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不同車轍劑瀝青混凝土的應用評價
2019年08月14日    閱讀量:6796    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

為了科學合理地應用抗車轍材料,采用室內外綜合路用性能試驗方法開展了以不同抗車轍劑加入普通瀝青、SBS改性瀝青作為結合料的瀝青混凝土路用性能的影響分析,并且鋪筑試驗路驗證。結果表明:不同抗車轍劑類型及用量對瀝青混合料的綜合路用性能有較大影響,優化抗車轍劑類型及用量可顯著降低混合料的室內和現場剩余空隙率,并提高高溫穩定性;選擇抗車轍劑類型與用量時應兼顧抗車轍劑瀝青混合料路用性能指標的均衡性,抗車轍劑用量不宜過大;采取經短期老化后的TSR試驗更有利于評價水穩定性。

關鍵詞

關鍵詞:抗車轍劑;瀝青混合料;空隙率;動穩定度

引 言

目前,中國高等級公路與城市道路路面主要為半剛性瀝青路面,一般認為路面出現的車轍主要產生于瀝青混凝土面層結構內部[1-5]瀝青網sinoasphalt.com。車轍的外觀特征表現為行車作用下產生的流動變形增大。路面高溫抗車轍能力下降,進而產生連同底層、中層以及表層在內的W型結構性車轍,甚至未交工驗收就需要進行翻修處理。2016年6、7月,江淮、江南地區出現罕見連續性強降雨期和連續2個階段各9d的29℃~39℃的高溫天氣,某些工程項目在建成通車后不久就出現了不同程度的車轍等病害。車轍的出現直接影響道路的使用品質和服務水平,過大的車轍(槽)在雨天更會直接危及行車安全。為此,國內外學者進行了大量的研究[6-11],為解決瀝青路面高溫抗變形能力提供了有力的技術支持;但瀝青路面車轍問題時有發生,不僅與瀝青混合料材料及組成設計有關,還與施工過程質量跟蹤優化和控制等因素有關[12-15]。目前,《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)與《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)并未針對車轍劑瀝青混凝土提出明確的技術標準。2013年1月1日,國家頒布實施《道路用抗車轍劑瀝青混凝土》(G B/T 29050-2012),為探討解決車轍問題給出了又一技術途徑。針對不同車轍劑及其用量對瀝青混凝土綜合路用性能的影響,筆者結合多年從事高速公路瀝青路面研究成果和工程實踐,以重交通等級蚌淮高速公路工程項目為依托,研究車轍劑材料在瀝青面層中的應用評價和工程實踐驗證,旨在減少車轍病害的發生,提出抗車轍劑材料應用的科學性及其用量和在瀝青面層的合理層位,為延長道路使用壽命提供技術途徑和支撐。

試驗原材料及試驗方案

粗集料采用反擊破碎機加工的石灰巖,細集料采用專用制砂機碾磨的石灰巖,填料為石灰巖礦粉,礦料均產自安徽鳳陽縣;普通瀝青采用韓國SK70#A級道路石油瀝青,改性瀝青采用安徽蕪湖環宇生產的SBS(I-D)改性瀝青;抗車轍劑分別采用交通部公路科學研究院生產的RA高模量抗車轍劑(以下簡稱車轍劑A)和深圳海川工程科技公司生產的抗車轍劑(以下簡稱車轍劑B)。原材料各項技術指標均符合標準要求。


為優選車轍劑類型、用量且合理評價抗車轍劑瀝青混合料的綜合路用性能,試驗方案同步對比普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的綜合路用性能。室內試驗分別采用普通瀝青、SBS改性瀝青、車轍劑A普通瀝青、車轍劑B普通瀝青4種瀝青結合料,油石比均為4.3%;礦料級配依據工程進度分階段分別進行目標和生產水洗篩分合成級配。普通瀝青混合料馬氏擊實溫度為152℃,SBS改性瀝青混合料擊實溫度為163℃;馬氏有效試件為6個,車轍劑普通瀝青混合料擊實溫度依據研究目標而定,其他試驗方法均滿足試驗規程的要求。


選擇5km路段作為車轍劑A和車轍劑B瀝青混合料為中面層(6cmAC-20)試驗段,其他段落維持原設計(6cmAC-20SBS改性瀝青混合料)。試驗段在支線跨橋上,拌合、攤鋪、壓實等設備和施工工藝均與主線相同,經實驗室驗證后在主線上進行不同車轍劑類型及用量的試驗段鋪筑,并同步進行多次現場試驗檢測,最后通過重交通長期實踐驗證,提出針對不同車轍劑類型的合理添加量和推薦使用層位。

車轍劑對AC-20瀝青混合料性能的影響

車轍劑A的不同用量對馬氏指標的影響

4檔石灰巖集料規格分別為9.5~19mm、4.75~9.5mm、2.36~4.75mm、0.075~2.36mm,填料為礦粉,各檔礦料用量比例為46∶25∶2∶23∶4,合成級配見表1;瀝青結合料分別采用普通瀝青、SBS改性瀝青以及加入車轍劑A的普通瀝青,車轍劑A的摻量分別為普通瀝青質量的5.1%、1.9%、10.8%,試驗結果如圖1~4所示。

不同車轍劑瀝青混凝土的應用評價 瀝青網,sinoasphalt.com

從試驗結果可知,在不同瀝青結合料類型與車轍劑A的不同摻量下,馬歇爾技術指標發生了較大變化:普通瀝青和SBS改性瀝青形成的AC-20C混合料空隙率變化較小,SBS改性瀝青混合料的殘留穩定度比普通瀝青混合料大,說明改性瀝青的抗水損害性能優于普通瀝青;隨著車轍劑摻量的逐漸增大,表干相對密度逐漸減小,空隙率和穩定度逐漸增大,殘留穩定度比逐漸降低,較SBS改性瀝青混合料明顯偏低。盡管馬歇爾殘留穩定度比不作為密級配瀝青混合料水穩定性的評價指標,但在一定程度上說明車轍劑A對水損害能力的提高效果不如SBS改性瀝青。分析認為,車轍劑A的摻入雖然能提高60℃馬歇爾穩定度,但在油石比4.3%和163℃成型溫度下,隨著摻量的增加,試件空隙率逐漸增大,在馬歇爾殘留穩定度試驗過程中強度衰減較快,導致殘留穩定度比降低[16-18]。

車轍劑類型對瀝青混凝土性能的影響

為進一步驗證不同結合料類型和不同車轍劑對馬氏技術指標和路用性能的影響,依據9.5~19mm、4.75~9.5mm、2.36~4.75mm、0.075~2.36mm四檔礦料和礦粉水洗篩分結果,確定其用量比例為49∶21∶6∶20∶4,目標合成級配如表2所示。結合料類型分別為普通瀝青、SBS改性瀝青、摻0.3%抗車轍劑A的普通瀝青、摻0.3%抗車轍劑B的普通瀝青,其中摻0.3%抗車轍劑A的普通瀝青混合料擊實溫度為170℃,各混合料性能指標的試驗結果如表3所示。在試驗結果的此基礎上,進行生產級配篩分,拌合站各熱倉17~22mm、11~17mm、6~11mm、3.5~6mm、0.075~3.5mm礦料及礦粉的比例為12∶34∶21∶9∶20∶4,生產合成級配如表4所示。針對普通瀝青摻0.3%抗車轍劑A形成的AC-20C瀝青混合料,分別進行163℃不同壓實功下和雙面各擊實75次時不同成型溫度下的馬歇爾試驗,結果如圖5、6所示。之后對普通瀝青摻0.3%抗車轍劑A和普通瀝青摻0.3%抗車轍劑B形成的AC-20C瀝青混合料進行短期老化,然后在不同壓實功條件下進行凍融劈裂試驗,試件成型溫度均控制在163℃,結果如圖7、8所示。

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從試驗結果可知:摻入瀝青混凝土總量0.3%的抗車轍劑后,普通瀝青的抗車轍性能有了明顯提升,其中抗車轍劑A的效果更為明顯,說明摻入該型號抗車轍劑的瀝青高溫穩定性優于摻入抗車轍劑B的瀝青和SBS改性瀝青;但從擊實溫度來看,加入抗車轍劑A的瀝青混合料對擊實溫度的要求比較高,加快了拌和、攤鋪過程中瀝青的短期老化,同時也增加了施工的難度和燃料的消耗。


(1)由圖5、6可知,加入0.3%車轍劑A的瀝青混合料隨擊實功的增大,空隙率線性降低,隨擊實溫度升高,空隙率呈凹形曲線變化,存在最佳成型擊實溫度,驗證了表2試驗結果針對車轍劑A采用170℃成型溫度的合理性。


(2)從圖7、8可知,經短期老化后的不同類型結合料形成的AC-20C瀝青混合料,隨著壓實功增大,空隙率均隨之降低,加入車轍劑A的混合料試件無論是擊實30次還是50次,其空隙率均較SBS改性瀝青和加入車轍劑B的瀝青混合料偏大,表明加入車轍劑A的混合料較難壓實,而加入車轍劑B的混合料和SBS改性瀝青的壓實功較為接近[19-20]。


(3)從凍融劈裂強度比來看:加入車轍劑B的混合料較SBS改性瀝青混合料高15%~20%,較加入車轍劑A的瀝青混合料高20%~22%;且經短期老化后,SBS改性瀝青和加車轍劑A的瀝青混合料的凍融劈裂強度衰減較快,加入車轍劑B的瀝青混合料凍融劈裂強度衰減較慢,表明加入車轍劑B改善瀝青混合料抗水損害性能的效果較好;采用老化后瀝青混合料凍融劈裂強度比指標更容易區分各類型結合料水穩定性的優劣。

不同車轍劑及其用量在施工階段的應用評價

考慮到摻車轍劑A的熱拌瀝青混合料需要在較高溫度下才能降低室內空隙率,且混合料出場溫度要控制在165℃~175℃之間,為了對不同車轍劑類型及用量在工程實踐中的應用進行評價,瀝青面層施工設備配備和施工工藝均保持相同,試驗段油石比均為4.3%,馬氏試件成型溫度均為165℃。先后于2012年4、5月在高速公路支線跨橋橋面和主線瀝青下面層上鋪筑試驗段,并對其進行了鉆芯壓實度和滲水試驗檢測。其中4月份采用表4的生產配合比鋪筑摻0.3%車轍劑A的混合料和摻0.3%車轍劑B的混合料,5月份采用22mm、11~17mm、6~11mm、3.5~6mm、0.0775~3.5mm礦料及礦粉的比例為12∶32∶21∶9∶22∶4,合成級配見表5。5月10、11日進行了摻0.3%車轍劑A的混合料鋪筑,5月12、13日進行了摻0.2%車轍劑A的混合料鋪筑。


為節約篇幅和進一步對比不同車轍劑在施工階段的應用,僅研究支線跨橋和主線上鋪筑摻0.3%車轍劑A的混合料路段各2段,主線上鋪筑摻0.2%車轍劑A的的混合料路段2段,以及主線上摻0.3%車轍劑B的混合料路段2段,分析試驗數據。

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(1)支線跨橋橋面上有2段摻0.3%車轍劑A的混合料路段,瀝青中面層的10個芯樣剩余空隙率均值為7.7%,大部分大于7%,9個芯樣平均滲水系數為291.4mL·min^-1,接近規范規定的不大于300mL·min^-1。在主線上鋪筑的2段中,摻0.3%車轍劑A的混合料成型中面層剩余空隙率均值分別為5.3%和5.5%,變異系數分別為22.5%和24.1%,空隙率較橋面鋪筑有較大降低,但大部分單點滲水系數仍超出規范要求,且變異性較大。分析認為,在相同車轍劑A摻量、級配、油石比和厚度下,支線跨橋橋面上的瀝青中面層施工較主線施工的空間(作業面)受限,導致壓實工藝未能及時緊跟慢壓、同進同退,加上橋面剛度較大等因素,最終導致剩余空隙率較大。


(2)主線2個摻0.2%車轍劑A的混合料路段的剩余空隙率均值分別為4.0%和4.3%,變異系數分別為16.3%和27.9%,但滲水系數變異性仍較大,與剩余空隙率相關性較差。與同樣主線施工的0.3%摻量相比,車轍劑A摻量為0.2%的中面層剩余空隙率明顯較摻量為0.3%時有所降低,且滲水系數基本符合規范要求,表明車轍劑A采用0.2%的劑量更有利于降低路面剩余空隙率和提高道路使用性能。


(3)主線上摻0.3%車轍劑B的混合料的2段中面層剩余空隙率基本在3%~6%,均值為5.5%,變異系數為15.8%,滲水系數均值為99mL·min^-1,變異系數為24.4%,滿足規范要求。這表明,同樣施工條件下摻0.3%車轍劑B的AC-20C瀝青混合料的路用性能優于加入0.3%車轍劑A的混合料。同樣的配合比和施工條件下,加入車轍劑B的混合料路面空隙率和滲水系數顯著低于加入車轍劑A的混合料,表明車轍劑類型對路面剩余空隙率的影響較大,所表現的路用性能指標存在明顯的差異性,車轍劑B的綜合路用性能優于車轍劑A。


(4)采用上述2種不同類型車轍劑和不同劑量鋪筑的試驗段滲水檢測結果表明,滲水系數與剩余空隙率相關性不理想。分析認為,盡管本次滲水試驗均在鉆芯芯樣附近進行,出現部分滲水系數偏大的原因與試驗檢測過程中存在側滲水有關,也可能是滲水儀器底座油膩密封效果較差或存在局部離析部位導致。

車轍劑在工程實踐中的長期驗證

本項目為重交通路面等級,設計為:上面層4cmAV-13C(SBS改性瀝青)、中面層6cmAC-20(SBS改性瀝青)、下面層8cmAC-25(70#A級道路石油瀝青)、38cm水穩基層、20cm低劑量水穩層。道路于2013年6月份建成通車。項目實施過程中對部分路段進行中面層材料變更,將SBS改性瀝青結合料改為加入車轍劑的70#A級道路石油瀝青。經過4年重交通運營的路面檢測,2種不同車轍劑鋪筑的5km試驗段目前尚無車轍、坑槽和明顯的裂縫病害發生,僅有幾道縱向裂縫,路面呈現平整、密實和行車舒適的特點。這表明車轍劑對提高半剛性基層瀝青路面的高溫穩定性成效顯著,施工階段及時優化車轍劑摻量并驗證其路用性能尤為重要,通過現場嚴格的施工工藝控制和施工質量管理有效保證了本項目瀝青路面的使用品質和耐久性。

結 語

(1)車轍劑材料組成和性能指標對瀝青混合料綜合路用性能會產生較大的影響,加入車轍劑A的瀝青混合料綜合路用性能指標不及加入車轍劑B的混合料,摻車轍劑B的瀝青混合料性能接近SBS改性瀝青。雖然兩種抗車轍劑均可顯著提高瀝青混合料的抗車轍性能,甚至超過SBS改性瀝青,但指標的均衡性存在較大差異性。


(2)車轍劑雖然能夠顯著提高瀝青混合料的高溫性能,但車轍劑用量對瀝青混凝土的室內和現場空隙率影響較大。考慮到綜合指標的均衡性,抗車轍劑瀝青混合料60℃動穩定度不宜低于6000次·mm^-1。車轍劑A的用量推薦采用0.2%,車轍劑B的用量為0.3%較為合適,考慮摻車轍劑的瀝青混合料在施工過程中由于溫度過高會對普通瀝青造成老化,其摻量不宜過大。


(3)優化車轍劑類型及用量可顯著降低室內和現場剩余空隙率,驗證了添加抗車轍劑后瀝青混合料長期具有良好的路用性能;對短期老化后的AC-20瀝青混合料進行凍融劈裂強度比試驗更有利于評價水穩定性。采用車轍劑材料與普通瀝青制備的瀝青混凝土不宜用作瀝青上面層。


(4)現場進行的10段不同車轍劑瀝青混合料試驗段鋪筑檢測結果表明,成型路面中面層的剩余空隙率與滲水系數相關性較差,與相關研究存在一定出入,在以后的研究工作中還需要進一步在室內試驗和現場施工中進行驗證。


標簽:技術中心瀝青混凝土
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