长安大学高模量混凝土沥青路面应用技术研究样本.doc

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高模量混凝土沥青路面应用技术研究
高模量沥青混凝土( High Module Asphalt Concrete, HMAC) 是一种高模量高质量的沥青混凝土, 其设计思想是经过提高沥青混凝土的模量, 减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的应变, 提高路面抗高温变形能力, 改进沥青混凝土抗疲劳性能, 延长维修周期, 延长路面的使用寿命。
一、 优势
近年来, 伴随着中国公路运输交通量急剧增加, 超载、 重载现象严重, 路面结构的损坏情况日益加剧。高模量沥青混凝土路面具有优良的抗高温变形能力和抗疲劳性能, 能够满足繁重交通量的需求。
在许多对旧路进行翻修、 改造的工程中, 路面标高往往会受到限制, 采用传统的沥青混凝土材料在较薄的厚度下一般无法保证足够的承载能力。高模量沥青混凝土能够提供良好的承载能力条件下减薄沥青面层厚度, 降低路面标高。
石油做为一种不可再生资源, 人类的开采、 使用数量不断增加, 近年来原油价格的不断攀升, 导致沥青材料价格居高不下, 提高沥青面层模量, 能够降低沥青面层结构厚度, 有利于节省资源、 降低能源消耗。
中国广泛应用半刚性基层沥青路面, 半刚性基层模量、 与沥青面层间模量差距大, 高模沥青混凝土结构层能够作为两层间的联接层, 全面提高路面结构各项使用性能、 延长路面结构服务寿命
二、 国内配合比设计方法对高模量混凝土的适用性
利用中国普遍应用的马歇尔设计方法, 针对掺加PR Module的高模量沥青混凝土的材料特点, 对传统设计方法做相应调整, 并提出适合中国的高模量沥青混合料设计方法。
为了保证外掺剂与沥青混合料的均匀混和, 增加了外掺剂与热集料的干拌时间。考虑PR Module颗粒分布的均匀性和不影响现场施工过程中的生产效率, 经过室内试验研究, 将外掺剂干拌时间定为15S; 确定高模量混合料的拌和温度为170℃～175℃; 确定高模量混合料的拌合时间为45s; 根据击实温度-性能曲线, 建议掺加外掺剂的高模量沥青混合料击实温度为165±3℃, 结合中国现有的设计方法和国情, 采用马歇尔配合比设计方法确定最佳沥青用量。当沥青混合料的级配类型相同时, 每增加0.2%~0.3%的高模量添加剂掺量, 沥青混合料中的沥青用量增加0.1%。
试验表明, 利用马歇尔试验方法设计的高模量沥青混凝土能够满足中国规范要求。
三、 室内试验路用性能对比情况
选用包括法国、 中国及Suppave设计级配的6种试验级配, 从粒径大小来看, 分别选择了3种中粒式和3种粗粒式级配, 这些级配在国内外现有沥青路面建设工程中存在广泛应用, 涵盖面广, 具有一定的代表性。以此6种级配开展高模量沥青混凝土路用性能对比情况。
1、 模量
随着外掺剂掺量的增加, 混合料的抗压强度和回弹模量均显著提高。对于六种不同级配类型的沥青混合料, 当添加剂掺量为0.7%时, 回弹模量的提高程度大约在50％左右。
掺入0.7％外掺剂的混合料动态模量比未掺入的动态模量有大幅度提高, 最大提高幅度可达到1倍以上, 说明PR Module对提高沥青混凝土模量具有显著的效果。
动态模量试验结果显示, 虽然高模量混凝土的模量较普通沥青混凝土有所提高, 可是动态模量( 15℃, 10Hz) 并没有达到如法国规范中≥14000Mpa的要求, 总体水平基本上分布在10000Mpa左右。说明在试验方法和设备不同的情况下, 不能简单地将法国规范中对高模量沥青混凝土的定义用于中国规范中, 对高模量的规范需要更多的试验数据和分析过程。
2、 高温稳定性能
与普通沥青混合料相比, 加入高模量添加剂后沥青混凝土的动稳定度提高了5~10倍以上 。说明高模量沥青混凝土的抗车辙性能显著提高, 抵抗高温变形能力显著增强。
3、 低温抗裂性能
随着高模量沥青混凝土添加剂掺量的不断加大, 混合料的弯拉应变也逐渐下降, 说明外掺剂加入后, 对沥青混合料的低温性能没有改进作用, 反而使得低温抗裂性能有小幅度降低。 试验数据表明, 混合料弯拉应变的下降幅度较小, 最大的幅度为9.4％, 说明高模量沥青混凝土低温性能虽然有所降低, 可是幅度并不明显`。
4、 抗疲劳性能
对同一级配的沥青混合料而言, 随着不同外加剂掺量的加入, 可见疲劳曲线上的疲劳寿命Nf呈较大幅度增加, 因另外加剂能明显提高了沥青混合料的疲劳性能;
数据还表明高模量沥青混凝土的n值略小于未添加外掺剂的普通沥青混凝土, 说明添加外掺剂后高模量沥青混凝土疲劳性能随应力变化的敏感性有所降低。
5、 水稳定性能
从浸水马歇试验结果来看, 6种级配类型的沥青混合料的残留稳定度均大于规范技术标准( ≥80％) 。从劈裂试验结果来看, 6种级配类型的沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于规范技术标准( 不小于75％) 。
四、 施工控制技术
扶项高速公路是阿荣旗至深圳国家重点公路的重要组成部分, 是河南省境内纵贯南北的一条重要运输大道, 全长140.9公里。本项目北起周口市扶沟县大杨庄西北开封市通许县境内, 南到贾岭( 驻马店界) 。高模量沥青混凝土试验路在阿( 荣旗) -深( 圳) 线的扶( 沟) -项( 城) 高速公路5标段进行半幅铺筑, 桩号为K6+291～K6+821, 试验路段总长为530米。高模量沥青混凝土铺于该路面的中面层, 厚度为6㎝。
路面结构型式为: 8 cm基质沥青AC-25+6cm掺PR Module添加剂HMAC-20+4cmSBS改性沥青AC-13。如图1所示:

SBS改性AC-13 SBS改性AC-13
高模量沥青混凝土HMAC20 SBS改性SMA
AC-25 AC-25
水泥稳定碎石基层 水泥稳定碎石基层
水泥稳定碎石底基层 水泥稳定碎石底基层
土基 土基
HMAC试验段 对比段
图1 试验段路面结构图
经过试验路段铺筑, 系统总结高模量沥青混凝土施工控制技术。从高模量混合料试验室配合比、 现场配合比调整、 混合料拌和、 混合料运输、 混合料摊铺、 路面压实和施工接缝处理各施工环节进行研究和分析, 结果表明中国现有的施工机械、 施工方法能够进行高模量沥青混凝土的施工。
高模量沥青混凝土施工过程中与普通沥青混凝土施工相比还应注意以下环节。高模量沥青混合料的生产因外掺剂与集料干拌时间的延长导致比普通沥青混凝土产量而略有降低。高模量沥青混合料降温速度快, 为确保摊铺温度, 混合料出料温度宜控制在上限, 现场摊铺碾压宜在规定温度下碾压成型。高模量沥青混合料粘度较大, 压实较困难, 碾压中有推移现象, 混合料摊铺后及时碾压, 碾压速度不宜过快, 并增加在胶轮压路机上涂抹防粘油的次数。
中国现有改性沥青混凝土的施工方法, 能够进行高模量沥青混凝土的施工, 加强施工过程中的技术控制即可满足高模量沥青混凝土的施工要求。
五、 检测结果
1. 路面芯样检测
本试验段采用随机抽检的方式钻取8个芯样, 施工桩号为K6+291～K6+681m, 检测高模量沥青混凝土路段压实度。
表1 HMAC－20路面芯样压实度

芯样毛体积密度平均值g/cm3
室内标准马歇尔毛体积密度g/cm3
理论密度/ g/cm3
压实度/%
芯样毛密度
/理论密度
芯样毛密度/马氏密度
试验段
2.428
2.425
2.524
96.2%
99.88%
对比段
2.442
2.459
2.565
95.2%
99.31%
高模量沥青混凝土试验路段的压实度整体满足规范要求。
2.路面渗水试验检测
渗水试验结果表明, 抽检桩号渗水系数满足规范要求。试验路的渗水系数远小于普通沥青混凝土规范要求, 即表现出密实性好, 不易渗水; 渗水系数较均匀, 沥青混合料离析现象不明显。
3.平整度检测
试验段采用亚星生产的全自动平整度仪进行测试, 试验段与对比段平均度均满足要求; 试验段的平整度值比较均匀, 说明现场摊铺厚度及碾压遍数基本一致。
4. 弯沉检测
贝克曼梁检测: 利用贝克曼梁分别对试验段和对比段的左、 中、 右三幅进行检测, 试验段检测频率为1测点/20m, 对比段检测频率为1测点/50m。对测试结果进行温度修正, 反算出回弹模量, 如图2 所示。

图2 两种路面结构的回弹模量对比
高模量沥青混凝土路段比SBS改沥青混凝土路段的静态回弹模量值要大, 整体弯沉要小。这里需要说明的是由于测试车辆并不是标准车, 轮胎接地面积与标准车有所差异, 使得测试结果并不代表沥青路面回弹模量的真实水平, 可是能够看到, 在试验设备和试验环境相同的条件下, 两种路段的回弹模量代表值具有可比性, 高模量沥青混凝土试验段的力学性能要明显高于SBS改性沥青混凝土对比段。
FWD检测。得用FWD分别对试验段和对比段的左、 中、 右三幅进行检测, 试验段检测频率为1测点/20m, 对比段检测频率为1测点/50m。在同一测点重复测试3 次, 由于承载板、 位移传感器与路表面的接触不密贴和不稳定, 经前2 次锤击, 保证测梁及其它构件处于正常测试状态, 第3 次可视为无形中的”3 次平均值”, 取用第3 次测值作为该测点实测结果。各测点的测试结果反算模量如图3所示。

图3 结构的沥青面层动态模量对比
用FWD检测三个车道的反算模量比正常路段的要高, 虽然反算出来的模量属于沥青面层的综合模量, 但由于其它结构层相同, 综合模量的差异也能反映高模量沥青混凝土中面层和SBS改性AC中面层力学性能的差异, 结果表明高模量沥青混凝土路段比SBS改性沥青混凝土路段的整体承载力好。
试验路段的三个车道无论是从弯沉值还是反算的回弹模量值均好于对比路段值。因此较国内普通沥青混凝土路面和改性沥青路面来说, 高模量沥青混凝土路面有更好的承载能力, 对适应中国当前道路运输中的超载、 重载现象有着显著的优势, 这是一种值得推荐使用的路面类型。

长安大学 沙爱民教授课题组
11月