC膜厚、材料通過0.075mm(200號篩的百分率低、原狀空隙含量高(10%20%以及松鋪厚度小于25.4mm等特性。PMAC的存在給混合料帶來較大的膜厚,它起保護作用以抵抗由結(jié)合料遭受的混合料早期老化問題。礦物纖維也已加入12.5mm的O GFC中,典型的添加量為總混合料的0.4%。這種成分在拌和和攤鋪期間穩(wěn)定結(jié)合料以抵抗離析,并且它也在厚的AC護膜中通過纖維的聯(lián)鎖作用來提高材料的強度。作為抗剝落劑的熟石灰被加入O GFC及所有的佐治亞州州道系統(tǒng)上用的其他混合料中,包括密級配和位于O GFC之下的混合料中。19

5、92年,G DO T開始評估多孔的歐洲混合料(PEM,它是O GFC的一種類型。業(yè)已證明,PEM比通常的O GFC有更大的滲透性。這種對排水性能的改善歸功于采用比較粗的級配及所增加的PEM的攤鋪厚度(32mm。工程應用中典型的PEM攤鋪率為75kg/m2。同樣,從1998年7月起,G DO T的規(guī)范要求在所有的州際公路鋪裝項目中使用PEM,在這些項第23卷第1期2003年2月中外公路21收稿日期:2002-10-21目中,雨水將在同一方向沿著路面橫坡、穿越三個或更多的車道排出去。過去,作為O GFC的材料規(guī)范,G DO T在尋找不斷改良這種混合料性能的途徑。集料基本性質(zhì)的規(guī)范,包括堅固性和磨耗

6、性,在開發(fā)這些混合料期間不予改變;然而,集料的級配和結(jié)合料規(guī)范試驗程序已經(jīng)修改,以提高這些混合料的滲透性和耐久性。1級配在多孔的歐洲混合料(PEM結(jié)果引導下,G DO T 首先實驗混合O GFC的設計。在1992年夏天,O GFC 規(guī)范改變?yōu)橐筝^粗的級配,添加聚合物改性劑,以及礦物纖維,另外添加先前規(guī)定的熟石灰抗剝落劑。還開展了一個研究項目(G DO T9110來評估這些改變的有效性并決定更多的改進是否必要。該項目證實了使用粗混合料級配的效能,即較精的級配提高了滲透性而且抗車轍。用于O GFC和PEM的現(xiàn)場混合料施工和設計范圍見表1,用在O GFC和PEM中的骨料的基本性質(zhì)見表2。12.5m

7、m的O GFC混合料要比舊的O GFC(“D”混合料多排出2到3倍的水。為了提供更加有效的排水通路,12.5mm的O GFC大約比“D”混合料粗15%。同樣地,PEM大約比12.5mm的O GFC混合料粗10%。表1OG FC及PEM現(xiàn)場配料施工和設計范圍混合料控制公差瀝青混凝土9.5mmO GFC12.5mmO GFC12.5mmPEM±0.0±6.1±5.6±5.7±4.6±2.0級配要求通過率/%19mm12.5mm9.5mm4.75mm2.36mm75m1003851002040510241008510055751525510

8、24100901003560102551014±0.4設計要求AC的含量/%6.07.25 5.57.03對這種混合料,混合料控制公差不適合于此種規(guī)格篩表2改性OG FC和PEM中骨料的基本性質(zhì)%參數(shù)要求洛杉磯磨耗值(損失a<50穩(wěn)定性(損失b<15扁平及延長顆粒允許值(51比例<10云母片巖允許值<10a只能使用富硅骨料(例如花崗石。富含碳酸鹽的骨料(例如石灰石排除在外;b穩(wěn)定性損失用硫酸鎂(MgSO4來測量。典型的損失是少于2%2聚合物改性瀝青(PMACG DO T主要使用兩種聚合物:苯乙烯丁二烯(SB和苯乙烯丁二烯苯乙烯(SBS,來改善O GFC混合料中

9、瀝青結(jié)合料的性能。G DO T對混合料的改善主要有三個方面:硬度增加到普通AC硬度的810倍;軟化點增加了大約22;薄膜的延展性和柔性較未改性的AC增加許多。除了在較高溫度下提供較高的硬度外,PMAC還被證明在寒冷的溫度下比普通瀝青更具有延展性。這有利于改善混合料的低溫開裂性。曾對聚合物改性的AC和普通AC做過性能比較,試驗結(jié)果顯示:聚合物混合料比基質(zhì)AC(AC-20更加具有粘性,而且具有更好的彈性。在彈性恢復試驗中顯示,用聚合物改性的AC-20可以從比基質(zhì)AC 伸長四倍的狀態(tài)下恢復。雖然聚合物混合料和基質(zhì)AC兩者的薄膜老化非常相似,但聚合物混合料在4時的延性多了三倍。由于聚合物混合料的粘度比

10、較好,在設計過程中對溫度的需求增加取154。自從Superpave結(jié)合料分級的開發(fā)和實施,根據(jù)經(jīng)驗的試驗已經(jīng)減少了,現(xiàn)在使用了Superpave P G76 -22結(jié)合料。提出了相位角小于75°的要求以幫助確定用聚合物改性來符合結(jié)合料的等級要求。此數(shù)值是通過一般PMAC的Superpave結(jié)合料試驗獲得的,該試驗先前由G DO T采用。早先,在G DO T的許多項目中,都是在工廠內(nèi)對PMAC進行改性的。自從1993年對PMAC的要求提高后,在最后階段混合就成為慣例。典型的PMAC是借助特殊的混合設備完成的,該設備能夠在混合物中進行高速剪切。典型的做法是采用AC質(zhì)量的4.0%4.5%的

11、聚合物對基質(zhì)瀝青進行改性。3礦物纖維礦物纖維的添加對混合料帶來另外一些改進。纖維用在O GFC中能使包圍骨料顆粒的AC薄膜保持穩(wěn)定,其目的是在生產(chǎn)和攤鋪期間減少AC的離析。通過把纖維添加量增加到通常密級配混合料添加量的400%左右來增加薄膜厚度,它比標準的O GFC厚30%40%。試驗結(jié)果也顯示纖維的添加需要更大的AC含量。G DO T在O GFC中通常以總混合料質(zhì)量的0.4%的劑量添加礦物纖維。G DO T發(fā)現(xiàn)在纖維與被包裹的顆粒之間發(fā)生了某種聯(lián)鎖。這種現(xiàn)象不僅大大地改善了它們之間的互相聯(lián)結(jié),而且它明顯地強化了混合料并減少了AC的離析。22中外公路23卷3O GFC的薄膜和離析特性改性O G

12、FC混合料的薄膜厚度比通常的O GFC 混合料厚30%40%。如此厚的膜主要是由于級配粗化的結(jié)果,它減少了所包裹的骨料的表面積。在改性O GFC中使用聚合物改進AC和礦物纖維,也對厚膜的形成有好處。已經(jīng)證明,較厚的瀝青膜能減少老化和剝落。由于在生產(chǎn)和搬運過程中出現(xiàn)過度的AC離析,傳統(tǒng)的O GFC需要在非常低的溫度(110120下進行攤鋪。現(xiàn)在,改性O GFC能在比通常的O GFC更高的溫度下生產(chǎn),因為聚合物和纖維的添加而沒有造成離析問題。而典型的混合料溫度為160170。改性O GFC混合料的離析性可由美國國家瀝青技術中心(NCA T開發(fā)的一種試驗方法來確定。將一份AC含量最適宜的混合料放在網(wǎng)

13、眼尺寸為6.4mm 的小金屬線筐內(nèi),在比正常的生產(chǎn)溫度(典型值:178高14下加熱1h。計量從混合料中排出來的瀝青數(shù)量。測試結(jié)果顯示:含有普通AC的混合料的離析量是無法接受的。含有PMAC的混合料呈現(xiàn)了比較少的離析,但其程度仍然無法接受。最后,含有PMAC和纖維的混合料,其離析最符合要求。上述NCA T試驗規(guī)程規(guī)定:如果要保留混合料的完整性,最大的容許離析率是0.3%。含有纖維和聚合物的改性O GFC混合料符合這個要求。而未經(jīng)改性的O GFC不滿足要求。4O GFC混合料的施工改性O GFC的攤鋪比常用的密級配混合料或常用的O GFC的攤鋪更困難。這種混合料剛性較大,并且凝固很快。保持連續(xù)操作

14、、并保持“每件東西是熱的”是路面光滑的決定性因素。早些年,改性O GFC 一般攤鋪率為41kg/m2,約相當于16mm厚。由于其攤鋪厚度只比最大的骨料尺寸稍大,細小的級配變化能導致攤鋪層撕開和出現(xiàn)裂紋。為此,推薦的攤鋪率已經(jīng)增加到50kg/m2。最嚴重的問題是在運輸期間混合料中形成“冷團”。這些冷團在攤鋪機刮板下拖拉、撕扯,而留下嚴重的表面瑕疵并且減少了面層的排水效率和平整度。這個問題在改性O GFC項目上是明顯的,尤其是較冷天氣攤鋪的,更加明顯。在平整度需求很難滿足的地方,有必要采用材料轉(zhuǎn)運設備。為了使“冷團”最小,盡量在高的溫度下攤鋪,同時在運輸卡車上覆蓋防水布并且盡量連續(xù)施工。使用具有再

15、拌能力的材料轉(zhuǎn)運車(M TV可維持溫度均衡、除去冷團,通過連續(xù)施工來提高路面平整度。用激光道路輪廓儀測量的路面平整度顯示,改性O GFC攤鋪的磨耗層平整度明顯高于密級配磨耗層。一個用改性O GFC罩面的、由超過136車道公里所組成的項目,其平均平整度只有143mm/km。在1996年財政年度,全州改性O GFC的平均平整度為158 mm/km,然而密級配混合料平均值為397mm/km。5O GFC的透水性O GFC混合料最重要的特性是透水性。透水性是衡量一種材料經(jīng)過一種特定的介質(zhì)傳送流體的能力。開發(fā)初期使用O GFC的好處是:在小到中等暴風雨期間,地面水能迅速從行車道排出,減少路面打滑并增加駕

16、駛者的安全。由于雨水是穿過混合料的空隙排走而不是流過混合料表面,輪胎和濕路面之間的摩擦系數(shù)就增加了。此外,減少了水珠飛濺和起霧,而且行車道的可視性也因O GFC的滲透性而改善。G DO T使用變水頭滲透試驗儀進行透水性測試。用每天滲透水的高度來表示其滲透系數(shù)。該器具由一個圓底板、一個黃油槍及一個圓筒形的塑料水容器組成。底板用兩個橡皮圓環(huán)固定,這兩個圓環(huán)靠近圓底板外邊緣并相隔16mm。底板與路表面接觸,而且黃油被擠進橡皮圓環(huán)之間,形成一個滲透的封底。然后給塑料圓柱體裝滿水,這些水就穿過圓底板流入路面。通過計量1600mL水的流完時間,滲透系數(shù)就可計算出來,因為路面的厚度已知。上述測試顯示:改性O

17、 GFC透水率典型值為73 m/d,遠比標準O GFC(39m/d為好。而PEM透水率大約為100m/d。由于PEM滲透性具有例外性,因此,目前G DO T規(guī)定,要在所有的州際罩面項目中使用PEM,在這些地方,典型的路面橫坡將會使水沿著同一方向穿越二或三個車道才排出去。6O GFC的成本問題改性O GFC的成本比標準O GFC混合料約高34%。所增加的成本是由于混合料中額外的添加物而造成的,也包括添加所需要的設備。另外,提高生產(chǎn)溫321期美國佐治亞州交通廳O GFC的開發(fā)歷程度和降低生產(chǎn)率也增加了生產(chǎn)成本。在過去使用的標準O GFC 混合料及現(xiàn)在使用的改性O GFC 之間曾做過壽命周期費用比較

18、。一個由3.6m 行車道、3.0m 內(nèi)路肩和3.6m 外路肩組成的典型的州際道路用來作為比較。典型地,O GFC 面層全在內(nèi)路肩上重疊300mm ,在外路肩上重疊460mm 。標準O GFC 以33kg/m 2的攤鋪量進行攤鋪,而改性O GFC 以50kg/m 2的攤鋪量進行攤鋪。由于比較粗的級配要求,為改性O GFC 增加一些額外厚度是必須的。標準O GFC 的典型服務壽命為8年。改性O GFC 預計能持續(xù)使用1012年。換算成年度成本,改性O GFC 比傳統(tǒng)的混合料僅多使用19個月,它就會成為一個以成本-效益比考慮的可選方案。因此,改性O GFC 是一個吸引人的、成本-效益優(yōu)良的、標準O GFC 混合料的替代物。7結(jié)論和建議佐治亞州交通廳與其他各州的運輸部門一道,曾經(jīng)歷了O GFC 混合料所出現(xiàn)的種種問題。像瀝青離析、過早氧化、松散、下面層剝落,這些問題嚴重到使G DO T 在1982年不得不決定推遲使用這種混合料。然而,從那以后,為改善O GFC 混合料的性能,提杭州交通全面提速為實現(xiàn)全面建設小康社會,杭州交通各項工作將全面提速。當前正值交通提速的重要機遇期,從宏觀環(huán)境看,2003年國家將繼續(xù)實行積極的財政政策和穩(wěn)妥的貨幣政策,即實現(xiàn)雙拉動投資的拉動和消費的拉動,這為籌集