周城波，徐健，陈先华

(1. 浙江省绍兴市公路与运输管理中心，绍兴 312035； 2. 东南大学交通学院，南京 211189)

随着我国公路建设的快速发展，路网老化问题日益突出，越来越多公路的实际使用年限接近设计使用年限；与此同时，还面临着养护水平不高、养护资金较少等问题。预防性养护成为缓解这一系列矛盾的首选理想方案。以开级配抗滑磨耗层(OGFC)为代表的排水性薄层罩面已在国外高等级路面养护中得到广泛应用。排水性薄层罩面技术是一种基于排水、降噪、提高雨天行驶可视性和安全性的技术，同时也用作耐久性路面结构的路表磨耗层，其使用寿命一般可达8年[1]。

排水性薄层罩面在某种程度上借鉴了排水沥青路面的概念，二者在排水性沥青混合料的材料设计上没有显著差异。20世纪中后期，美国部分地区使用的沥青混合料封层演变成开级配磨耗层，之后又研发了具备排水性、抗滑性和降噪性的OGFC。从20世纪末到21世纪初，美国从级配和添加剂两方面着手，改进了OGFC设计，并在高等级公路养护中进行大规模推广应用[2]。

薄层罩面材料的表面纹理在服役早期会被磨平，导致构造深度和平整度显著下降，路面抗滑性不足。薄层罩面材料的耐久性和稳定性很大程度上取决于混合料的质量，针对薄层罩面材料功能性衰减问题，专家和学者进行了相关研究。法国学者将加入纤维的改性沥青应用于薄层罩面材料，并调整粗细集料配比，改良薄层罩面材料性能。美国学者利用NovaBond(聚合物改性乳化沥青)作为黏结层，采用间断级配，优化薄层罩面材料的抗滑性。

目前，国内排水性沥青混合料多用于排水沥青路面，仅在江苏、广东等地区作为功能磨耗层使用，较少用于养护性薄层罩面。东南大学研究团队先后在宁杭公路二期南京汤山段、沪宁高速公路镇江支线改建工程、渝邻高速公路主线等工程中铺设了不同规模的多孔沥青路面试验段。然而，由于材料组成和施工工艺的影响，试验段的实际使用效果和使用寿命相差较大[3-5]。效果较好的养护试验段，其材料和设计大多基于施工经验，沥青用量约8%，添加了木质纤维素，缓解了沥青用量过多造成的渗漏问题。由此可见，排水性薄层罩面在国内尚未形成统一的技术应用标准，实际工程中多借鉴经验，材料设计缺乏理论支撑。因此，本文旨在对现有排水性薄层罩面材料设计进行优化，提高薄层罩面材料的耐久性和稳定性，以期推动排水性薄层罩面技术在道路预防性养护方面的推广和应用。

1 排水性薄层罩面技术特点

1.1 原材料选择

排水性薄层罩面材料在排水、抗滑、降噪等方面的优势源于其独特的骨架孔隙结构，材料内部存在有利于排水和降噪的连通孔隙，材料表面较大的构造深度也保证了其优异的抗滑性能[6]。与密级配沥青混合料相比，开级配沥青混合料的最大特点为空隙率高，受雨水、紫外线、温度、车辆荷载等因素影响更明显。沥青胶结料的耐老化性、黏聚力、弹性恢复力和集料的耐磨性、硬度也成为原料选择时的主要控制标准。集料的相互嵌挤程度决定了开级配沥青混合料的强度，通常选用破碎值较小、耐磨性较好的集料[7]。

为保证沥青混合料的耐久性，日本研发了高黏改性沥青，用以增加沥青膜厚度。开级配沥青混合料以粗集料为主，较高的沥青用量使其在实际施工过程中容易出现析漏问题。随着橡胶沥青改性技术的发展，高胶质沥青的高温稳定性和黏附性得到提升，储存稳定性得到改善[8-10]。国外工程经验证明，黏结性能良好的橡胶改性沥青，其渗漏问题并不严重[11-12]。因此，橡胶改性沥青在环境效益和经济效益方面均优于高黏改性沥青。

1.2 骨架结构设计

在高等级公路路面养护中，采用开级配磨损层作为路面功能层，铺装厚度通常为25～35 mm，骨料的最大公称粒径(NMAS)通常为9.5 mm和13.2 mm。以NMAS 9.5 mm开级配沥青混合料为例，研究开级配沥青混合料骨架结构设计。OGFC-10不同级配范围比较如图1所示。

图1 OGFC-10不同级配范围比较

图1中，规范一引自《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350—03—2020)，规范二引自Designconstruction,andperformanceofNewGenerationOpen-GradedFictionCourses，规范三引自《OGFC在沥青路面养护中的应用研究》。

由图1可知，不同规范对应的OGFC-10的级配曲线存在明显差异，主要体现在关键筛孔(2.36 mm和4.75 mm)通过率的取值范围。不同规范级配曲线的影响不仅体现在骨架结构的差异上，还体现在沥青混合料的抗永久变形性能的差异上。

1.3 设计方法与评价标准

开级配沥青混合料与密级配沥青混合料在材料组成和结构特征上存在显著差异，具有特有的设计方法和评价标准。美国NCAT(国家沥青技术中心)改进的OGFC设计方法和日本的排水性沥青混合料设计方法都借鉴了欧洲多孔沥青混合料的设计经验，我国开级配沥青混合料的设计方法借鉴了日本的设计方法。

美国NCAT改进后的OGFC设计方法的关键技术环节包括：①采用改性沥青，建议采用橡胶改性沥青；②在肯塔堡飞散试验的基础上，进一步分析长期老化后沥青混合料的抗飞散性能；③提高空隙率以保证排水功能的持久性，通常选择较大粒径的集料，粒径一般选择12.5 mm和16.0 mm，空隙率保持在20%；④OGFC中的粗集料嵌挤形成石—石嵌挤结构，以VCAmix

为提高水稳定性，日本的规范要求当温度为60 ℃ 时，高黏改性沥青的绝对黏度要大于20 000 Pa·s。采用马歇尔试验进行配合比设计，高温稳定性根据车辙试验评定，沥青最佳用量通过谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验确定。

2 室内试验

开级配沥青混合料设计中的合理级配范围、沥青合理用量、骨架结构稳定性等关键环节仍存在争议。这些关键环节大多根据工程实践经验来确定。因此，上述关键环节的应用范围相对有限，使用寿命相对较短(5年以下)。针对细粒式开级配沥青混合料在排水性薄层罩面材料设计和评估中的若干问题，对排水性薄层罩面材料设计与性能进行评估。

2.1 原材料

本次配合比设计试验所用原材料包括玄武岩、粗集料、细集料、石灰岩矿粉和高掺量胶粉改性沥青混合料。高掺量胶粉改性沥青混合料由江苏宝利沥青股份有限公司提供，采用复合改性橡胶沥青应用技术，胶粉质量占比20%～25%，SBS质量占比3.0%～4.5%，动力黏度不小于50 000 Pa·s(60 ℃)。试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，高掺量胶粉改性沥青混合料技术指标如表1所示。

表1 高掺量胶粉改性沥青混合料技术指标

2.2 级配设计

PA10级配设计参考苏交科集团股份有限公司和美国NCAT的开级配沥青混合料设计规范进行。目标空隙率为20%，控制2.36 mm筛孔通过率在规范中值范围为-3%～3%，初拟3种合成级配，PA10合成级配筛孔通过率如表2所示。

表2 PA10合成级配筛孔通过率

初选沥青用量参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行计算，沥青膜厚取14 μm，得到3种合成级配的油石比分别为4.6%、4.4%和4.9%。PA10筛孔通过率与空隙率的相关关系如图2所示。

图2 PA10筛孔通过率与空隙率的相关关系

3种合成级配的空隙率依旧偏大，即使是级配偏细、油石比4.9%的合成级配3，空隙率也达到21.3%，已超过《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中空隙率20%的上限。因此，借鉴美国NCAT初选沥青用量的经验，油石比根据级配对应的合成矿料毛体积相对密度确定，开级配沥青混合料经验取值如表3所示。

表3 开级配沥青混合料经验取值

选择空隙率最接近20%的合成级配3作为初选级配，合成矿料毛体积相对密度的测定结果为2.87，参考表3，初拌沥青用量取5.8%，油石比取6.2%，预拌沥青混合料，测得空隙率为18.6%，低于目标空隙率，试拌油石比偏大。因此，需要在此基础上进行最佳沥青用量设计。

2.3 最佳沥青用量

在试拌油石比6.2%基础上，选取5组油石比，分别为4.6%、5.0%、5.4%、5.8%和6.2%，每组油石比各制备4个马歇尔试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验。不同油石比PA10的技术指标如表4所示，不同油石比PA10的析漏损失、飞散损失和空隙率与油石比的相关关系如图3所示。

表4 不同油石比PA10的技术指标

(a) 析漏损失

由图3可知，不同油石比PA10的析漏损失均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求，析漏问题并不显著。当目标空隙率取20%、油石比取5.8%时，飞散损失满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求。因此，当最佳油石比为5.8%时，最佳沥青用量为5.5%。

3 性能评估

开级配沥青混合料的多孔结构，使其具有良好的排水、抗滑和降噪等特性，但也使内部材料暴露于外界环境，对材料耐久性提出了更高要求。在完成PA10配合比设计的基础上，对排水性薄层罩面材料的水稳定性、低温抗裂性、高温稳定性、抗飞散性、排水性能、抗滑性能进行了评价。

3.1 高温稳定性

排水性薄层罩面作为功能性养护磨耗层，在路面设计中不进行结构应力分析，但罩面层位于路表，会受到交通荷载的影响。根据铺装层的应力分布特点，路表压应力和剪应力处于较高水平，易产生车辙变形，影响磨耗层的路用性能和使用寿命。因此，对表层材料的高温稳定性进行评价十分必要。采用车辙试验对PA10的高温稳定性进行测定。试验结果显示，PA10的动稳定度为6 397次/mm，满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中动稳定度≥6 000次/mm的技术要求。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对于动稳定度限值的确定主要基于我国排水沥青路面的工程经验和相关研究，PA10在该领域的研究和应用并不广泛。因此，≥6 000次/mm的动稳定度技术要求是否适用于PA10，还需进一步研究。

3.2 抗飞散性

飞散病害是指在反复交通荷载和复杂天气条件的共同作用下，沥青老化、损坏而形成的路面损伤。开级配沥青混合料的较大空隙率减少了骨料之间的接触面积，在承受相同载荷时，骨料之间的接触力明显增强，极易发生飞散、骨料松散等病害[13]。研究表明[14]，排水沥青路面的剥落破坏约占所有类型病害的75%，剥落破坏显著降低了道路的耐久性、驾驶舒适性和安全性。在配合比设计阶段，飞散损失是沥青混合料最佳掺量设计的关键控制指标。试验结果显示，PA10的飞散损失为6.7%，满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中飞散损失≤15%的技术要求。

3.3 水稳定性

排水性沥青混合料的较大空隙率不仅使其具有排水特性，还加重了水损病害对沥青混合料的不利影响。排水性沥青混合料的细集料含量较少，粗集料包裹的沥青胶浆含量有限。在水的反复渗透下(特别是在一些冻融地区)很容易发生矿料剥落、网裂等水损病害。此外，在反复交通荷载的作用下，表面孔隙中的高压水会反复冲刷包裹着粗骨料的沥青胶浆，加剧了水对沥青胶浆黏附力和耐久性的不利影响[15-16]。因此，确保排水性沥青混合料的水稳定性是保证排水性薄层罩面使用效果的关键，PA10水稳定性试验结果如表5所示。

表5 PA10水稳定性试验结果 (%)

3.4 排水性能

排水性薄层罩面具备的排水性能和抗滑性能，可以提高雨天道路行驶的可视性，增强路面的抗滑性能，提升驾驶的安全性。排水性沥青混合料的孔隙结构主要分为连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙3种类型。连通孔隙所提供的排水通道决定了材料的排水能力，也称有效孔隙；半连通孔隙不能提供排水通道，具有贮水吸收能力，又称半有效孔隙；封闭孔隙位于材料内部，其功能上表现为无效孔隙。体积法测得的空隙率是3种孔隙的总和。为了从体积参数的角度反映沥青混合料的排水性能，应去除半连通孔隙和封闭孔隙，单独计算连通空隙率。考虑到沥青混合料内部结构的复杂性，目前比较合理、有效的方法是消除封闭孔隙的影响，采用相对简单的物理密度测量法，测定连通空隙率和半连通空隙率之和。除了测量连通空隙率外，本试验还进行了沥青混合料透水试验，利用透水仪测量排水性沥青混合料的透水系数，PA10排水性能试验结果如表6所示。

表6 PA10排水性能试验结果

3.5 抗滑性能

路面的抗滑性能是由构造深度决定的，即水平方向0.5～50 mm的构造。在车辆高速行驶条件下，特别是存在水膜时，构造深度对抗滑性能影响较大。PA10的构造深度为0.81 mm，满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中构造深度≥ 0.55 mm的技术要求。PA10的粒径偏小，表现为宏观构造偏小，微观纹理偏大。

4 总结

本文分析了PA10的高温稳定性、抗飞散性、水稳定性、排水性能和抗滑性能，得出以下结论。

(1) PA10的动稳定度满足规范要求，在骨架结构稳定性方面存在劣势。排水性沥青混合料动稳定度≥6 000次/mm的规范要求是否合适，还需进一步研究验证。

(2) PA10的飞散损失为6.7%，满足规范中飞散损失≤15%的技术要求，与自身沥青用量和细料含量较高有关。

(3) PA10的空隙率和渗水系数均满足规范要求。连通空隙率作为排水性沥青混合料配合比设计的体积控制参数，有助于优化级配类型，提升排水性能。

(4) PA10的构造深度为0.81 mm，满足规范要求。