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沥青混合料高温稳定性不足的原因及防治措施

发布者:admin 发布时间:2017-12-19

沥青混合料高温稳定性不足的原因及防治措施

施进文

摘要:分析影响沥青混合料高温稳定性的因素,针对沥青路面面层的沥青混合料,通过试验数据、国内外研究现状,从级配、矿粉性质、粉油比、沥青类型、沥青用量、压实度、荷载情况、气候条件、施工等方面分析,改善沥青混合料高温稳定性的机理,为沥青路面设计、施工提供参考。

关键词:沥青混合料;高温稳定性;影响因素;改善措施

The Factors Affect the High—temperature Stability of the Asphalt Mixture and the Improvement Measures

Abstract This paper analyses the factors affect the high temperature stability of the asp halt mixture for the asp halt pavement,Through the test data, research data at home and abroad ,from grading ,slagnat ure, the oil , the type of asp halt , asp halt content,compactness , load, weat her conditions , const ruction and ot her aspect s of high temperat ure asp halt mixture to improvet he stability of the mechanism for the asp halt pavement , It gives use reference in design and const ruction。

Key words asphalt mixture; high temperature stability;affect factor;improvement

Measures

沥青混合料是由沥青、粗骨料、细骨料和矿粉以及外加剂所组成。沥青混合料的高温稳定性是指混合料在高温情况下,承受外力不断作用,抵抗永久变形的能力及易产生车辙、推移和拥包等永久变形的温度范围。影响沥青混合料高温性能的因素是很多的,主要分为内在因素和外部条件。内在因素主要是指沥青的性质和稠度,矿料的级配组成,矿料颗粒的形状等。而外部条件与材料的内在因素结合在一起时就会对沥青路面产生综合影响,如外界温度和交通荷载等。

1. 影响沥青混合料高温稳定性的主要因素

    影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有:沥青路面结构和沥青混凝土本身的内在因素(简称内因) ,以及候、交通量和交通组成等外界因素(简称外因) 。   

1.1内因

    材料沥青混合料由沥青、集料和矿粉混合组成,显然,这些材料的物理力学特性将程度 不同地影响到沥青混合料的各种路用性能。一般来说选择优质的材料,采用合适的沥青用量,进行适当的级配设计,能显著地提高沥青混合料的抗车辙能力。

    (1) 沥青对沥青混合料的抗车辙能力有极为明显的影响,一是沥青标号直接影响高温稳定性,沥青的高温粘度越大、劲度越高、与石料的粘附性越好,抗高温变形能力越强;二是沥青用量,过多的沥青用量将在沥青混合料中形成游离的自由沥青,在高温条件下,这部分沥青将在荷载作用下发生明显的流动变形,从而导致混合料的永久塑性变形。我国《公路沥青路面施工技术规范》规定,在夏季高温炎热的地区,在配合比设计得出的最佳用量OAC 基础上,减少013 %之后的沥青用量作为设计沥青用量往往是适宜的。

    (2) 集料所具有的特性对沥青混合料高温稳定性的影响尤其显著。通常情况下,破碎、坚硬、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的集料,相应的沥青混合料的高温稳定性就比较好。在集料组成中,破碎的细集料比破碎的粗集料对高温稳定性更有利。

1.2 气候

气候条件主要包括气温、日照、热流、辐射、风、雨等,除了湿度以外,其他问题都可以反映在温度上,黑褐色的沥青混合料具有较强的吸热能力,使整个路面构成了一个巨大的温度场,由于热量的大量积聚,很难从沥青路面中散出,在外部荷载作用下容易产生流动变形,从而形成车辙。相反,路面在潮湿状态下,沥青混合料的水敏感性增大,使得高温稳定性降低。

1.3 荷载

交通条件对沥青路面高温性能的影响可以归结为荷载、轮胎气压、行车速度、车流渠化等。荷载对路面高温稳定性的影响是不言而喻的,特别是重载车、超载车对沥青路面的变形起到了推波助澜的作用。我国《公路沥青路面施工技术规范》规定,在夏季炎热的高温地区,在配合比设计得出的最佳沥青用量OAC的基础上,减少0.3%之后的沥青用量作为设计沥青用量往往是适宜的。对于重载路段的施工,这一点更为重要。加大荷载可以是配合比设计的最佳沥青用量减少。尽管沥青用量减少会给路面碾压带来一定困难但通过重型压路机碾压成型的路面具有较好的高温抗车辙能力。因此,适当减少沥青用量,加大压实度使混合料充分嵌挤,缩小空隙率,是提高沥青路面高温稳定性的重要措施。不过,如果沥青用量减少了而没有得到充分的压实,则可能适得其反,造成路面水损坏的产生。现在国际上有一种配合比设计方法是利用美国工程兵团的搓揉压实仪,他可以根据道路的荷载情况,加大压实荷载,通过搓揉压实达到要求的压实度,这样确定的油石比要比马歇尔试验确定的油石比小的多。不过,如果施工时没有足够吨位的压路机和良好的压实效果,达到要求的压实度,那是达不到目的的。

2. 改善沥青混合料高温稳定性的措施

    综上可知,改善沥青混合料的高温性能应针对以上影响因素采取相应的措施。

2.1 材料

集料

对于高等级公路和一些重要路段,应首选高质量的集料,特别是表面两层沥青混合料应采用坚硬、安定、表面粗糙、破碎、颗粒接近立方体的集料。细集料在有可能的情况下,应充分考虑采用破碎的人工砂,尽可能避免采用天然砂,不能避免也尽量减少其用量。对于石屑的使用应仔细的选择,因为石屑往往是石料中的软弱部分,而且针片 状颗粒极多,在施工和碾压过程中很容易粉碎,产生“细粒化”现象。所以,石屑的质量 首先是看岩石本身是否坚硬,与沥青的粘附性好不好;二是看开采时覆盖层及夹层是否 清理干净,石屑中的含泥量大不大。好的石屑可以代替天然砂使用的,这对于提高混合料的高温稳定性有好处。填料应采用石灰岩或岩浆中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉。

      沥青结合料

    就沥青对沥青混合料高温稳定性能的影响来说,沥青含量的影响可能比沥青本身特性的影响更重要,对于细粒式或中粒式密级配沥青混合料,适当减少沥青 用量有利于抗车辙,因此,在用马歇尔法进行混合料设计时,在考虑高温性能时,沥青用 量应选择最佳沥青用量范围靠下限之处。但对于粗粒式或开级配沥青混合料,在考虑抗 车辙时应综合考虑级配、集料对沥青的吸收性、集料与沥青间的粘结力、混合料的空隙 率等,不能简单地采用减少沥青用量来改善抗车辙性能。必要时可考虑在沥青中掺加改性剂来提高其抗车辙的能力。

2.2 设计

1) 级配

较粗的级配有较好的抗车辙能力,但不容易控制,而且级配过粗反而影响其高温稳定性,相比之下,密级配的沥青混合料抗车辙能力较开级配混合料稳定。规范规定,最大粒径13 mm 及16 mm的适合于铺筑表面层,20 mm及25 mm 的适合于铺筑沥青路面中面层和下面层。另外,适当提高混合料中粗集料的用量(不一定是最粗部分) ,对改善沥青混合料的高温性能有利。

2) 混合料

在进行混合料的设计时,可有意识地按较多的重载车辆、较大的轴载、较高的轮胎气压进行沥青混合料的设计,同时,应控制混合料中矿粉的含量,一般来说,矿粉与沥青之比不宜大于1∶2 。沥青混合料的设计空隙率是一个非常重要又一直有争议的指标。在现阶段,沥青混合料的设计空隙率在3 %~5 %范围内是适宜的,它既照顾了高温性能又考虑了水稳性,有较好的耐久性。通常认为,沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA) 是一种具有优良高温稳定性能的混合料,但其设计和施工均有特殊要求。

3)沥青和集料的配合比

集料的级配组成对沥青混合料的高温稳定性也是一个重要的影响因素。密级配混合料使得集料颗粒见具有很多的接触点,因此比断级配或开级配混合料更稳定。沥青混合料的空隙率小于3%混合料发生车辙的可能性会明显加大,如果将空隙率控制在3%~4%之间可有效提高抗车辙能力。但如果是通过采用较多的沥青而使沥青混合料的空隙率满足要求,这样的混合料同样是不稳定的,因为沥青用量的增加将使混合料的高温稳定性严重降低。此外,过多的矿粉会使沥青混合料易于变形。但沥青马蹄脂碎石混合料(SMA)是一个例外,因为吸附多量的沥青结合料必须使用较多的矿粉和纤维。沥青材料本身的特性对沥青混合料高温性能的影响也是不可忽视的,沥青的高温粘度越大、劲度越高、与石料的粘附性越好,相应的沥青混合料抗高温变形能力越强。通过添加合适的改性剂可大幅度提高沥青的高温粘度,从而改善沥青混合料的高温稳定性。

2.3 施工

沥青路面施工应针对不同的混合料采用不同的施工方法,除了把住材料的质量关以外,最重要的还有两点:一是施工温度,包括拌和、摊铺、压实温度,都必须严格控制;二是压实,这是沥青路面施工的最后工序,也是最重要的工序,好的混合料设计只有通过充分的压实才能获得优良的性能,适当的碾压才能获得最满意的效果。此外,加强施工中的质量检验也是很重要的。

2.4 压实度控制

一般车辙主要来自沥青混合料的粘性流动,沥青混合料空隙率偏小(小于2 %) 时,在车轮碾压的反复作用下,沥青混合料没有足够空隙使其流动,造成沥青混合料整体流动,这会减少颗粒间的接触应力,使其抗车辙能力降低。沥青混合料空隙率偏大(大于8 %的密级配沥青混合料) ,颗粒间的接触应力不足,有足够空隙使沥青混合料流动,且集料之间的嵌挤作用未充分形成,车轮碾压的反复作用,会产生压密形变形成车辙。沥青混合料的空隙率应有一个范围(2 %~8 %) ,且有最佳空隙率,它的抗车辙能力最强。研究结果表明,当沥青路面的空隙率过小时,在高温条件与行车荷载的综合作用下,沥青混合料容易产生剪切变形,沥青路面出现车辙的概率增加。在美国西部环道WestTrack足尺试验中,当沥青路面空隙率较大时,由于模拟车辆的作用,沥青路面将产生较大的压密变形. 美国学者认为,沥青混合料的空隙率为4 %时,它的抗车辙能力最强。在沥青路面工程中,以沥青混合料的空隙率为4 %为设计空隙率,压实度控制在96 %~98 % ,实际空隙率可达到6 %~8 %。混合料级配、沥青用量不变情况下,增加压实度,可降低空隙率。当碾压次数减少到12 次时(标准碾压次数为24 次) ,沥青混合料动稳定度分别只相当于碾压24 次的30 %左右,这说明压实对提高沥青混合料抗车辙能力是非常重要的,碾压次数变化对空隙率产生显著影响。在工程实践中,不能为了控制平整度而降低压实功率、遍数,否则会降低压实度,使沥青混合料抗车辙能力不足。

2.5 减少施工搭接

施工组织应科学合理,以便在施工过程中减少搭接接缝。应保证路基和基层完整的半幅断面施工,并且不得少于一定长度,两幅基层之间衔接处的松散部位应切掉。两次施工处接头以竖直形式搭接,上下两层接头之间最少错开1 m。

2.6  养生

    (1) 水稳碎石基层碾压成型后应及时覆盖,洒水养生。养生时间至少在7 d 以上,才能铺筑沥青混凝土下面层。养生必须及时到位,用草袋、麻袋或塑料薄膜覆盖,保证基层不直接暴露在外,将失水量控制在2 %以内。洒水车的喷头宜用喷雾式,不能用高压式喷管;喷洒要人工控制,养生期内必须始终处于潮湿状态,要求勤洒水、量小且均匀。

    (2) 在养生期间要封闭交通,严禁车辆上行和堆放管线、构件等重物。洒水车洒水时必须在另外一侧车道上行驶。养生结束后,立即清扫基层,作封层或进行下一道工序,尽快铺筑面层。

2.7降低温差

    水泥、水及砂石等原材料在夏季施工时应有一定的遮蔽措施,防止阳光直接照射,造成原材料温度过高。充分利用某些天然条件,如夜间或有利的低温季节进行施工,以降低施工时的温度差。基层碾压完毕后,若暂时不进入下一道工序,表面应覆盖保温材料,以减少基层的内外温差,防止材料温度的骤然变化和水分的迅速挥发。

2.8 调整水稳碎石基层的施工时间

调查表明,水稳碎石基层内产生的裂缝(尤其是温缩裂缝) 主要取决于基层施工时的温度和年温度梯度或多年的温度梯度。在高温季节施工的水稳碎石基层经过一个过冷季节后会有收缩裂缝;相反地,在低温条件下施工的水稳碎石基层经过热季节后就有膨胀性的裂缝和形变。水稳基层的开裂一般在2 个月内完成,在第3个月裂缝发展数骤减,在经过处理并铺筑沥青混凝土面层过冬后的路面上很少发现有新开裂或反射的裂缝。因此,应在平均气温条件下施工,就我国的气候特点而言,安排在春夏季施工是较为妥当的。

3.结 论

     调整沥青混合料的级配可以提高抗高温车辙的能力,对于重载交通、高温地区的路 面工程,改善的幅度有限。 含天然细集料的沥青混合料抗高温车辙能力不如含人工细集料的沥青混合料,建议降低采用人工细集料的用量(总量20 %以下) 。 针对目前面层较薄的情况,不推荐采用最大粒径大于25 mm(方孔筛) 的沥青混合料, 推荐采用最大粒径13 mm ,16 mm 和20 mm 的混合料。在矿料中加入一定比例的水泥(水泥用量20 %~40 %) ,可以改善沥青胶浆的高温 性质,而过多的水泥则是不利的。同时适量水泥可以增强沥青混合料的水稳定性,改善了 沥青混合料的力学性能。在沥青混合料配合比设计指标方面,实际采用的油石比宜处于比最佳油石低0. 2 %~0. 4 % ,过小的油石比会造成渗水率的急剧上升,从而引起早期水损坏,过分降低油 石比并不能改善其高温稳定性。混合料的设计空隙率取4 %时,具有较理想的抗车辙能力,沥青混合料压实不够,空 隙率明显增大,动稳定度显著降低。因此,压实对提高沥青混合料抗车辙能力是非常重要的。采用改性沥青方案是非常可靠的手段,尤其在高温情况下,可以基本消除严重的车 辙。在特殊交通条件要求的路段如爬坡车道、停车场、桥面铺装等可采用高温性能优良的SMA。 重视生产配合比设计,施工过程中严格按设计值及偏差范围进行控制,并根据材料变化应及时调整生产配合比,以确保混合料质量。10) 严格控制沥青混凝土的施工,采取必要的措施防止沥青混凝土的集料离析和温度离析,保证压实温度和压实度,确保施工质量。

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