美国佐治亚州交通厅OGFC的开发历程-

1、文章编号:1671-2579(200301-0021-04美国佐治亚州交通厅OGFC的开发历程李乐洲,伍石生,毛琦编译(西安公路研究所,陕西西安710054摘要:佐治亚州的路面质量在美国处于前列,这与该州对路面性能的研究极为重视是分不开的。该文介绍了佐治亚州交通厅开发使用O GFC的详细过程,如早期曾出现各种问题,一度暂停使用;最近几年,通过对这种混合料的改良重新投入使用的种种历程。国内同行或许从中可以借鉴某些经验和教训。关键词:沥青路面;改性O GFC;离析;早期氧化;排水性1概述由于佐治亚州公路交通量的不断增加,佐治亚州交通厅(G DO T一直在探索使用最先进的和最有效的路面形式来提高乘车

2、者的安全性。O GFC是一种最近几年开发并改良的路面混合料形式,它能提高乘车者的安全性。使用这种混合料的主要优点是:在小到中等强度的暴风雨期间,地面水可从路表迅速排走,减少了“水飘”现象从而增加了驾驶者的安全。由于水是从混合料的孔隙而不是横穿混合料表面排出,轮胎和路面之间的摩擦系数得到改善。另外,O GFC混合料减少了雨水飞溅和起雾,改善了夜间的可视性,提高了行车标线的可视性。从O GFC的原始概念开始,G DO T已经尝试改进这些混合料以达到可能的顶级路用性能。由于在做了这些改进之后所获得的成功,G DO T已经颁布了一项政策,即在所有的州际项目中使用O GFC混合料作为最后的罩面。自从混合

3、料改性以后,超过100万t的这种混合料已经铺筑或者正在签订合同。2O GFC的材料构成O GFC于20世纪50、60年代被研制出来,佐治亚州交通厅(G DO T主要在州际公路上使用这些混合料作为多孔磨耗薄层。早期使用的混合料由于老化而经常出现早期破损。然而,在20世纪90年代早期, G DO T开发了12.5mm的O GFC,它现在是G DO T的标准混合料。这种混合料从1993年起已经被广泛用在全州,它由集料、聚合物改性沥青(PMAC、稳定纤维和熟石灰组成。它在工程中应用的典型摊铺率为41kg/m2,相当于16mm的摊铺厚度。然而最近的摊铺率已经增加到50kg/m2。O GFC混合料是典型的

4、间断级配,因此单一粒径粗集料含量高。典型的O GFC具有沥青结合料(AC含量高、AC膜厚、材料通过0.075mm(200号筛的百分率低、原状空隙含量高(10%20%以及松铺厚度小于25.4mm等特性。PMAC的存在给混合料带来较大的膜厚,它起保护作用以抵抗由结合料遭受的混合料早期老化问题。矿物纤维也已加入12.5mm的O GFC中,典型的添加量为总混合料的0.4%。这种成分在拌和和摊铺期间稳定结合料以抵抗离析,并且它也在厚的AC护膜中通过纤维的联锁作用来提高材料的强度。作为抗剥落剂的熟石灰被加入O GFC及所有的佐治亚州州道系统上用的其他混合料中,包括密级配和位于O GFC之下的混合料中。19

5、92年,G DO T开始评估多孔的欧洲混合料(PEM,它是O GFC的一种类型。业已证明,PEM比通常的O GFC有更大的渗透性。这种对排水性能的改善归功于采用比较粗的级配及所增加的PEM的摊铺厚度(32mm。工程应用中典型的PEM摊铺率为75kg/m2。同样,从1998年7月起,G DO T的规范要求在所有的州际公路铺装项目中使用PEM,在这些项第23卷第1期2003年2月中外公路21收稿日期:2002-10-21目中,雨水将在同一方向沿着路面横坡、穿越三个或更多的车道排出去。过去,作为O GFC的材料规范,G DO T在寻找不断改良这种混合料性能的途径。集料基本性质的规范,包括坚固性和磨耗

6、性,在开发这些混合料期间不予改变;然而,集料的级配和结合料规范试验程序已经修改,以提高这些混合料的渗透性和耐久性。1级配在多孔的欧洲混合料(PEM结果引导下,G DO T 首先实验混合O GFC的设计。在1992年夏天,O GFC 规范改变为要求较粗的级配,添加聚合物改性剂,以及矿物纤维,另外添加先前规定的熟石灰抗剥落剂。还开展了一个研究项目(G DO T9110来评估这些改变的有效性并决定更多的改进是否必要。该项目证实了使用粗混合料级配的效能,即较精的级配提高了渗透性而且抗车辙。用于O GFC和PEM的现场混合料施工和设计范围见表1,用在O GFC和PEM中的骨料的基本性质见表2。12.5m

7、m的O GFC混合料要比旧的O GFC(“D”混合料多排出2到3倍的水。为了提供更加有效的排水通路,12.5mm的O GFC大约比“D”混合料粗15%。同样地,PEM大约比12.5mm的O GFC混合料粗10%。表1OG FC及PEM现场配料施工和设计范围混合料控制公差沥青混凝土9.5mmO GFC12.5mmO GFC12.5mmPEM±0.0±6.1±5.6±5.7±4.6±2.0级配要求通过率/%19mm12.5mm9.5mm4.75mm2.36mm75m1003851002040510241008510055751525510

8、24100901003560102551014±0.4设计要求AC的含量/%6.07.25 5.57.03对这种混合料,混合料控制公差不适合于此种规格筛表2改性OG FC和PEM中骨料的基本性质%参数要求洛杉矶磨耗值(损失a<50稳定性(损失b<15扁平及延长颗粒允许值(51比例<10云母片岩允许值<10a只能使用富硅骨料(例如花岗石。富含碳酸盐的骨料(例如石灰石排除在外;b稳定性损失用硫酸镁(MgSO4来测量。典型的损失是少于2%2聚合物改性沥青(PMACG DO T主要使用两种聚合物:苯乙烯丁二烯(SB和苯乙烯丁二烯苯乙烯(SBS,来改善O GFC混合料中

9、沥青结合料的性能。G DO T对混合料的改善主要有三个方面:硬度增加到普通AC硬度的810倍;软化点增加了大约22;薄膜的延展性和柔性较未改性的AC增加许多。除了在较高温度下提供较高的硬度外,PMAC还被证明在寒冷的温度下比普通沥青更具有延展性。这有利于改善混合料的低温开裂性。曾对聚合物改性的AC和普通AC做过性能比较,试验结果显示:聚合物混合料比基质AC(AC-20更加具有粘性,而且具有更好的弹性。在弹性恢复试验中显示,用聚合物改性的AC-20可以从比基质AC 伸长四倍的状态下恢复。虽然聚合物混合料和基质AC两者的薄膜老化非常相似,但聚合物混合料在4时的延性多了三倍。由于聚合物混合料的粘度比

10、较好,在设计过程中对温度的需求增加取154。自从Superpave结合料分级的开发和实施,根据经验的试验已经减少了,现在使用了Superpave P G76 -22结合料。提出了相位角小于75°的要求以帮助确定用聚合物改性来符合结合料的等级要求。此数值是通过一般PMAC的Superpave结合料试验获得的,该试验先前由G DO T采用。早先,在G DO T的许多项目中,都是在工厂内对PMAC进行改性的。自从1993年对PMAC的要求提高后,在最后阶段混合就成为惯例。典型的PMAC是借助特殊的混合设备完成的,该设备能够在混合物中进行高速剪切。典型的做法是采用AC质量的4.0%4.5%的

11、聚合物对基质沥青进行改性。3矿物纤维矿物纤维的添加对混合料带来另外一些改进。纤维用在O GFC中能使包围骨料颗粒的AC薄膜保持稳定,其目的是在生产和摊铺期间减少AC的离析。通过把纤维添加量增加到通常密级配混合料添加量的400%左右来增加薄膜厚度,它比标准的O GFC厚30%40%。试验结果也显示纤维的添加需要更大的AC含量。G DO T在O GFC中通常以总混合料质量的0.4%的剂量添加矿物纤维。G DO T发现在纤维与被包裹的颗粒之间发生了某种联锁。这种现象不仅大大地改善了它们之间的互相联结,而且它明显地强化了混合料并减少了AC的离析。22中外公路23卷3O GFC的薄膜和离析特性改性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级配粗化的结果,它减少了所包裹的骨料的表面积。在改性O GFC中使用聚合物改进AC和矿物纤维,也对厚膜的形成有好处。已经证明,较厚的沥青膜能减少老化和剥落。由于在生产和搬运过程中出现过度的AC离析,传统的O GFC需要在非常低的温度(110120下进行摊铺。现在,改性O GFC能在比通常的O GFC更高的温度下生产,因为聚合物和纤维的添加而没有造成离析问题。而典型的混合料温度为160170。改性O GFC混合料的离析性可由美国国家沥青技术中心(NCA T开发的一种试验方法来确定。将一份AC含量最适宜的混合料放在网

13、眼尺寸为6.4mm 的小金属线筐内,在比正常的生产温度(典型值:178高14下加热1h。计量从混合料中排出来的沥青数量。测试结果显示:含有普通AC的混合料的离析量是无法接受的。含有PMAC的混合料呈现了比较少的离析,但其程度仍然无法接受。最后,含有PMAC和纤维的混合料,其离析最符合要求。上述NCA T试验规程规定:如果要保留混合料的完整性,最大的容许离析率是0.3%。含有纤维和聚合物的改性O GFC混合料符合这个要求。而未经改性的O GFC不满足要求。4O GFC混合料的施工改性O GFC的摊铺比常用的密级配混合料或常用的O GFC的摊铺更困难。这种混合料刚性较大,并且凝固很快。保持连续操作

14、、并保持“每件东西是热的”是路面光滑的决定性因素。早些年,改性O GFC 一般摊铺率为41kg/m2,约相当于16mm厚。由于其摊铺厚度只比最大的骨料尺寸稍大,细小的级配变化能导致摊铺层撕开和出现裂纹。为此,推荐的摊铺率已经增加到50kg/m2。最严重的问题是在运输期间混合料中形成“冷团”。这些冷团在摊铺机刮板下拖拉、撕扯,而留下严重的表面瑕疵并且减少了面层的排水效率和平整度。这个问题在改性O GFC项目上是明显的,尤其是较冷天气摊铺的,更加明显。在平整度需求很难满足的地方,有必要采用材料转运设备。为了使“冷团”最小,尽量在高的温度下摊铺,同时在运输卡车上覆盖防水布并且尽量连续施工。使用具有再

15、拌能力的材料转运车(M TV可维持温度均衡、除去冷团,通过连续施工来提高路面平整度。用激光道路轮廓仪测量的路面平整度显示,改性O GFC摊铺的磨耗层平整度明显高于密级配磨耗层。一个用改性O GFC罩面的、由超过136车道公里所组成的项目,其平均平整度只有143mm/km。在1996年财政年度,全州改性O GFC的平均平整度为158 mm/km,然而密级配混合料平均值为397mm/km。5O GFC的透水性O GFC混合料最重要的特性是透水性。透水性是衡量一种材料经过一种特定的介质传送流体的能力。开发初期使用O GFC的好处是:在小到中等暴风雨期间,地面水能迅速从行车道排出,减少路面打滑并增加驾

16、驶者的安全。由于雨水是穿过混合料的空隙排走而不是流过混合料表面,轮胎和湿路面之间的摩擦系数就增加了。此外,减少了水珠飞溅和起雾,而且行车道的可视性也因O GFC的渗透性而改善。G DO T使用变水头渗透试验仪进行透水性测试。用每天渗透水的高度来表示其渗透系数。该器具由一个圆底板、一个黄油枪及一个圆筒形的塑料水容器组成。底板用两个橡皮圆环固定,这两个圆环靠近圆底板外边缘并相隔16mm。底板与路表面接触,而且黄油被挤进橡皮圆环之间,形成一个渗透的封底。然后给塑料圆柱体装满水,这些水就穿过圆底板流入路面。通过计量1600mL水的流完时间,渗透系数就可计算出来,因为路面的厚度已知。上述测试显示:改性O

17、 GFC透水率典型值为73 m/d,远比标准O GFC(39m/d为好。而PEM透水率大约为100m/d。由于PEM渗透性具有例外性,因此,目前G DO T规定,要在所有的州际罩面项目中使用PEM,在这些地方,典型的路面横坡将会使水沿着同一方向穿越二或三个车道才排出去。6O GFC的成本问题改性O GFC的成本比标准O GFC混合料约高34%。所增加的成本是由于混合料中额外的添加物而造成的,也包括添加所需要的设备。另外,提高生产温321期美国佐治亚州交通厅O GFC的开发历程度和降低生产率也增加了生产成本。在过去使用的标准O GFC 混合料及现在使用的改性O GFC 之间曾做过寿命周期费用比较

18、。一个由3.6m 行车道、3.0m 内路肩和3.6m 外路肩组成的典型的州际道路用来作为比较。典型地,O GFC 面层全在内路肩上重叠300mm ,在外路肩上重叠460mm 。标准O GFC 以33kg/m 2的摊铺量进行摊铺,而改性O GFC 以50kg/m 2的摊铺量进行摊铺。由于比较粗的级配要求,为改性O GFC 增加一些额外厚度是必须的。标准O GFC 的典型服务寿命为8年。改性O GFC 预计能持续使用1012年。换算成年度成本,改性O GFC 比传统的混合料仅多使用19个月,它就会成为一个以成本-效益比考虑的可选方案。因此,改性O GFC 是一个吸引人的、成本-效益优良的、标准O GFC 混合料的替代物。7结论和建议佐治亚州交通厅与其他各州的运输部门一道,曾经历了O GFC 混合料所出现的种种问题。像沥青离析、过早氧化、松散、下面层剥落,这些问题严重到使G DO T 在1982年不得不决定推迟使用这种混合料。然而,从那以后,为改善O GFC 混合料的性能,提杭州交通全面提速为实现全面建设小康社会,杭州交通各项工作将全面提速。当前正值交通提速的重要机遇期,从宏观环境看,2003年国家将继续实行积极的财政政策和稳妥的货币政策,即实现双拉动投资的拉动和消费的拉动,这为筹集