随着我国交通飞速发展,公路运营已经突破500万公里,其中养护里程接近99%。本文对比高黏高弹改性沥青和高黏改性沥青制备的超薄罩面技术,结果表明:两种改性沥青制备的超薄罩面混合料性能均满足超薄罩面技术指标要求,且添加剂A的加入能够提升超薄罩面的高温性能,但会影响低温性能。通过G3京台高速超薄罩面工程可以看出,高黏高弹超薄罩面具有优异的抗滑性能和降噪音功能,可广泛用于沥青路面抗滑性能提升工程。 With the rapid advancement of transportation industry, highway mileage has exceeded 5 million kilometers. The proportion of maintenance mileage is close to 99%. In this paper, two kinds of ultra-thin overlay pavement prepared by high viscosity and elasticity modified asphalt and high viscosity modified asphalt were compared. Results show that properties of the ultra-thin overlay pavement prepared by those two modified as-phalts can meet the technical requirements of ultra-thin overlay. High temperature performances of ultra-thin overlay paving can be improved with the addition of additive A, while low temperature performances are weakened. It can be seen from the application in G3 Jingtai Expressway that ultra-thin overlay pavement with high viscosity and elasticity modified asphalt exhibits excellent an-ti-skid resistance and noise reduction, which can be widely used in asphalt pavement while an-ti-skid performance is needed.
随着我国交通飞速发展,公路运营已经突破500万公里,其中养护里程接近99%。本文对比高黏高弹改性沥青和高黏改性沥青制备的超薄罩面技术,结果表明:两种改性沥青制备的超薄罩面混合料性能均满足超薄罩面技术指标要求,且添加剂A的加入能够提升超薄罩面的高温性能,但会影响低温性能。通过G3京台高速超薄罩面工程可以看出,高黏高弹超薄罩面具有优异的抗滑性能和降噪音功能,可广泛用于沥青路面抗滑性能提升工程。
热拌,沥青混合料,超薄铺装,高黏高弹,改性沥青
Xiaosong Yang1, Chen Chen2
1Maintenance Department of Anhui Expressway Co., LTD. Hefei Anhui
2Anhui Transportation Holding Engineering Group Co., LTD., Hefei Anhui
Received: Dec. 14th, 2022; accepted: Jan. 12th, 2023; published: Jan. 19th, 2023
With the rapid advancement of transportation industry, highway mileage has exceeded 5 million kilometers. The proportion of maintenance mileage is close to 99%. In this paper, two kinds of ultra-thin overlay pavement prepared by high viscosity and elasticity modified asphalt and high viscosity modified asphalt were compared. Results show that properties of the ultra-thin overlay pavement prepared by those two modified asphalts can meet the technical requirements of ultra-thin overlay. High temperature performances of ultra-thin overlay paving can be improved with the addition of additive A, while low temperature performances are weakened. It can be seen from the application in G3 Jingtai Expressway that ultra-thin overlay pavement with high viscosity and elasticity modified asphalt exhibits excellent anti-skid resistance and noise reduction, which can be widely used in asphalt pavement while anti-skid performance is needed.
Keywords:Hot-Mix, Asphalt Mixture, Ultra-Thin Overlay Pavement, High Viscosity and Elasticity, Modified Asphalt
Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
截止2020年年底全国公路通车总里程超过530万公里,其中高速公路总里程达15.57万公里 [
超薄罩面层是一种特殊的沥青路面耐磨表层,该技术具有长期的防滑性和密封性优势 [
高黏高弹改性沥青、玄武岩石料、矿粉等均由安徽交控工程集团有限公司提供;实验设备包括马歇尔稳定度仪、车辙仪、UTM等。
将特定级配石料放于180℃拌锅内搅拌180 s,加入高黏高弹改性沥青和矿粉在180℃内拌合180 s,取出已经拌合好的混合料放于185℃烘箱内保温30 min后成型试件。
1) 高黏高弹改性沥青和添加剂A制备复合高黏改性沥青技术指标
UPAVE-10沥青混合料用高黏高弹改性沥青添加剂A复合高黏改性沥青技术指标见表1所示。
检测项目 | 单位 | 高黏改性沥青 | 技术要求 | |
---|---|---|---|---|
针入度 | 0.1 mm | 44 | ≥40 | |
软化点 | ℃ | 101.3 | ≥80 | |
5℃延度 | cm | 35.6 | ≥30 | |
弹性恢复 | % | 82.1 | ≥75 | |
黏韧性 | 黏韧性 | N∙m | 23.74 | ≥20 |
韧性 | N∙m | 16.29 | ≥15 | |
60℃动力黏度 | Pa∙s | >400,000 | ≥20,000 | |
135℃运动黏度 | Pa∙s | 2.88 | ≤3.0 | |
RTFOT | 软化点差(后~前) | ℃ | −2.5 | −10~10 |
弹性恢复 | % | 81.2 | ≥65 | |
5℃延度 | cm | 22.3 | ≥20 |
表1. 添加剂A制备复合高黏改性沥青技术指标
2) 粗集料
UPAVE-10沥青混合料用粗集料宜采用洁净、干燥、无风化、无杂质的玄武岩石料,技术指标见下表2。
试验项目 | 单位 | 技术要求 | 试验方法 | |
---|---|---|---|---|
粗集料压碎值 | % | ≤12 | T0316 | |
洛杉矶磨耗损失 | % | ≤22 | T0317 | |
表观相对密度 | / | ≥2.65 | T0304 | |
吸水率 | % | ≤2 | T0307 | |
对沥青的粘附性 | 级 | 5 | T0616 | |
坚固性 | % | ≤5 | T0314 | |
针片状颗粒含量 | >9.5 mm | % | ≤5 | T0312 |
<9.5 mm | % | ≤12 | ||
细集料砂当量 | % | ≥60 | T0334 | |
软石含量 | % | ≤3 | T0320 | |
集料磨光值 | BPN | ≥42 | T0321 |
表2. UPAVE-10用粗集料质量技术要求
3) 细集料
UPAVE-10沥青混合料中细集料宜使用坚硬的机制砂,也可从洁净石屑中筛取粒径范围0.5~3 mm部分作为机制砂使用,技术指标见下表3所示。
试验项目 | 单位 | 技术要求 | 试验方法 |
---|---|---|---|
表观相对密度 | / | ≥2.50 | T0328 |
坚固性(>0.3 mm部分) | % | ≤12 | T0340 |
砂当量 | % | ≥60 | T0334 |
棱角性(流动时间) | s | ≥30 | T0345 |
吸水率 | % | ≤2.0 | T0330 |
亚甲蓝值 | g/kg | ≤25 | T0349 |
表3. 细集料的技术要求
4) 填料
沥青铺装层宜采用石灰岩碱性石料经磨细得到的矿粉,矿粉必须干燥、清洁,矿粉质量技术要求见下表4。
试验项目 | 单位 | 技术要求 | 试验方法 | |
---|---|---|---|---|
视密度 | t/m3 | ≥2.50 | T0352 | |
含水量 | % | ≤1 | T0103 | |
粒度范围 | <0.6 mm <0.15 mm <0.075 mm | % | 100 90~100 75~100 | T0351 |
外观 | / | 无团粒结块 | / | |
亲水系数 | / | <1 | T0353 | |
塑性指数 | / | <4 | T0354 | |
表4. 矿粉质量技术要求
注:亲水系数宜小于0.8。
5) 级配要求
UPAVE-10沥青混合料级配要求见表5。
粒径(mm) | 通过下列筛孔(mm)的百分率(%) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
级配上限 | 100 | 100 | 100 | 55.0 | 35.0 | 25.0 | 18.0 | 13.0 | 11.0 | 7.0 |
级配下限 | 100 | 100 | 90 | 40.0 | 22.0 | 15.0 | 10.0 | 8.0 | 5.0 | 4.0 |
级配中值 | 100 | 100 | 95 | 47.5 | 28.5 | 20.0 | 14.0 | 10.5 | 8.0 | 5.5 |
混合料级配 | 100 | 100 | 100 | 44.6 | 28.4 | 19.8 | 14.0 | 9.4 | 7.8 | 6.4 |
表5. UPAVE-10沥青混合料级配要求
通过优选高黏高弹改性沥青和添加剂A复合高黏改性沥青与特定级配集料,制备出高性能超薄沥青混合料。通过对比沥青混合料性能,优选出适用于不同场景的超薄铺装技术。
由图1可以看出:高黏高弹改性沥青在270℃左右出现质量损失,热重曲线的残留质量比约17%,而在270℃~460℃温度范围内,沥青热重损失速率逐渐加大,这是由于高温条件下沥青中轻质组分挥发以及芳烃油开始分解而导致的。初始反应温度为409℃,热重损失速率达到最高值时的温度为459.0℃和459.5℃,沥青高温分解过程最为剧烈。在此温度之后,沥青主要组成部分的分解或者挥发完成,热重损失速率迅速变小,此温度之上热重曲线保持稳定。高黏改性沥青在室温至250℃之间的沥青质量基本没有损失,在低温区域沥青能保持性能稳定。但是沥青热分解的初始温度比高黏高弹改性沥青稍高,达到了413℃,表明添加剂A制备的高黏改性沥青的初始分解温度因为添加剂A的掺入而升高,改性沥青热稳定性更好,高温性能得到了提升。
1) 马歇尔稳定度
采用马歇尔稳定度作为评价沥青混合料抵抗高温变形能力的指标,试验操作严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中T0702的规定进行,实验结果见图2所示。沥青混合料的马歇尔稳定性可以用于研究分析粘结剂和骨料之间的内聚力和摩擦,由图2可以看出添加剂A制备的高黏改性沥青马歇尔稳定度数值稍高于高黏高弹改性沥青,这也说明添加剂A的掺入能改善改性沥青的高温稳定性。
2) 水稳定性实验
沥青路面破坏的形式之一就是水损害,这是指沥青路面在经过冻融循环或浸水的影响后,行车荷载在循坏作用下,路面空隙中的水会产生动压力而冲刷或侵蚀沥青混合料,从而降低沥青的粘附性能,使得沥青膜与矿料分离脱落,沥青路面会出现松散和坑槽等病害。混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比是衡量沥青混合料抗水损害性能的关键性指标。实验结果如图3所示,高黏高弹改性沥青的残留稳定度和冻融劈裂强度比均优于高黏改性沥青,这多是因为添加剂A与沥青组分的反应,增大沥青组分中芳香分分子量,影响芳香分与沥青之间形成的共价键,进而影响沥青黏附性能。
图1. 两种改性沥青的热重性能对比
图2. 两种改性沥青的马歇尔稳定度对比
图3. 两种改性沥青的抗水损害性能对比
3) 高温性能实验
混合料的动稳定度是衡量沥青混合料高温变形的关键技术指标之一,被广泛用于沥青混合料高温稳定性的评价,试验操作严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中T0719-1993的方法和要求进行。试验试件(尺寸为300 mm * 300 mm * 50 mm)由轮碾压成型,采用标准马歇尔试件的毛体积相对密度作为控制密度的标准。试件恒温保温5小时以上,试验温度为60℃,轮压为0.7 MPa,碾压速度为21次往返,试验结果如图4所示,高黏改性沥青60℃的动稳定度大于85,000次/mm,而高黏高弹改性沥青的动稳定度却不足6500次/mm,这说明高黏改性沥青的高温性能显著优于高黏高弹改性沥青混合料,添加剂A可以提升沥青混合料的高温性能。
图4. 两种改性沥青的动稳定度对比
4) 低温性能
因温差或温度骤降的原因,沥青路面容易产生温度应力和收缩变形,当超过沥青混合料的抗拉强度或收缩变形时,沥青路面会产生低温开裂,这要求沥青混合料具备较好的抗拉强度,或低温下需具备良好的抗变形能力及应力松弛能力。低温弯曲破坏应变是用来评价沥青混合料低温性能的关键性能指标,实验结果如图5所示。高黏高弹改性沥青混合料−10℃的低温弯曲应变比高黏改性沥青混合料的低温弯曲应变高,使得前者的低温性能要优于后者,这说明添加剂A的添加会降低高黏改性沥青的低温性能。
图5. 两种改性沥青的低温性能对比
综合比较高黏高弹改性沥青混合料和高粘改性沥青混合料的性能,结果如表6所示。由表6可以看出高黏高弹改性沥青混合料和高黏改性沥青混合料综合性能均能满足技术指标要求,其中高黏高弹改性沥青混合料的低温性能优于高黏改性沥青混合料,而高黏改性沥青混合料高温性能要优于高黏高弹改性沥青混合料。这是由于添加剂A具有的温拌作用,能够提升混合料高温性能,但是会降低改性沥青混合料低温性能。
检测项目 | 单位 | 高黏高弹改性沥青 | 高黏改性沥青 | 技术要求 |
---|---|---|---|---|
空隙率(体积法) | % | 13.9 | 11.3 | 8.0~15.0 |
马歇尔稳定度 | kN | 12.4 | 13.7 | >6 |
析漏 | % | 0.08 | 0.03 | <0.3 |
肯塔堡飞散损失 | % | 1.63 | 3.14 | <8 |
残留稳定度 | % | 97.7 | 90.6 | >85 |
冻融劈裂比TSR | % | 93.3 | 85.3 | >80 |
60℃动稳定度 | 次/mm | 6364 | 8712 | >3200 |
−10℃低温弯曲破坏应变 | με | 3478.3 | 2765.8 | >2500 |
表6. 两种改性沥青混合料的综合性能
G3京台高速公路铜庐段与铜汤段是安徽省公路网规划中十字形主骨架南北贯通线的重要组成部分,其地处平原微丘区,为双向四车道沥青混凝土路面。2002年3月1日开工建设,2005年1月9日建成通车,通车运营至今已17年多时间。路面整体结构性保持良好,无明显坑塘、车辙、剥落等病害现象,新建至今仅在行车道应用微表处养护技术。路面病害形式以水稳基层反射裂缝为主,裂缝间距约10~20米,局部区域存在纵缝。由于高黏高弹改性沥青低温性能由于高黏改性沥青,而综合安徽G3京台高速铜庐段与铜汤段天气、交通量、路况特点选择了高黏高弹改性沥青超薄铺装技术,具体施工效果如下图6。
图6. 高黏高弹改性沥青超薄罩面施工效果图
施工后对高黏高弹改性沥青超薄罩面施工的路面进行了现场渗水、钻芯取样以及构造深度等检测,具体结果见表7。
检测项目 | 单位 | 检测结果 | 技术要求 |
---|---|---|---|
渗水系数 | ml/min | 1276 | ≥200 |
压实厚度 | cm | 1.8 | 1.8 |
构造深度 | mm | 0.92 | ≥0.45 |
摩擦摆置 | BPN | 93 | ≥45 |
噪音降低率 | dB | 3~4 | / |
表7. 现场检测结果
由表7可以看出:现场检测结果满足设计文件中的技术指标要求,高黏高弹改性沥青超薄罩面具有优异的抗滑性能和降低噪音的功能。
通过对高黏高弹改性沥青超薄混合料与添加改性剂A的高黏改性沥青超薄混合料性能对比,可以得到如下结论:
1) 通过热重性能分析可以看出,添加改性剂A制备的高黏改性沥青相较于高黏高弹改性沥青初始分解温度提升了5℃,由此可知高黏改性沥青相较于高黏高弹改性沥青具有较好的高温性能。
2) 通过混合料性能对比可以看出:高黏高弹改性沥青超薄罩面的低温性能明显优于添加剂A高黏改性沥青制备的超薄罩面,但是高黏高弹改性沥青超薄罩面的高温性能低于添加剂A高黏改性沥青制备的超薄罩面,无论是采用高黏高弹改性沥青还是高黏改性沥青制备的超薄罩面,两种技术均能满足技术指标要求。
3) 通过G3京台高速铜庐段与铜汤段现场路况、天气等优选高黏高弹改性沥青超薄罩面,现场应用效果良好,通过现场检测发现高黏高弹改性沥青超薄罩面具有较好的抗滑性能和降低噪音功能。
杨晓松,陈 晨. 高性能热拌超薄罩面制备技术及其在G3京台高速上的应用 Preparation of High Performance Hot-Mix Ultra-Thin Overlay Pavement and Its Application in G3 Jingtai Expressway[J]. 材料科学, 2023, 13(01): 1-11. https://doi.org/10.12677/MS.2023.131001