复合浇注式沥青混凝土高温性能分析.pdf

第 3 9卷 ， 第 5期 2 0 1 4年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9No 5 Oc t ，2 0 1 4 复合浇注式沥青混凝土高温性能分析 侍冬前 ， 李国芬 ，王宏畅 ， 高敏杰 ( 南京林业大学 土木 工程学 院 ， 江苏 南京2 1 0 0 3 7 ) 摘要由于钢桥面铺装存在特殊性 ， 在 国内浇注式沥青 混凝土 铺装并 没有显 示 出更 好 的高 温性能 。本文 采用高温车辙试验 、 贯人度试验等方法 ， 分 析了搅拌 时间 、 预拌沥青碎石 、 结 构厚度 、 改性 剂及结构组成 对复合浇 注 式沥青混凝土高温性能 的影 响， 并提 出了改善复合浇注式沥青混凝土高温性能 的一系列措施。 关 键词钢桥面铺装 ； 复合浇 注式 沥青混凝土 ； 高温性能 中图分类号 】U 4 4 3 3 3 文献标识码 】A 文章编号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 7 5 0 3 S t ud y o n Hi g h Te mp e r a t ur e S t a bi l i t y o f Co mp o s i t e Gus s a s p h a l t Co n c r e t e S HI D o n g q i a n， L I Gu o f e n ，W A NG Ho n g c h a n g ，GAO Mi n g j i e ( N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ， N a n j i n g ， J i a n g s u 2 1 0 0 3 7 ，C h i n a ) A b s t r a c t F o r t h e p a r t i c u l a r i t y o f t h e s t e e l b r i d g e d e c k p a v e m e n t ， i n t h e d o m e s t i c t h e g u s s a s p h a h c o n c r e t e p a v e me n t d i d n o t s ho w be t t e r hi g h t e mp e r a t u r e pe rfo r ma nc e The i mp a c t o f t h e mi x i ng t i me， mi x e d a s p h a l t ma c a d a m ，t h e t h i c k n e s s o f t h e s t r u c t ur e，mo di f y i ng a g e n t a n d s t r u c t u r e e f f e c t s o n t h e p e r f o r ma n c e o f c o mp o s i t e g u s s a s ph a h c o n c r e t e a t h i g h t e mp e r a t ur e wa s a n a l y z e d i n t hi s p a pe r b y t h e h i g h t e mp e r a t ur e r ut t i n g t e s t ，p e ne t r a t i o n t e s t me t h o d An d a s e r i e s o f me a s u r e s we r e p u t f o r wa r d t o i mp r o v e t h e pe rfo r ma n c e o f t h e c o mp o s i t e g u s s a s p h a h c o nc r e t e a t hi g h t e mp e r a t u r e Ke y w o r d s s t e e l d e c k p a v e me n t ； c o m p o s i t e g u s s a s p h a h c o n c r e t e ；h i g h t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y O 前 言 浇注式 沥青混 凝 土最早 出现在 德 国， 原文 为 G u t 3 。 原 意为 “ 河流 ” ， 可 以引 申为 “ 浇 注 流 淌 ” ， 浇 注 式 沥青 混凝 土在 概 念 和历 史 上 可 简单 解 释 为 “ 注 人 式沥青混凝 土” 。浇注式沥青混凝 土具有优 良 的 防水 、 抗 老化 性能 、 抗疲 劳性 能 以及对 钢 桥面 板优 良的随从性 I 4 。因此在钢桥面铺装中得到 了国内 外大量的使用 。由于钢桥面铺装存在特殊性 ， 在 国 内浇注式沥青混凝土铺装并没有显示 出更好的高温 性能 。我国已建或在建的大跨径钢桥多数集 中 在长江中下游地 区， 该 区域夏季气温通常较高。因 此浇注式沥青混凝土在该 区域钢桥上使用时 ， 必须 要高度重视其高温性能。 影 响浇注式沥青混凝土 的高 温性 能 因素 比较 多 ， 主要包括材料 因素、 结构 因素及试验 因素等方 面 卜引。本研究是建立于南京长江第 四大桥钢桥面 铺装的基础上， 紧密联系南京长江第 四大桥的工程 实际， 围绕“ 下层浇 注式 沥青 混合料 +上层改性 沥 青混合料” 的复合 浇注式沥青混凝土铺装方案实际 情况， 深入研究复合浇注式沥青混凝土高温性能， 寻 求适合于我 国大跨径钢桥面铺装的方案 。重点研究 了搅拌时间、 预拌沥青碎石、 结构厚度 、 改性剂及结 构组成对复合浇注式沥青混凝土高温性能的影响。 本研究评价指标 主要采用高温车辙试验及贯人度试 验 。 1 铺装原材料 1 1沥青 结合料 本 研 究 所 用 的 浇注 式 沥青 结 合料 由 日本 进 口， 选用硬质 2 0 4 0号石油 沥青和特立 尼达天然湖沥 青( T L A) ， 混 合沥青按照 7 0 ： 3 0 的比例掺 配而 【 收稿 日期 】2 0 1 3 - 0 9 2 3 c 基金项 目】住房 和城 乡建设部科技项 目( 2 0 1 2一K 4 2 1 ) 作者简介 侍冬前 ( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 江苏宿迁人 ， 研究生 ， 主要从事道路工程方向的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 公路工程 3 9卷 成。其各项技术指标及检测结果如表 1 所示。 1 2集料 1 2 1 粗集料 浇注式沥青混凝土对集料要求 比较高， 应选用 坚韧的、 粗糙的、 有棱角性的优质石料作为粗集料 ， 一 般采用玄武岩、 安山岩、 石英粗面岩、 硬质砂岩、 石 灰岩等岩石生产。本研究选取南京盘晶玄武岩轧石 厂生产的集料， 各级集料的筛分结果如表 2所示。 表 1 混合沥青技术指标及检测 结果 Ta b l e 1 Mi x e d a s ph a l t t e c hn i c a l i nd e x a n d t e s t r e s ul t s 1 2 2 细集 料 细集料 为 通 过 2 3 6 mi l l ， 残 留 在 0 0 7 5 mm 的 骨料。细集料可采 用天然砂、 人工砂 以及碎 渣等。 本研究采用 的细集料为洞庭湖的中粗砂 ， 表 3为其 筛 分 结果 。 表 3 天然砂 筛分结果 Ta b l e 3 Na t u r a l s a n d s c r e e n i n g r e s u l t s 1 2 3矿粉 矿粉通常是采用研磨 的石灰石粉 ， 浇注式沥青 混凝土中矿粉的用量很大 ， 可达到沥青的 2 5 4倍 之多。本研究所采用 的矿粉为镇江市丹徒区石马永 兴建材厂所生产的矿粉 ， 其筛分结果如表 4所示。 表 4 矿粉筛分结果 Ta bl e 4 Po wd e r s c r e e n i n g r e s u l t s 通过下列 筛孔尺寸 ( a m) 的质量百分率 2 3 6 1 1 8 0 6 0 3 0 1 5 0 0 7 5 1 O 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 9 5 8 8 5 2 2 高温性 能研 究 2 1搅 拌 时 间研 究 浇注式沥青混合料需在 ( 2 2 02 5 0 ) o C的温度 范围内进行施工 引。由于拌合机大规模生产无 法 达 到施 工 所需 温 度 ， 并 且 大 规模 生 产 不 能充 分 搅 拌使其均匀 ， 所以在拌合机出料后还需在升温搅拌 车 内再次搅拌一定时间 ， 使混合料搅拌均匀且 达到 施工温度。搅拌时间与浇注式沥青混凝土的高温性 能密切相关 ， 搅拌时间不够导致混合料不均匀 ， 搅拌 时间过长会导致混合料老化 ， 因此对搅拌时间的研 究很 有必 要 。 本 研 究 T L A 含 量 选 取 3 0 ， 对 沥 青 含 量 为 8 2 、 8 3 的混合料分别搅拌 1 5 、 2 5 、 3 0 、 3 5 h 作对 比研究。高温车辙试验温度采用 6 0， 贯入度 试 验 采用 4 0 c I =。 试 验结 果见 图 1 。 搅拌 时间 h 搅拌 时幅】 h 图 1 搅拌 时间与高温性能关系 F i g u r e 1 Re l a t i o ns h i p be t we e n s t i r r i n g t i me a n d h i g h t e mpe r a t u r e p e r f o r ma n c e 分析试验结果 ： 随着搅拌时间的延长， 贯人度呈 现减小趋势 ， 而动稳定度呈现增大的趋势， 说明延长 搅拌时间有助 于浇注式沥青混凝 土高温性 能的提 高 。在 同一搅拌 时 间 下 随着 沥 青 含 量 的 提 高 ， 贯 人 度提高 ， 动稳定度降低 ， 高温性能变差。搅拌时间在 O 0 0 O 0 0 0 0 0 如 们 加 一 一 、 鬻臀 2 8 6 4 2 l 目 目、 髓 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 侍冬前 ， 等 ： 复合浇 注式沥青混凝土高温性能分析 7 7 1 53 h时， 动稳定度及贯 人度变化 不大 ， 而搅拌 时间大于 3 h时变化较敏 感。然而 当搅 拌时 间为 3 5 h时流动度接近 1 0 s ， 对施工不利 。搅拌时间为 3 h时 ， 在提高高温性能的同时 ， 不影响其施工和易 性 ， 因此建议 3 h为最佳搅拌时间。 2 2 预拌沥青碎石研究 研究表明， 在浇注式沥青混凝土表面压入预拌 沥青碎石， 可以改变表层级配， 使得骨料嵌挤 ， 增加 了摩擦力 ， 从而提高复合 浇注式沥青混凝土的高温 性 能 。 本研 究 的预 拌 沥青 碎 石 撒 布 量采 用 8 、 1 0 、 1 2 k g m ， 结构 类型 采用 “ 4 0 mm下 层浇 注式 沥青 混 合料 +3 5 m m上层改性沥青混合料” 。对不 同预拌 沥青碎石撒 布量的复合 浇注分别进行 高温车辙试 验 ， 试 验 结果 见 图 2 。 = 、 g 鲁 一 需 2 0 0 oo o 8 0 0 6 0 0 4 0 0 200 oo o 8 l O 1 2 碎石散布量 ( k g m 一 2 ) 图 2不 同 预 拌 沥 青 碎 石 撒 布 量 与 动 稳 足 厦 关 系 Fi g ur e 2 Re l a t i o n s h i p o f mi x e d a s p ha l t s p r e a di n g ma c a da m q ua n t i t y a nd dy n a mi c s t a bi l i t y 分析试验结果 ：随着预拌沥青碎石撒布量的提 高 ， 复 合 浇 注 的 动稳 定 度 提 高。 当撒 布 量 超 过 1 0 k g m 时 ， 撒布量 的提升对复合浇注的动稳定度 的改善效果 已经不明显 ， 因此预拌沥青碎石 的撒布 量建 议采 用 1 0 k g m 。 2 3结构 厚 度研 究 为了研究结构厚度对复合浇注的高温性能的影 响 ， 本研 究采 用 4种 不 同结 构 厚 度 ， 结 构 类 型 见 表 5 。预拌沥青碎石撒布量采用 1 0 k g m 。对 四种结 构厚度分别进行高温车辙试验 ， 试验结果见图 3 。 表 5复合 结构厚度 Tab l e 5 Th e t h i c kn e s s o f c o mp o s i t e s t r u c t u r e 类型 复合结构厚度 I 4 5 mm下层浇注式沥青混合料 + 3 0 mm上层改性 沥青混合料 4 0 mm下层浇注式沥青混合料 + 3 5 mE上层改性 沥青混合料 3 5 am下层浇注式沥青混合料 + 4 0 I B m上层改性 沥青混合料 2 5 am下层 浇注式沥青混合料 +5 0 m m上层改性 沥青混合 料 80 0 0 ：7 0 0 0 o 0 o 一50 0 0 40 0 0 瑶 3 0 0 0 需 20 0 0 结构类 型 图 3 不同结构厚度复合浇注与动稳定度关系 Fi g u r e 3 Re l a t i o ns h i p o f t h i c k n e s s o f c o mp o s i t e c a s t i ng a nd dy na mi c s t a bi l i t y 分析试验结果 ：降低下 面层结构 厚度 ， 复合浇 注的动稳定度呈现 阶梯型增长 ， 说明降低下面层结 构厚度对复合浇注高温性能影响显著。当降低下面 层结构厚度时 ， 浇注式沥青混凝土的粗集料和预拌 沥青碎石起到支撑上面层结构 的作用 ， 但是一味的 降低下面层的厚度会影响复合 浇注的低温抗裂性。 因此综合考虑 ， 建议复合浇注的下层厚度为4 0 m m， 铺装类型取类型 。 2 4 改 性剂及 结 构组成 研 究 根据 相关研 究 ， 掺 加 改 性 剂 可 以有 效 的改 善 沥青混凝土的高温性 能， 尤其是像浇注式沥青混凝 土 ， 主要是依靠沥青结合料与矿粉组成的马蹄脂抵 抗 变形的材料更加有效。本文选用改性剂 A， 改性 剂 A属于一种新型聚烯烃类石油沥青改性剂 ， 易于 添加到沥青当中， 稍加搅拌 即获得稳定的改性沥青。 为了研究 改性剂 A的改性效果 ， 采用基质沥青掺加 改性剂 A， 同时添加 3 0 的 T L A进行复合改性。 为了研究改性剂及结构组成对复合浇注的高温 性能的影响， 本研究采用 四种结构形式 ， 结构形式如 表 6所示 ， 改性剂 A的掺量为 2 ， 预拌沥青碎石撒 布量 采用 1 0 k g m ， 试 验结 果见 图 4 。 表 6复 合 结构 形 式 Ta bl e 6 Co mpo s i t e s t ruc t ur e 类型 复合结构形式 i 4 0 m i n下层 浇注式沥 青混合 料 +3 5 IB m 上层改性 沥青 混合 料 i i 4 0 mm下层浇注式沥青混合料 +3 5 i n m上层 S MA i i i 2 改性剂 +4 0 mil l 下层浇 注式沥青混合料 +3 5 m iB上 层改性沥 青混合料 i V 2 改性 剂 + 4 0 IBm下 层浇注式沥青混合料 +3 5 B IB上 层 S MA 分析试验结果 ：“ 下层浇注式沥青混合料 +上 层改性沥青混合料 ” 结构 组成 的动稳定度大于 “ 下 层浇注式沥青混合料 +上层 S MA ” 结构组成 。掺改 性剂结构组成的动稳定度相当于未掺改性剂结构组 ( 下转 第 8 2页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 公路工程 3 9卷 果 ： 先填后 码填 石路 堤本 身 已经较 为稳 定 ， 加 上码 砌 层主要作用是防冲刷及美观。项 目组提出填石路堤 边坡采用 5 0 c m厚的薄层码砌 即可。 针对 目前实际施工 中多处填石路堤边坡码砌厚 度均未按设计实际施工 的情况施工 ， 项 目组对 已通 车的寨任路、 水南路 、 六宜路等码砌边坡进行 了实地 考察 。经过调研情况来看 ， 码砌实际施工厚度大部 分在 3 55 0 c m左右 ， 但是已通车使用多年， 路堤依 然稳固。由此便从实体工程应用方面进一步验证 了 5 0 c m的薄层码砌完全能满足路堤稳定性要求。 4 结论 本文针对填石路堤 中大功率压实机械 的出现 ， 调研 了国内外 多处 填石路堤及堆石坝填料参 数情 况， 得出填石路堤压实后按设计中最陡坡率计算 ， 路 堤本身是稳定的。通过力学计算及有限元模拟分析 得出码砌边坡对路堤本身 的稳定性 基本无影响 ， 一 般来讲仅仅是起到防止冲刷的作用。综合 已通车的 寨任路、 水南路、 六宜路等实际薄层码砌 的路段使用 情况来 ， 提出对填石路堤采用 5 0 c m层厚的薄层码 砌 。 参考文献 1 梁志勇 山 区高速公 路高填斜 陡路堤稳定性 研究 J 公 路工 程 ， 2 0 1 2 ( 3 ) 2 蔡宁 路基边坡稳定性的影响因素 J 公路工程， 2 0 1 1 ( 6 ) 3 J T G D 3 02 0 0 4 ， 公路路基设计规范 S 4 秦文权 灰色 系统 理论在填石 路堤沉 降预测 中的应用 J 公 路工程 ， 2 0 0 7( 4 ) 5 黎莉 山区高速公路高填石路堤稳定性 J 公路 ， 2 0 0 3 ( 1 ) 6 日本土质工学 会 粗粒料 的现 场压实 M 北 京 ： 中国水利 水 电出版社 ， 1 9 9 9 7 郑 治 填石料 的长 期变形性能 模拟试验 研究 J 中国公路 学 报， 2 0 0 1 ( 2 ) 8 J T G F 1 0 2 0 0 6 ， 公路路基施工技术规范 S 9 宋焕 宇 粗粒 土斜 坡高路 堤变 形性 状与稳 定性 研究 D 武 汉 ： 华中科技大学 。 2 0 0 7 1 O 曾革 填 石路 基稳 定性 设计 方 法研 究 J 公 路 交通 科 技 ， 2 0 0 4( 5 ) ( 上接第 7 7页) 90 0 0 l 8 0 0 0 00 。 一 60 0 0 越5 0 0 0 摆 4 0 0 0 3 结 语 本 文系 统介 绍 了浇注式 沥 青混凝 土 的原材 料组 成 ， 并对复合浇注式沥青混凝 土高温性能进行 了研 究 ， 分析改善其高温性能的几种措施 ： 适 当的延长浇注式沥青混合料的搅拌时间。 为了在提高高温性能的同时 ， 不影响其施工和易性 ， 最佳搅拌时间取 3 h 。 适 当提高预拌沥青碎石撒布量， 建议撒布量 取 1 0 k g m 。 适 当降低下面层结构厚度， 建议下面层厚度 取 4 0 mm。 “ 下层浇注式沥青混合料 + 上层改性沥青混 合料” 结构组成的高温性能好于 “ 下层浇注式 沥青 混合料 +上层 S MA” 结构组成 ， 并且适量 的改性剂 使复合浇注式沥青混凝土高温性能提高一倍。 参考文献】 1 张赛 ， 卢国彪 ， 马春艳 ， 等 浇注式沥青混凝 土桥面铺装 的应用 研究 J 吉林交通科技 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 3 03 1 2 樊叶华 ， 王敬 民， 谭志龙 江 阴大桥钢 桥面浇 注式 沥青混 凝土 铺装车辙破坏 J 公路交通 科技， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 5 ) ：1 0 8 3 何锋 沥青混凝土混凝土桥 面铺 装早期破 坏研究 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 6 ： 7 5 8 0 4 张华 浇注式沥青混凝 土( G A) 疲劳性能研 究 D 重 庆 ： 重庆 大学 ， 2 0 1 0： 1 2 5 J T G E 4 2 2 0 0 5 ， 公路工程集料试验规程 s 6 潘友 强 国产硬 质沥 青在 浇 注式 沥青 混凝 土 中 的应 用 研究 D 南京 ： 东南 大学 ， 2 0 0 6：1 45 1 7 郭咏梅 ， 倪富健 改性沥青高温性能评价方法 研究进展 J 公 路工程 ， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 6 ) ： 8 18 4 8 任江 不同沥青混合料高温性能对 比试验研究 J 公路工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 2 ) ： 1 9 61 9 9 9 杨军 ， 潘友强 ， 邓学钧 桥面铺装 浇注式沥 青混凝 土性能 J 交通运输工程学报 ， 2 0 0 7 ， 7 ( 1 )： 4 95 3 1 O Y a n g J u n， Gh a r a b a g h y C y r u s ，S t e i n a u e r B e r n h a r d S t u d y o n Hi g h T e m p e r a t u r e B e h a v i o u r o f G u s s a s p h a h J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ( E n g l i s h E d i t i o n ) ， 2 0 0 2 ， 1 8( 4) ： 2 9 7 301 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m