改性沥青路面技术资料.docx
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改性沥青路面技术资料
改性沥青路面施工与控制技术
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改性沥青路面施工与控制技术
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改性沥青路面施工与控制技术
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摘要
改性沥青在高等级公路、城市干路和机场跑道等的应用,显著的提高了路面的使用性能,延长了路面的使用寿命,大大降低了养护费用,收到良好的社会和经济效益。
它具有良好的高温稳定性、低温抗裂性;较好的抗车辙能力,以减轻高温时的塑性变形;改善了沥青的水稳定性;提高路面的抗滑能力;增强路面的承载能力;增强了沥青的耐久性,抗疲劳,抗老化;提高沥青与矿料的粘附性,以防止水分在其界面处侵入导致沥青剥落等。
因此,它在国内以及国外的高等级公路得到广泛应用,已成为不可逆转的趋势。
本文重点介绍改性沥青的种类及选择,改性沥青混合料配合比设计、施工工艺及质量控制技术。
关键词:
改性沥青;配合比设计;施工工艺;质量控制技术
Abstract
Themodifiedasphalthasbeenusedinthefirst-classhighway,thecitymainrouteandtherunwayandsoontheapplication,theremarkableenhancementoperationalperformanceofpavement,lengthenestheroadpavementservicelife,reducedthemaintenancecostgreatly,receivesthegoodsocialandtheeconomicefficiency.Ithasthegoodhightemperaturestability,thecrackresistanceinlowtemperature;Goodanti-wheelrutability,reduceshightemperatureplasticdeformation;Improvestheasphaltwaterstability;Enhancesthepavementanti-skidcapability;Enhancespavementbearingcapacity;Strengthenedtheasphaltdurability,anti-weary,anti-aging;Enhancestheasphaltandthemineralaggregatecoherence,preventesthemoisturecontentcausesasphaltflakinginitscontactsurfaceplaceinvasionandsoon.Therefore,itobtainsthewidespreadapplicationindomesticaswellastheoverseasfirst-classhighway,hasbecometheirreversibletendency.Thisarticlekeyintroducesmainlyasphalttypeandchoice,modifiedbituminousmixtureratiodesign,constructioncraftandqualitycontroltechnology.
KeyWord:
ModifiedasphaltMixtureratiodesignConstructioncraftQualitycontroltechnolog
引言
由于技术力量、试验条件和科研经费等的原因,我国的改性沥青和改性沥青混合料技术与国外相比,存在着一定的差距,我们对改性沥青混合料技术的认识主要来源于发达国家已有的成果,缺少完善的对改性沥青和改性沥青混合料进行技术性能评价的合适标准方法。
全国各地都在进行改性沥青和改性沥青混合料技术的研究,但都没有形成与工业化生产相称的规模,重复性研究层出不穷,浪费大量人力物力财力。
虽然,我国已于1998年12月颁布了《公路改性沥青路面施工技术规范》(JU036-98)),但是仍摆脱不了上述缺陷,其中的某些指标内容的适用性有待于实践检验,需进一步修改与完善,其中,主要的技术指标包括针人度、针人度指数、粘度、延度、弹性恢复率、离析、软化点、RTFOT指标等。
第一章绪论
1.1问题的提出及研究意义
在世界各国的已建或在建的高等级公路中,大多采用沥青路面,其原因是由于沥青路面具有下列许多固有的优越性能:
(1)足够的力学强度,因而沥青路面能很好的承受车辆通过路面所产生的各种作用力;
(2)有一定的弹性和塑性变形能力,因而能够承受所发生的应变而不致破坏;(3)与汽车轮胎的附着力较好,可保证交通安全;(4)有高度的减振性,可使汽车快速行驶,平稳而低噪声;(5)不扬尘,且容易清扫和冲洗;(6)维修工作比较简单,且旧沥青路面可再生利用。
但是随着交通量的增长,沥青路面出现了不同程度的破坏现象,降低了沥青路面的使用寿命。
特别是中国西部黄土地区一般自然环境比较恶劣,其气候特征表现为:
全年气温较低,年极端最低气温-20℃--30℃左右,并且昼夜温差大,再加上西部地区具有较强的紫外线,年降雨量在270mm-600mm之间,降雨期极为集中。
这样就造成了西部地区的沥青路面低温开裂以及沥青老化而形成大量网裂或龟裂,裂缝的大量存在使雨、雪水下渗引起路基及路面的早期损害。
要解决西部湿陷性黄土地区的沥青路面的裂缝病害以及抗滑与渗水、老化的矛盾、低温抗裂与高温稳定性的矛盾,若按照目前普通的沥青及沥青混合料进行沥青面层设计,要满足其路用性能是很难实现的。
沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是近年来在国际上出现的一种非常引人注目的新型沥青混合料,以其优良的抗车辙性能和抗滑性能以及低温抗裂性能而闻名于世。
SMA(沥青玛蹄脂)混合料的出现,为很好的解决中国西部湿陷性黄土地区沥青路面的低温抗裂性、高温稳定性及抗滑与渗水性能之间的矛盾提供了一个非常有效的途径。
聚合物改性沥青是一种技术含量和附加值较高的的新型优质筑路材料。
它通过把聚合物掺入道路沥青中而改变使用性能、降低噪音、提高行车舒适性和安全性。
改性沥青是在原有的基质沥青的基础上,掺加改性剂,改性后的沥青与原有的沥青相比之下,软化点升高。
在良好的配合比设计和施工条件下,沥青路面的耐久性和高温稳定性明显提高。
本文重点介绍改性沥青的种类及选择
改性沥青混合料配合比设计、施工工艺及质量控制技术。
1.2国内对改性沥青及改性沥青混合料的主要研究任务
我国对改性沥青及改性沥青混合料技术的认识和系统研究有待深化,尤其是改性沥青的加工工艺、改性沥青混合科的生产工艺和施工技术这三方面。
目前,国内改性沥青及改性沥青混合料的主要研究任务有:
[1]进一步研究采用胶体磨原理高速剪切磨机制造聚合物改性沥青的加工工艺,并提高改性效果。
[2]进一步研究适用于我国评价聚合物改性沥青效果的技术标准,研究施工
质量检测技术,以及相应的试验方法等。
建立与生产应用相适应的评价方法和标准,尤其是产品质量控制检测方法,不断改进和完善相应的施工技术规范;研究改性沥青混合料的配合比设计方法。
[3]进一步研究聚合物改性沥青混合料的生产工艺及施工工艺、施工技术和
适用范围。
[4]对改性沥青性能与改性沥青混合料的性能的相关性进行深入系统的研
究,提高对改性沥青混合料技术性能的认识,进一步保证并提高改性沥青混合料的各项路用性能,并指导生产实践。
[5]研究纤维格栅改性沥青混合科的机械化施工工艺,以提高改性沥青混凝
土路面的路用性能。
[6]研究适宜于改性沥青或改性沥青混合料的新型沥青混凝土路面结构形
式,如SMA,OGFC,SAC等技术。
上述几点相互联系、相互影响、忽视任何一方面都不能达到理想的效果。
由于国产沥青含蜡量大、温度敏感性强,沥青混合料铺筑的路面高温易流塑,产生车辙与拥包,低温易脆裂产生裂缝,问题十分严重,鱼待解决,故解决国产沥青高低温性能是重中之重。
第二章改性沥青的种类及选择
2.1聚合物改性沥青的分类
从40年代欧洲开始使用改性沥青以来,己有60多年历史。
从广义划分,根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术可汇总于图2-1。
改性沥青及混合料技术表2-1
掺加改性剂
改善力学性能
高温稳定性
聚合物
橡胶类:
SBR、CR、EPDM
耐疲劳性
热塑性橡胶类:
SBS
低温抗裂性
树脂类:
PE、EVA
改善粘附类
抗剥落剂:
金属皂有机胺消石灰等
改善老化类
抗老化剂:
受阻胺受阻酚等
物理改性
矿物填料:
碳黑硫磺石棉木质素纤维
玻璃纤维格栅塑料格栅土工布
废橡胶粉
沥青工艺
氧化沥青泡沫沥青掺加特立尼达多巴哥沥青
从狭义来分,改性沥青一般是指聚合物改性沥青。
用于改性的聚合物种类很多,一般将其分为3类:
[1]橡胶类:
如天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、丁二烯橡胶(BR)、乙丙橡胶(EPDM)等。
其中SBR是世界上应用最广泛的改性剂之一。
[2]塑性橡胶类:
即热塑性弹性体,如苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物(SBS),苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯(S工S)等嵌段共聚物。
[3]树脂类:
热塑性树脂,如聚乙烯(PE)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、无规聚丙烯(APP)、聚氯乙烯(PVC)、聚酞胺等;热固性树脂,如环氧树脂(EP)等。
2.2改性剂的选择
2.2.1改性剂选择的原则
2.2.1.1根据不同的气择候条件选择,不同地区的气候条件有很大的不同,我国“八五”国家科技攻关专题(道路沥青及沥青混合料路用性能的研究)已经按照气温、雨量等指标。
提出了我国沥青路面使用性能的气候分区,而且对不同的气候区提出了非改性沥青的技术要求。
对改性沥青也是一样的,不同的改性剂在改性效果上有很大的差别。
不同等级的技术要求实际卜是根据不同的气候分区进行选择的。
从不同改性剂的标准可以看出,不同的改性沥青类型在指标本身就有明显的区别。
对南方夏季炎热地区,高温稳定性要求较高,SBS、PE,、EVA等等的改性效果较好;而对低温寒冷地区,抗裂性能的要求较高,SBS、SBR的改性效果较好。
2.2.1.2根据不同的荷载条件选择
不同的道路所承受的汽车荷载不一样,对旅游道路等主要供轻型车行驶的道路,产生车辙的可能性较小,主要考虑行车舒适和气候因素,对抗裂性能的要求是重点,可选择SBS、SBR等;对以载重汽车为对象的高速公路、一级公路,尤其是重车比例大、超载车多的某些干线公路,如运煤干线公路,主要的目的是抵抗车辙、拥包等永久性变形,则可考虑采用SBS、PE、EVA等改性剂。
2.2.1.3根据现有的加工能力选择
改性沥青的加工是非常重要的,根据改性剂的种类,可以用直接加入法,也可以采用预混法。
大部分改性剂,包括SBR胶乳都可以用预混法制作改性沥青,不过由于改性剂品种的不同,有些可以采用简单的搅拌方式加工改性沥青,如某些EVA,日本的APAO等;对许多改性剂,如SBS,PE,EVA等,必须采用高速剪切、胶体磨、混炼等特殊的加工方式,才能使改性剂达到分散均匀的目的。
使用者必须根据实际情况选择适宜的加工方式和改性剂。
由于现在用于加工改性沥青的设备比较配套,而且技术比较成熟,所以选用SBS,PE等都比较好。
2.3几种改性沥青性能的比较
为比较几种改性沥青的性能。
除测定常规指标外,还进行了当量软化点、当量脆点、回弹率、测力延度等试验,SBS与PE、EVA改性沥青的技术性能如表2-2。
这些试验结果,实际上反映了改性沥青的高温稳定性、低温柔软性、弹性、耐老化性等。
由于采用的是同一种基质沥青,同样的改性剂剂量,故这几种改性沥青之间有可比性。
改性沥青对比试验结果表2-2
品种
基质沥青
6%线形SBS
6%星型SBS
6%PE
6%EVA
SBS的结构
…
线形
星型
…
…
针入度25℃dmm
91.5
45.5
44.7
41.5
62
软化点T(℃)
48
72.5
80.5
62.5
57
软化点增加值
24.5
32.5
14.5
9.5
延度10℃(cm)
69.5
50.1
57.1
6.4
…
延度5℃(cm)
7.6
28.1
34
5.3
11
针入度指数PI
-0.27
1.41
2.21
1.52
0.54
当量软化点T800(℃)
47.7
62.8
68
64.7
55.7
当量脆点T1.2℃
-20
-27.8
-25.8
-23.2
-20.7
弹性恢复25℃(%)
7
87.7
93.3
38.4
62.7
TFOR试验后
质量变化
-0.84
-0.25
-0.36
-0.91
…
针入度比(%)
75.2
93.6
92.1
94.7
…
软化点
53.5
73
79
65.5
…
延度5℃(cm)
5.1
23.9
40.2
4.2
…
选择何种改性沥青,还必须根据工程所在地的地理位置、气候条件、道路等级、路面结构等多方面因素综合起来考虑。
将表2-2中几方面性能综合在一起进行比较,对于用作为高等级公路沥青路面的面层,无论炎热地区,温暖地区,还是寒冷地区,都宜优先选用SBS改性沥青。
星型SBS的综合改性效果略优于线型SBS,EVA次之,EVA改性沥青适用于炎热地区和一般温暖地区,但不宜用于寒冷地区,PE对沥青的高温性能有所改善,其它性能都没有明显改善,改性效果最差,除适用于炎热地区外,温暖和寒冷地区都不适用〔见表2-3)。
选择什么样的SBS,一方面要考虑改性效果,同时还要适应于不同的改性设备的加工能力。
室内试验认为是最好的品种,但工程上不一定能加工得出来。
不同气候条件下适用的改性沥青表2-3。
不同条件下适应的改性沥青表2-3
改性沥青
炎热地区
温暖地区
寒冷地区
SBS改性沥青
适用
适用
适用
EVA改性沥青
适用
适用
不适用
PE改性沥青
适用
不适用
不适用
用SBS改性的优越性突出表现在:
使软化点大幅度提高(软化点由48℃增加到72.5℃以上)的同时,又使低温延度明显增加((5℃延度由7.8增加到28.1),感温性得到很大改善,且弹性恢复率特别大,所有指标都比较好,这一点是很可贵的。
根据对改性沥青混合料性能指标(如动稳定度等)的试验,也得出了以上相同的结论。
对于这类比较,经过多次试验,完全证实了这一试验结果。
改性沥青性能的优劣最终反映在改性沥青混合料性能上,所以这几种改性沥青混合料性能的优劣也是不言而喻的,(SBS星型与线形)、PE、EVA改性沥青混合料效果比较表2-4。
由于SBS改性沥青混合料体现出其它改性剂无可比拟的优点,我国改性沥青混合料的发展方向应该以SBS改性沥青作为主要方向。
尤其是现在,SBS的价格比以前有了大幅度的降低,仅成本这一项,它也足可以与PE,EVA竞争,明确这一点,对于我国发展改性沥青混合料十分重要。
SBS(星型与线形)、PE、EVA改性沥青混合料效果比较表2-4
聚合物材料
高温稳定性
低温柔软性
温度敏感性
弹性
粘韧性
耐久性
SBS(星型)
优
优
优
优
优
优
SBS(线形)
优
中
中
中
优
优
PE
优
中
中
中
中
中
EVA
优
差
中
差
差
中
根据改性沥青选择的原则,经过技术经济分析和对几种改性沥青性能的比较,根据工程所在地的气候特点,选择适宜的改性沥青,这对改性沥青路的路用性能及使用寿命起着至关重要的作用。
第三章配合比设计
为了使设计的混合料能够达到实施效果,需要从材料要求、施工工艺、质量控制标准和质量控制方法等诸多方面提出以下几点要求.
3.1原材料要求
3.1.1粗集料
用于改性沥青混合料面层的粗集料,宜采用碎石或碎砾石,其粒径和质量要求应符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的规定
粗集料应洁净、干燥、无风化、无有害杂质,且具有一定的硬度和强度.
粗集料应具有良好的颗粒形状,破碎砾石用于高速公路、一级公路,应采用大砾石破碎,并至少应有两个以上的破碎面;酸性石料用于铺筑路面时,应按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)的方法检验其与改性沥青的粘附性,如果不符和要求则需采取必要的抗剥落措施(例如掺加沥青重量4%左右的沥青抗剥落剂,以改善沥青和石料,特别是酸性石料的粘附性)。
一般认为橡胶类和热塑性橡胶类改性沥青与酸性石料的粘附性都很好,但树脂类改性沥青对某些酸性石料的粘附性改善并不明显。
对于抗滑表层集料应选择硬质岩(中性或基性火成岩)。
由于硬质岩石与沥青的粘接力存在着较大差异,粗集料与沥青粘接力小于4级。
对于3-5mm石屑部分由于含量低,并且该部分对沥青混合料形成衔接结构有一定的作用,建议用硬质岩石屑。
3.1.2细集料
细集料包括人工砂、天然砂。
沥青路面面层宜采用人工砂作为细集料,细集料、无风化、无有害杂质,有适宜的颗粒组成,其规格和组成应符合《公路沥青路面施工技术规范》的规定,有利于与改性沥青有良好的粘附性,天然砂由于质量变化大(大部分为中粗砂),形状较圆滑,与沥青的粘附性差,对于高速公路、一级公路沥青混合料,天然砂的含量不宜超过20%,可用0-3mm石屑粉代替天然砂。
[1]天然砂与人工砂、石屑使用性能的差别
天然砂与人工砂、石屑用于沥青混合料时,使用性能有很大的差别。
由于天然砂经过亿万年的风化、搬运,一般比较坚硬,尤其是海砂,大部分是石英颗粒,往往有良好的耐久性。
但是天然砂与沥青粘附性较差,但其颗粒形状基本近于球形,故对于高温抗车辙性能极为不利。
相反,石屑由于是破碎石料的下脚料,基本上是石料中最为薄弱的部分首先变成石屑剥落下来,其扁平颗粒的含量特别大,其强度较差。
所以,对于石屑应有限制的使用。
但由于石屑经破碎获得,表面特别粗糙,对于马歇尔稳定度效果特别名显,所以缺乏机制砂(人工砂)时可考虑用质量好的石屑代替天然砂使用。
机制砂是细集料的首选材料。
其理由是因为机制砂采用坚硬岩石反复破碎制成,有良好的棱角性和嵌挤性能,对提高沥青混合料高温稳定性有好处。
有专家建议我国SMA路面细集料的质量技术要求,在原基础上再增加一项细集料棱角性要求,即棱角性不小于45%。
关于棱角性定义,美国全国碎石协会“细集料棱角性试验方法”(AASHTOTP33)规定为:
通过2.36mm筛孔集料的未压实空隙率。
3.1.3填充料
(JTGF40-2004)用于改性沥青混合料面层填料应洁净、干燥,其质量应符合《公路沥青路面施工技术规范》的规定外还特别强调:
改性沥青混合料的填料必须为石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等增水性石料经磨细得到矿粉,矿粉中不应含有泥土等杂质。
采用水泥、消石灰粉作填料时,其用量不宜超过矿料总量的2%。
采用沥青混合料拌和厂的回收粉尘作填料时,回收粉尘必须干净、无杂质,塑性指数应小于4且用量不得超过填料总量的50%。
使用要点:
少量使用消石灰粉、水泥对改善混合料水稳定性有明显的好处,还能减缓沥青的老化,提高混合料耐久性。
但是,由于在使用消石灰粉、水泥后会与水分、空气发生反应,变为极性氧化物,进而形成水泥石和碳酸钙,掺如过多,会使沥青混合料变脆,所以要限制使用,规范规定其用量不宜超过矿料总量的2%。
在沥青混合料生产过程中将排除大量的粉尘,充分利用这些粉尘不仅有利于保护环境,而且有利于降低生产成本,但回收粉尘的质量往往难以达到规定要求。
为此,JTGF40-2004采用回收粉尘作为填料作了严格规定,要求必须有充分的试验依据方可使用。
改性沥青混合料对矿粉要求见下表2-2。
改性沥青混合料矿粉质量要求(JTG F40-2004)
项目
单位
高速公路一级公路
其它等级路
试验方法
表观密度,不小于
t/m3
2.5
2.45
T0352
含水量,不大于
%
1
1
T0103烘干法
粒度范围<0.6mm
%
100
100
T0353
<1.15mm
%
90~100
90~100
<0.075mm
%
75~100
70~100
外观
无团结颗粒
亲水系数
<1
T0353
塑性指数
<4
T0354
加热安定性
实测记录
T0355
3.1.4改性沥青技术要求
针入度250C,100g,5s(0.1mm)最小60
针入度指数PI最小[1]-0.2
延度5oC5cm/min(cm)最小30
软化点TR§B(oC)最小55
含蜡量(蒸馏法)(%)最大3
运动粘度135oC(Pa.s)最大[2]3
闪点(oC)最小230
溶解度(%)最小99
离析,软化点差(oC)最大[3]2.5
弹性恢复25oC(%)最小65
旋转薄膜烘箱(RTFOT)后残留物[4]
质量损失(%)最大1.0
针入度比25oC(%)最小60
注:
[1]针入度指数PI由15oC、25oC、30oC等三个以上不同温度的针入度,按式1Gp=aT+K进行线形回归,再计算获得参数A后由下式求得,直线回归的相关系数R不得低于0.997。
PI=(20-500A)/(1+50A)
[2]表中135oC的运动粘度可采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中的“沥青粘度测定法(勃洛克菲尔德粘度计法)”
进行测定。
若不改变改性沥青物理力学性质并符合安全条件温度下易于泵送和拌和,或经试验证明适当提高泵送和拌和温度时能保证改性沥青的质量,容易施工,可不要求测定。
有条件时应测定改性沥青60oC时的运动粘度,用毛细管法测定。
[3]改性沥青在现场制作后立即使用或在贮存期间不断搅拌或泵送循环时,对离析试验指标可不作要求。
[4]老化试验应采用旋转薄膜烘箱试验(FTFOT)方法为准;允许采用薄膜烘箱加热试验(TFOT)代替,但必须在报告中注明,且不得作为仲裁结果。
3.1.5纤维稳定剂
用于SMA的纤维稳定剂包括木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维等,以改善沥青混合料性能,吸附沥青,减少析漏。
木质素纤维的质量,应符合表2-2的技术要求其他纤维品种的质量可参照国内外相关的技术要求执行,其长度不宜大于6mm。
纤维能承受250oC以上的环境温度不变质,且对环境不造成公害,不危害身体健康。
3.1.6改性沥青试验中应注意的问题
3.1.6.1试验样品的取样
在施工过程中所有的改性沥青每车都必须检验
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