重交通条件下高性能彩色沥青混凝土应用研究.pdf

s一 一 重交通条件下高性能彩色沥青混凝土应用研究 王 玉江 ，叶 奋 ，蒋 国杰 ，郅宏 飞 ( 同济大 学道 路与交 通工 程教 育部重 点试 验室 ， 上海 2 0 1 8 0 4 ) 摘要 ： 近年来 随着 S MA路 面的成功使用 ， 人们也开始采用高黏度 浅色结合料铺筑彩色 S MA路 面， 以便用于交通量较夫 的道 路 ， 同时期望 获得 良好 的纹理构造 。通过对 S MA一 1 3高性能彩色沥青混凝土的试验研究 ， 介绍 了彩 色沥青混凝 土的原材料 的选择 、 配合 比设计要点 ， 提出适合 于重交通条件下 的配合 比方案 。试验结果 表明 ， 彩 色 S MA沥青混合 料具有 与普 通 S MA沥青混 合料 一 样 的良好路用性能 ， 能够满 足重交通 条件下 的使用要求 。 关键词 ： 彩 色沥青 ；S MA；配合 比设计 ； 路用性能 ； 重 交通 ； 老化性能 彩色沥青混凝土路面是指脱色沥青与各种颜色石 料 、 色料和添加 剂等 材料在特 定 的温度下 混合 拌和 而成 的各种彩色沥青混合料 ， 再经过摊铺、 碾压而形成具有一 定强度和路用性能 的彩色沥青混凝 土路面 。在城 市道路 中应用彩色沥青路面， 不仅可以起到美化环境、 提升城市 形象的作用， 而且具有诱导交通、 引导车流的功能。自2 0 世纪 5 0年代欧美等国家开始研究与应用彩色沥青路面以 来 ， 彩色沥青 路面得 到 了很 多 国家 的重 视并应 用 于公 园 道路 、 人行道 、 公交专用道 等铺面工程 吨 。 由于近年来 S MA路面成功地使用 ， 人们也开始 采用高黏度浅色结合料铺筑彩色 S MA路 面， 以便用 于交通 量较 大 的道路 ， 同时期 望获 得 良好 的 纹理 构造 。 日本已经 生产有 高黏度浅 色结 合料 ， 国内有 的企业 也能 生 产 ， 高 黏 度 浅 色 结 合 料 的 黏 度 ( 6 0 ) 可 达 5 0 0 0 0 P a S 以上。 本研究 中， 彩色沥青 混凝土面层采 用 S MA一 1 3级配类 型 ， 通过 一系列试 验研 究 ， 最终提 出 满足彩色 S MA一 1 3沥青混合料应用要求的混合料。 1 原 材料 选择 彩色沥青混合料所用材料包括彩色结合料、 矿质 集料 、 填料 、 颜料 和外 加剂 等 。这 些材 料 的本 身 品质 直 接影 响到 混合料 的性 能 ， 故 混 合 料设 计 首 先 要慎 重 选 择材 料 。 1 1 沥 青结合 料 彩色沥青混凝土铺设中彩色沥青质量的好坏直接 影响到混 合料的质量。理想 的彩 色沥青铺面用结合 料 ， 不仅色泽应该是浅色的， 而且其黏结性、 工艺性都 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 4 1 0 基金 项 目： 住房和城乡建设 部科研项 目资助项 目( 2 0 0 9 一K 5 1 8 ) ； 新疆大学 自然科学项 目( XY 0 8 0 1 3 5 ) 4 6 上踢么姥 N o 2 2 0 1 1 应 与普 通沥 青相 近 ， 或 者 说 它应 具 备 与 普通 沥 青 基 本 相同的路用性能和施工和易性 。综合考虑重交通条件 和试 验路段 地 区气 候 炎热 、 雨 量充 沛等 特点 ， 本 研 究采 用彩色沥青性能指标如表 1 所示 。 表 1 彩 色沥青性能指标检测结果 性质 彩色结合料 针人度( 2 5 ， 5 s ， 1 0 0 g ) 0 1 m 6 6 软化点 5 8 5 延 度 ( 1 5 ， 5 c m mi n ) c m 7 9 5 质最变化 0 1 6 T F OT( 或 RT F OT) 针 人度比( 2 5 ) 8 7 6 后残留物 延度( 1 5 ， 5 c m mi n ) c m 2 3 1 2集料 及填 料 集料 表面 应清 洁 、 粗糙 ， 应 为富有 棱 角 、 质 地坚 硬 、 颗粒 近似 立方 体 的轧 制碎 石 。其颜 色应尽 可 能与 路 面 颜 色相 近 ， 技 术要 求 也 尽 可 能应 满 足 现 行 规 范 。 。填 料采 用石 灰石 等碱性 岩石磨 细 而成 的矿粉 。其 性 能 满 足相 应 的技术 指 标要 求 ， 使 用 时 必 须保 持 洁净 ， 1 - 燥 ， 不结 团。本次 研究 采 用 彩 色 石料 ( 红 色 ) 。 基 本性 能 如 表 2 、 表 3所示 。 表 2集料 基本 性 能 测 试 值 试验结果 技术 试 验项 目 1 5 5 l l l r l l 5 3 n l I3 1 蛰 求 石料压碎值 ) ： 1 6 7 2 () 洛杉矶磨耗损失 9 1 2 0 2 2 8 对沥青的黏附性( S B S改性) 级 5 b 细长扁平颗粒含量 2 4 5 6 1 5 水洗O 0 7 5 mm颗粒含量 ( ) 1 0 6 l 磨光值( B P N) 4 5 4 ( ) 一 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3集料 密 度 表 筛孔尺寸 1 3 2 9 5 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 0 3 0 1 5 0 0 7 5 表观密度 2 6 5 6 2 6 6 5 2 6 1 7 2 6 6 3 2 6 8 6 2 7 0 7 2 7 1 0 2 6 5 6 2 6 3 6 g c m 。 毛体积密度 2 6 2 6 2 6 1 8 2 5 4 7 2 6 6 3 g c m 。 吸水率 0 4 4 0 6 8 1 _ O 5 由表 2看出， 集料压碎值 、 洛杉矶磨耗损失等均符 合技术要求 ， 具有较高的强度和抵抗表面磨损的能力 ； 黏附性等级为 5 ， 说 明集料与沥青具有较好的黏附性 ， 有助于沥青混合料具有 良好的性能。 1 3颜 料 颜料 是 彩色 沥青 路 面色 彩 的主 要 来 源 ， 对 彩 色 沥 青 路 面 的成本 有较 大 的影 响 。彩色 沥青 的颜 料应 能 承 受 日光的照射 、 不褪色 、 不溶于水 ， 并有 良好的耐热性。 颜料在混合料级配设计 中可代替部分矿粉的用量。其 用 量 以所 拌 和的混 合 料 肉眼观 察具有 足 够 的光亮 度 和 鲜 明的色 彩 为准 。 红色 路 面色彩 鲜艳 、 醒 目， 能够 与周 围 的环境 形 成 明显的对 比， 而且红色路面耐污染性较好 ， 因此红色无 机 颜料 经 常应 用于 彩 色路 面 。红色无 机颜 料 中氧 化 铁 红 颜料 价格 最 低 、 应 用最 为广 泛 ， 具有 良好 的耐光 老 化 和耐酸碱腐蚀 能力 。因此 ， 常选择氧化铁红颜料用于 彩色沥青混合料的拌制 。 本 研究 选用 铁红 颜 料 ， 确定 掺 量 为 2 9 6 ( 替 代 相 同 质 量 的矿粉 ) 。 2配合 比设计 拟根 据 S MA 一 1 3级 配范 围进 行 级 配 设 计 ， 级 配 和 级配 曲线 如 表 4和 图 1 所示 。 表 4集 料 级 配 筛孔尺寸 mm 1 6 1 3 2 9 5 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 0 3 0 1 5 0 0 7 5 上 限 1 0 O 1 O O 7 5 3 4 2 6 2 4 2 0 1 6 1 5 1 2 中值 l O O 9 3 6 5 3 2 2 4 2 0 1 8 1 5 1 3 1 2 级 配 1 O O 9 1 5 5 7 5 2 6 1 9 5 1 7 l 5 1 2 5 l 1 1 O 下 限 l 0 O 9 O 5 0 2 0 l 5 1 4 l 2 1 0 9 8 为 提 高彩色 沥青 混凝 土路 面抗 裂 、 抗疲 劳 性 能 ， 延 长路面使用年限， 经试验确定掺人 0 2 腈纶纤维 。 按照 J TG F 4 0 2 0 0 4 ( ( 公路沥青路面施工技术规 范 要求进行 马歇尔试验 ， 确定沥青用量 为 6 6 ， 试 一 验 主要 技术 指标 见表 5 。 1 2 O l 0O 80 鑫6 0 蕃4 o 2O 0 一 下 限 一 级配 r 上 限 ， 1 0 1 5 图 1 S MA - 1 3级配 曲线 图示 表 5 S MA - 1 3沥青 混合料 组配马歇 尔试验结果 油石比 毛体积密 最大理论密 空隙率 矿料间隙 沥青饱 稳定度 流值 度 g c m 。 度 g c n l。 率 和 k N ( 0 1 m m ) 6 6 2 3 5 6 2 4 6 5 4 4 l 7 7 7 4 2 1 1 6 5 3 9 技术要求 3 4 1 7 7 5 8 5 6 由试 验 结 果 可 以 看 到 ， S MA 一 1 3彩 色 沥 青 混 合 料 在各项技术指标上均能满足城市道路的沥青混合料的 技 术要 求 。 3 S MA - 1 3彩色 沥青 混合 料性 能研 究 S MA 一 1 3 彩色沥青混合料不仅要符合一般沥青混 合 料 的性能 要求 ， 以保证其 在 行车 荷载 的作 用 下 ， 满足 安全、 舒适 、 耐久等路用要求； 同时又要保证其在行车 轮胎摩擦和风吹 日晒等 自然因素作用下较长时间内保 持其 原有 色 彩 。 因此 ， 不 仅 需 要对 混合 料 物 理 力 学 特 性进行研究 ， 还需要对混合料的耐久性等方 面进行系 统研 究 。 3 1 高 温稳 定性 沥青路 面的高 温稳 定性 反 映 沥青 混合 料 抵抗 荷 载 作用下的永久变形的能力。在高温、 低速重载和抗剪切 能力不足等情况下 ， 常见的路面损坏形式主要有推移、 拥包、 搓板 、 车辙和泛油等_ 7 ， 其中车辙问题是沥青路面 高温稳定性 良好与否的集 中体现 。J T G D 5 0 2 0 0 6 ( ( 公 路沥青路面设计规范 规定： 对于高速公路 、 一级公路的 表面层和中面层 ， 进行沥青混凝土配合 比设计 时， 应进 行车辙试验 ， 以检验沥青混凝土的高温稳定性。本文采 用车辙试验来评价该混合料的高温稳定性。 根据沥青混合料车辙试验 ( T 0 7 1 9 1 9 9 3 ) 的规 N o 2 2 0 1 1上 么咯 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s一 一s 定 ， 试 验标 准温度 为 6 0 C， 轮压 为 0 7 MP a ， 试 件为 轮 碾 成 型 的 3 0 0 mm3 0 0 mm5 0 mm 的板 块试 件 。按 照规 范规 定 进 行 S MA 1 3彩 色 沥 青 混 合 料 的 车 辙 试 验 ， 试 验结 果见表 6 。 表 6 车辙试验结果 试验项 f =I 规格 技术要求 动稳定度 Ds 次 II I Il l 4 7 0 1 不小于 3 0 0 0 动稳定度是评价沥青混合料高温性 能的重 要指 标 。由表 6巾数 据 可 以 看 到 ， S MA I 3彩 色 沥青 混 合 料 的 动 稳 定 度 为 4 7 0 1次 ram， 达 到 了 J TG F 4 0 2 0 0 4 ( 公路 沥青路 面施 工技 术规 范 中对 于夏 炎热 改 性 S MA 混合料 车辙 试 验 动稳 定 度 不 小 于 3 0 0 0的 技 术要求 ， 表明该混合料具有 良好的高温稳定性， 满足抗 车辙 的使用 要求 。 3 2 水稳 定性 水 损害 是沥 青路 面 的主要病 害之一 。所 谓水 损 害 是指 沥青路 面在 水 或 冻融 循 环 的作 用 下 ， 由于汽 车 车 轮动态荷载的作用 ， 进入路面空隙中的水不断产生动 水压力或真空负压抽吸的反复循环作 用， 水分逐渐渗 入沥 青与集 料 的界 面 上 ， 使 沥 青 黏 附性 降 低并 逐 渐 丧 失黏 结 力 ， 沥青 膜 从 石料 表 面剥 离 ， 沥 青 混合 料 掉 粒 、 松散 ， 继而 形 成 沥 青 路 面 的坑 槽 、 推 挤 变形 等 损 坏 现 象 。检验路 面材 料水稳 定性 的试 验方 法有 浸水 马歇 尔 试验 、 真空饱水马歇尔试验、 浸水劈裂试验、 真空饱水 劈裂 试 验 、 冻融 劈 裂 试验 、 浸 水 抗 压试 验 、 浸 水 车辙 试 验等 。 本文 采 用 沥 青 混 合 料 浸 水 马 歇 尔 稳 定 度 试 验 ( T 0 7 0 9 2 0 0 0 ) 和沥青混合料冻融劈裂试验 (T 0 7 2 9 2 0 0 0 ) 3 这 2种方 法评 价彩 色 沥青 混 合料 的水稳 定 性 ， 试 验结 果见 表 7 。 表 7 浸水 马歇 尔稳定度试验和冻融劈裂试验试验结果 试验项 曰 规格 技术要求 浸水马歇尔试验残 留稳定度 9 0 3 不小于 8 O 冻融劈裂试 验的残 留强度 比 8 5 5 不小于 8 O 对 S MA i 3彩色沥青混合料进行浸水马歇尔试验 和 冻融 劈裂试 验 的结 果 也 表 明 ， 残 留稳 定 度 和 残 留 强 度 分别 为 9 0 3 和 8 5 5 ， 均 满 足 不小 于 8 O 的 技 术要求 ， 表明该混合料具有 良好的水稳定性 。 3 3抗老化 性 能 目前 ， 室内模拟沥青混合料老化 的方法分为 ： 短 4 8 上踢么魄 N 。 2 2 0 1 1 期 老化 和 长期 老 化 。短 期 老 化 实 验 方 法 主嘤 有 烘 箱 加 热法 、 延 时 拌 和法 和微 波加 热 法 等 ； K期 老化 实 验 方 法 主要 有 加压 氧 化 老 化 、 延 时烘 箱 J J 口 热 、 紫 ) 外 线处理等。其 中， 延时烘箱加热法 易于实施 ， 可敏感 地反映沥青混 合料性 能的变化 ， 是 长期老化 法 巾 比 较 常用 的方 法 一 。 老化 水 平一 般 分 为 i个 级 刖 ， 即未 老化 ( 朱 J 儿 J 热 老 化 ) 、 短 期 老化 ( 在 l 3 5 1 中放 置 4 h ) 和 长 期 老 化 ( 在 8 5 1 中放 置 1 0 d ) 。沥 青 混 合 料 老 化 评 价 的 实验 多 采 用 低 温 劈 裂 试验 和 弯 曲试 验 ， 其 实 验 指 标涉及劈裂强 度 、 劲度模量 值、 弯拉强 度 、 弯托应 变 等 。本 文 针对 彩 色 沥青 混 合料 和 普 通 ( 5 0号 ) 沥 青 混 合 料进 行 劈裂 实 验 ， 采 用 劈 裂强 度 作 为 价 指 标 。 研 究彩色沥青混合料的抗老化性能 。实验结果 2 。 l 6 l 4 1 2 量 1 0 憩 敞 0 8 O 6 0 4 未老化 短期老化 K期老化 图 2 不 同老化条件下 混合料的低温劈裂强度 从 图 2叮知 ， 随着老 化时 问的增 加 ， 两种 沥青 混 合 料 的低 温劈 裂强度 几乎都 成抛 物线 的增加 。这 是 m j 高 温加 热 的情 况下 ， 沥青 中出现轻 质成分 断挥 发 、 微 性 物质 氧化 和 自身 位滞 现象 ， 从 而使 沥青 的 黏度 增大 、 变 硬 、 自身强 度 变大 。从 2巾 _ I f 以看 J ： 未 老 化 时 彩色沥青混合料的低温劈裂强度比普通混合料的低温 劈 裂 强度高 9 3 ； 短 期 老化 后 ， 彩 色 沥青 混合 料 的低 温劈裂 强度 比普通 混合 料 的低 温 劈 裂强 度 高 1 2 ； 长 期 老化 后 ， 彩色 沥青 混 合 料 的低 温 劈 裂 强 度 比普 通 混 合料的低温劈裂强度高1 8 4 。说明， 抗老化方 ， 彩色 沥青混 合料 的性 能不 如普通 沥青 混合料 。 4结语 ( 1 ) 本 文 对彩 色 S MA l 3沥 青 混 合料 从材 料 选 取 方 法及 标 准 、 级 配设 计 要 求 、 物 理 及( 下转 第 6 4页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m