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瀝青混合料高溫穩定性不足的原因及防治措施

發布者:admin 發布時間:2017-12-19

瀝青混合料高溫穩定性不足的原因及防治措施

施進文

摘要:分析影響瀝青混合料高溫穩定性的因素,針對瀝青路面面層的瀝青混合料,通過試驗數據、國內外研究現狀,從級配、礦粉性質、粉油比、瀝青類型、瀝青用量、壓實度、荷載情況、氣候條件、施工等方面分析,改善瀝青混合料高溫穩定性的機理,為瀝青路面設計、施工提供參考。

關鍵詞:瀝青混合料;高溫穩定性;影響因素;改善措施

The Factors Affect the High—temperature Stability of the Asphalt Mixture and the Improvement Measures

Abstract This paper analyses the factors affect the high temperature stability of the asp halt mixture for the asp halt pavement,Through the test data, research data at home and abroad ,from grading ,slagnat ure, the oil , the type of asp halt , asp halt content,compactness , load, weat her conditions , const ruction and ot her aspect s of high temperat ure asp halt mixture to improvet he stability of the mechanism for the asp halt pavement , It gives use reference in design and const ruction。

Key words asphalt mixture; high temperature stability;affect factor;improvement

Measures

瀝青混合料是由瀝青、粗骨料、細骨料和礦粉以及外加劑所組成。瀝青混合料的高溫穩定性是指混合料在高溫情況下,承受外力不斷作用,抵抗永久變形的能力及易產生車轍、推移和擁包等永久變形的溫度范圍。影響瀝青混合料高溫性能的因素是很多的,主要分為內在因素和外部條件。內在因素主要是指瀝青的性質和稠度,礦料的級配組成,礦料顆粒的形狀等。而外部條件與材料的內在因素結合在一起時就會對瀝青路面產生綜合影響,如外界溫度和交通荷載等。

1. 影響瀝青混合料高溫穩定性的主要因素

    影響瀝青混合料高溫穩定性的主要因素有:瀝青路面結構和瀝青混凝土本身的內在因素(簡稱內因) ,以及候、交通量和交通組成等外界因素(簡稱外因) 。   

1.1內因

    材料瀝青混合料由瀝青、集料和礦粉混合組成,顯然,這些材料的物理力學特性將程度 不同地影響到瀝青混合料的各種路用性能。一般來說選擇優質的材料,采用合適的瀝青用量,進行適當的級配設計,能顯著地提高瀝青混合料的抗車轍能力。

    (1) 瀝青對瀝青混合料的抗車轍能力有極為明顯的影響,一是瀝青標號直接影響高溫穩定性,瀝青的高溫粘度越大、勁度越高、與石料的粘附性越好,抗高溫變形能力越強;二是瀝青用量,過多的瀝青用量將在瀝青混合料中形成游離的自由瀝青,在高溫條件下,這部分瀝青將在荷載作用下發生明顯的流動變形,從而導致混合料的永久塑性變形。我國《公路瀝青路面施工技術規范》規定,在夏季高溫炎熱的地區,在配合比設計得出的最佳用量OAC 基礎上,減少013 %之后的瀝青用量作為設計瀝青用量往往是適宜的。

    (2) 集料所具有的特性對瀝青混合料高溫穩定性的影響尤其顯著。通常情況下,破碎、堅硬、紋理粗糙、多棱角、顆粒接近立方體的集料,相應的瀝青混合料的高溫穩定性就比較好。在集料組成中,破碎的細集料比破碎的粗集料對高溫穩定性更有利。

1.2 氣候

氣候條件主要包括氣溫、日照、熱流、輻射、風、雨等,除了濕度以外,其他問題都可以反映在溫度上,黑褐色的瀝青混合料具有較強的吸熱能力,使整個路面構成了一個巨大的溫度場,由于熱量的大量積聚,很難從瀝青路面中散出,在外部荷載作用下容易產生流動變形,從而形成車轍。相反,路面在潮濕狀態下,瀝青混合料的水敏感性增大,使得高溫穩定性降低。

1.3 荷載

交通條件對瀝青路面高溫性能的影響可以歸結為荷載、輪胎氣壓、行車速度、車流渠化等。荷載對路面高溫穩定性的影響是不言而喻的,特別是重載車、超載車對瀝青路面的變形起到了推波助瀾的作用。我國《公路瀝青路面施工技術規范》規定,在夏季炎熱的高溫地區,在配合比設計得出的最佳瀝青用量OAC的基礎上,減少0.3%之后的瀝青用量作為設計瀝青用量往往是適宜的。對于重載路段的施工,這一點更為重要。加大荷載可以是配合比設計的最佳瀝青用量減少。盡管瀝青用量減少會給路面碾壓帶來一定困難但通過重型壓路機碾壓成型的路面具有較好的高溫抗車轍能力。因此,適當減少瀝青用量,加大壓實度使混合料充分嵌擠,縮小空隙率,是提高瀝青路面高溫穩定性的重要措施。不過,如果瀝青用量減少了而沒有得到充分的壓實,則可能適得其反,造成路面水損壞的產生?,F在國際上有一種配合比設計方法是利用美國工程兵團的搓揉壓實儀,他可以根據道路的荷載情況,加大壓實荷載,通過搓揉壓實達到要求的壓實度,這樣確定的油石比要比馬歇爾試驗確定的油石比小的多。不過,如果施工時沒有足夠噸位的壓路機和良好的壓實效果,達到要求的壓實度,那是達不到目的的。

2. 改善瀝青混合料高溫穩定性的措施

    綜上可知,改善瀝青混合料的高溫性能應針對以上影響因素采取相應的措施。

2.1 材料

集料

對于高等級公路和一些重要路段,應首選高質量的集料,特別是表面兩層瀝青混合料應采用堅硬、安定、表面粗糙、破碎、顆粒接近立方體的集料。細集料在有可能的情況下,應充分考慮采用破碎的人工砂,盡可能避免采用天然砂,不能避免也盡量減少其用量。對于石屑的使用應仔細的選擇,因為石屑往往是石料中的軟弱部分,而且針片 狀顆粒極多,在施工和碾壓過程中很容易粉碎,產生“細?;爆F象。所以,石屑的質量 首先是看巖石本身是否堅硬,與瀝青的粘附性好不好;二是看開采時覆蓋層及夾層是否 清理干凈,石屑中的含泥量大不大。好的石屑可以代替天然砂使用的,這對于提高混合料的高溫穩定性有好處。填料應采用石灰巖或巖漿中的強基性巖石等憎水性石料經磨細得到的礦粉。

      瀝青結合料

    就瀝青對瀝青混合料高溫穩定性能的影響來說,瀝青含量的影響可能比瀝青本身特性的影響更重要,對于細粒式或中粒式密級配瀝青混合料,適當減少瀝青 用量有利于抗車轍,因此,在用馬歇爾法進行混合料設計時,在考慮高溫性能時,瀝青用 量應選擇最佳瀝青用量范圍靠下限之處。但對于粗粒式或開級配瀝青混合料,在考慮抗 車轍時應綜合考慮級配、集料對瀝青的吸收性、集料與瀝青間的粘結力、混合料的空隙 率等,不能簡單地采用減少瀝青用量來改善抗車轍性能。必要時可考慮在瀝青中摻加改性劑來提高其抗車轍的能力。

2.2 設計

1) 級配

較粗的級配有較好的抗車轍能力,但不容易控制,而且級配過粗反而影響其高溫穩定性,相比之下,密級配的瀝青混合料抗車轍能力較開級配混合料穩定。規范規定,最大粒徑13 mm 及16 mm的適合于鋪筑表面層,20 mm及25 mm 的適合于鋪筑瀝青路面中面層和下面層。另外,適當提高混合料中粗集料的用量(不一定是最粗部分) ,對改善瀝青混合料的高溫性能有利。

2) 混合料

在進行混合料的設計時,可有意識地按較多的重載車輛、較大的軸載、較高的輪胎氣壓進行瀝青混合料的設計,同時,應控制混合料中礦粉的含量,一般來說,礦粉與瀝青之比不宜大于1∶2 。瀝青混合料的設計空隙率是一個非常重要又一直有爭議的指標。在現階段,瀝青混合料的設計空隙率在3 %~5 %范圍內是適宜的,它既照顧了高溫性能又考慮了水穩性,有較好的耐久性。通常認為,瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA) 是一種具有優良高溫穩定性能的混合料,但其設計和施工均有特殊要求。

3)瀝青和集料的配合比

集料的級配組成對瀝青混合料的高溫穩定性也是一個重要的影響因素。密級配混合料使得集料顆粒見具有很多的接觸點,因此比斷級配或開級配混合料更穩定。瀝青混合料的空隙率小于3%混合料發生車轍的可能性會明顯加大,如果將空隙率控制在3%~4%之間可有效提高抗車轍能力。但如果是通過采用較多的瀝青而使瀝青混合料的空隙率滿足要求,這樣的混合料同樣是不穩定的,因為瀝青用量的增加將使混合料的高溫穩定性嚴重降低。此外,過多的礦粉會使瀝青混合料易于變形。但瀝青馬蹄脂碎石混合料(SMA)是一個例外,因為吸附多量的瀝青結合料必須使用較多的礦粉和纖維。瀝青材料本身的特性對瀝青混合料高溫性能的影響也是不可忽視的,瀝青的高溫粘度越大、勁度越高、與石料的粘附性越好,相應的瀝青混合料抗高溫變形能力越強。通過添加合適的改性劑可大幅度提高瀝青的高溫粘度,從而改善瀝青混合料的高溫穩定性。

2.3 施工

瀝青路面施工應針對不同的混合料采用不同的施工方法,除了把住材料的質量關以外,最重要的還有兩點:一是施工溫度,包括拌和、攤鋪、壓實溫度,都必須嚴格控制;二是壓實,這是瀝青路面施工的最后工序,也是最重要的工序,好的混合料設計只有通過充分的壓實才能獲得優良的性能,適當的碾壓才能獲得最滿意的效果。此外,加強施工中的質量檢驗也是很重要的。

2.4 壓實度控制

一般車轍主要來自瀝青混合料的粘性流動,瀝青混合料空隙率偏小(小于2 %) 時,在車輪碾壓的反復作用下,瀝青混合料沒有足夠空隙使其流動,造成瀝青混合料整體流動,這會減少顆粒間的接觸應力,使其抗車轍能力降低。瀝青混合料空隙率偏大(大于8 %的密級配瀝青混合料) ,顆粒間的接觸應力不足,有足夠空隙使瀝青混合料流動,且集料之間的嵌擠作用未充分形成,車輪碾壓的反復作用,會產生壓密形變形成車轍。瀝青混合料的空隙率應有一個范圍(2 %~8 %) ,且有最佳空隙率,它的抗車轍能力最強。研究結果表明,當瀝青路面的空隙率過小時,在高溫條件與行車荷載的綜合作用下,瀝青混合料容易產生剪切變形,瀝青路面出現車轍的概率增加。在美國西部環道WestTrack足尺試驗中,當瀝青路面空隙率較大時,由于模擬車輛的作用,瀝青路面將產生較大的壓密變形. 美國學者認為,瀝青混合料的空隙率為4 %時,它的抗車轍能力最強。在瀝青路面工程中,以瀝青混合料的空隙率為4 %為設計空隙率,壓實度控制在96 %~98 % ,實際空隙率可達到6 %~8 %?;旌狭霞壟?、瀝青用量不變情況下,增加壓實度,可降低空隙率。當碾壓次數減少到12 次時(標準碾壓次數為24 次) ,瀝青混合料動穩定度分別只相當于碾壓24 次的30 %左右,這說明壓實對提高瀝青混合料抗車轍能力是非常重要的,碾壓次數變化對空隙率產生顯著影響。在工程實踐中,不能為了控制平整度而降低壓實功率、遍數,否則會降低壓實度,使瀝青混合料抗車轍能力不足。

2.5 減少施工搭接

施工組織應科學合理,以便在施工過程中減少搭接接縫。應保證路基和基層完整的半幅斷面施工,并且不得少于一定長度,兩幅基層之間銜接處的松散部位應切掉。兩次施工處接頭以豎直形式搭接,上下兩層接頭之間最少錯開1 m。

2.6  養生

    (1) 水穩碎石基層碾壓成型后應及時覆蓋,灑水養生。養生時間至少在7 d 以上,才能鋪筑瀝青混凝土下面層。養生必須及時到位,用草袋、麻袋或塑料薄膜覆蓋,保證基層不直接暴露在外,將失水量控制在2 %以內。灑水車的噴頭宜用噴霧式,不能用高壓式噴管;噴灑要人工控制,養生期內必須始終處于潮濕狀態,要求勤灑水、量小且均勻。

    (2) 在養生期間要封閉交通,嚴禁車輛上行和堆放管線、構件等重物。灑水車灑水時必須在另外一側車道上行駛。養生結束后,立即清掃基層,作封層或進行下一道工序,盡快鋪筑面層。

2.7降低溫差

    水泥、水及砂石等原材料在夏季施工時應有一定的遮蔽措施,防止陽光直接照射,造成原材料溫度過高。充分利用某些天然條件,如夜間或有利的低溫季節進行施工,以降低施工時的溫度差?;鶎幽雺和戤吅?,若暫時不進入下一道工序,表面應覆蓋保溫材料,以減少基層的內外溫差,防止材料溫度的驟然變化和水分的迅速揮發。

2.8 調整水穩碎石基層的施工時間

調查表明,水穩碎石基層內產生的裂縫(尤其是溫縮裂縫) 主要取決于基層施工時的溫度和年溫度梯度或多年的溫度梯度。在高溫季節施工的水穩碎石基層經過一個過冷季節后會有收縮裂縫;相反地,在低溫條件下施工的水穩碎石基層經過熱季節后就有膨脹性的裂縫和形變。水穩基層的開裂一般在2 個月內完成,在第3個月裂縫發展數驟減,在經過處理并鋪筑瀝青混凝土面層過冬后的路面上很少發現有新開裂或反射的裂縫。因此,應在平均氣溫條件下施工,就我國的氣候特點而言,安排在春夏季施工是較為妥當的。

3.結 論

     調整瀝青混合料的級配可以提高抗高溫車轍的能力,對于重載交通、高溫地區的路 面工程,改善的幅度有限。 含天然細集料的瀝青混合料抗高溫車轍能力不如含人工細集料的瀝青混合料,建議降低采用人工細集料的用量(總量20 %以下) 。 針對目前面層較薄的情況,不推薦采用最大粒徑大于25 mm(方孔篩) 的瀝青混合料, 推薦采用最大粒徑13 mm ,16 mm 和20 mm 的混合料。在礦料中加入一定比例的水泥(水泥用量20 %~40 %) ,可以改善瀝青膠漿的高溫 性質,而過多的水泥則是不利的。同時適量水泥可以增強瀝青混合料的水穩定性,改善了 瀝青混合料的力學性能。在瀝青混合料配合比設計指標方面,實際采用的油石比宜處于比最佳油石低0. 2 %~0. 4 % ,過小的油石比會造成滲水率的急劇上升,從而引起早期水損壞,過分降低油 石比并不能改善其高溫穩定性?;旌狭系脑O計空隙率取4 %時,具有較理想的抗車轍能力,瀝青混合料壓實不夠,空 隙率明顯增大,動穩定度顯著降低。因此,壓實對提高瀝青混合料抗車轍能力是非常重要的。采用改性瀝青方案是非??煽康氖侄?,尤其在高溫情況下,可以基本消除嚴重的車 轍。在特殊交通條件要求的路段如爬坡車道、停車場、橋面鋪裝等可采用高溫性能優良的SMA。 重視生產配合比設計,施工過程中嚴格按設計值及偏差范圍進行控制,并根據材料變化應及時調整生產配合比,以確?;旌狭腺|量。10) 嚴格控制瀝青混凝土的施工,采取必要的措施防止瀝青混凝土的集料離析和溫度離析,保證壓實溫度和壓實度,確保施工質量。

參考文獻

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