西铜高速上面层沥青混合料优化设计20120321.doc

西铜高速上面层沥青混合料优化设计自20世纪90年代以来，我国早期建成的普通公路及高速公路陆续进入大、中修期，每年有相当数量的沥青路面需要翻修，这就使每条的的综合成本增加了很多。因此，各地的专家学者都把眼光放在了改变路面结构形式和引进先进的沥青混合料设计类型上。西安至铜川高速公路是国家高速公路网包头至茂名纵向线在陕西境内的重要路段，主线起点至泾阳立交按八车道高速公路技术标准，泾阳立交至终点按六车道技术标准建设，设计速度120km/h。全长为62.03公里。我标段为XT-M01合同段，其起讫里程为：K0+000K24+000，沥青混合料上面层原设计为4cmSMA-13。我标段技术人员通过大量的理论研究及试验论证，证明SMA-13结构类型并不是现行社会最理想的路面铺筑结构。通过我标段技术人员的大量检测数据，及试验段铺筑，最终确定由原来的SMA-13改为调整后的AR-GM-13。1.混合料优化思路分析SMA( Stone Mastic Asphalt的缩写)，意为碎石沥青砂胶混凝土。SMA是柔性的，稳定的和耐久性好的可以用于铺筑不同厚度面层的热拌沥青混合料。SMA的特点是大尺寸集料互相嵌锁组成高稳定性的骨架结构，同时由于细集料、沥青结合料和稳定添加剂组成沥青砂胶将骨架胶结在一起，并有富余，使混合料有较好的柔性和耐久性。由于大尺寸的骨料含量高(70%-80%)，加大了矿料间的空隙率，从而可以容纳较多的沥青，减少了氧化、老化变硬和低温裂纹。SMA在工程实例中，确实有着良好的性能。但在实际施工过程中，也存在了不少问题，其问题主要集中在稳定剂上。目前用于SMA混合料中的纤维稳定剂一般分为两种，一种是絮状纤维，另一种是颗粒状纤维。不论采用哪种纤维稳定剂，在实际施工过程中都出现过不同程度的质量问题。原因是在拌和过程中，由于纤维在搅拌机中没有被充分打开，当加入沥青后形成“油团”，在碾压过程中，在压路机的作用下形成了大片的油斑；同时由于纤维的不均匀导致局部纤维量的减少，在大掺量的沥青影响下，使混合料析漏指标不合格，在压路机的强烈震动下，导致路面局部出现“泛油”现象。出现上述情况，处理方法只有铣刨后重新进行铺筑，导致施工成本的增加。同时由于铣刨产生的接缝，破坏了路面的整体使用性能，减少了路面的使用寿命，这就好像还没有通车就进行大修。针对SMA在施工出现的问题，我标段技术人员结合国家发展形势，积极对SMA-13上面层混合料进行了优化设计。具体优化过程如下：2.稳定剂的选择针对以往工程中纤维剂对工程质量的影响，我标段技术攻关人员广查资料文献，通过各种稳定剂的分析，最终把眼光放到了废旧橡胶粉上，从理论上分析，废旧轮胎橡胶粉主要的成分是天然橡胶和合成橡胶，还有硫、碳黑、氧化硅、氧化铁、氧化钙等添加剂，如果能充分应用到沥青混合料当中，将大大提高路面的使用寿命。同时橡胶粉在一定意义上讲，是一种载能性、循环性、战略性的资源；是一种低碳性、节能性、减排性的资源；是一种流程短、能耗少、成本低的资源。加快再生资源回收利用产业发展，是全面落实科学发展观的重要举措，也是建设资源节约型、环境友好型社会的重要内容，对于经济和社会的可持续发展有着重要意义。3.橡胶粉添加方式的确定通过文献记载，橡胶粉应用于路面施工当中并不是首次，以前橡胶粉在SMA中用作稳定剂是在拌和过程中进行添加，基于界面理论及相似相容原理，橡胶粉作为稳定剂添加于混合料后，通过橡胶粉与沥青的继续作用，溶胀发育，使沥青路面在长期的使用过程中发生膨胀并最终导致沥青混凝土的破坏。为了避免上述问题的发生，现将橡胶粉提前与沥青进行混合。橡胶粉是一种聚合物，可以吸收沥青中的轻质组分而溶胀，溶胀的程度取决于橡胶粉自身的特性，以及沥青胶结料的化学组成、粘度和反应温度。橡胶沥青的性能就来自于橡胶与沥青间的相互作用。橡胶颗粒在高温状态下与沥青充分混合后，吸收了沥青中的轻质组分，一方面使残留的沥青变硬，粘度增加；另一方面橡胶颗粒体积会显著变化，可以膨胀35 倍，体积占到胶结料体积的3040%，橡胶颗粒间的距离缩短发生粘聚,形成交联网络。橡胶粉与沥青的共混体系由单一的连续沥青相，变为两个连续相。橡胶网络间的相互作用限制了沥青胶体的流动，提高了沥青的内聚力和柔韧性。4.橡胶沥青的生产橡胶沥青生产过程中经历了溶涨、脱硫及降解-物理、化学过程，整个过程造成橡胶颗粒失去部分硫化橡胶的弹性而恢复部分天然橡胶的柔韧性，既要保证橡胶粉充分溶涨，又要避免橡胶粉发生严重的脱硫与降解。根据以上理论，进行室内配伍性试验，采用陕西长大华础科技有限公司生产的40目橡胶粉和新加坡埃索90号-A级基质沥青进行试验。初步选用橡胶粉掺量內掺18%、20%、22%三种进行试验，橡胶沥青加工温度为180190，反应时间，为60min。表1 沥青要求及检测结果检测项目针入度(25,100g,5s)软化点()5延度(cm)质量变化(%)针入度比(%)5延度比(%)180旋转粘度（PaS）25弹性恢复（%）规定值4080(0.1mm)4780.480401.5-4.055橡胶沥青(內掺18%)7848.516-0.285.952.11.253.5橡胶沥青(內掺20%)6166.013-0.283.646.22.363.0橡胶沥青(內掺22%)4553.06-0.273.541.53.764.0经过配伍性试验，內掺18%的橡胶沥青180旋转粘度1.2小于1.5，不合格；內掺22%的橡胶沥青5延度6小于8，不合格。內掺20%的橡胶沥青各项指标优良，有利于质量控制。最终确定橡胶沥青组分为细度为内掺40目20%橡胶粉。5.SMA与橡胶沥青SMA混合料性能比较利用橡胶沥青选用传统的SMA级配进行马歇尔试验，通过体积指标确定最佳沥青用量，同时进行车辙、低温弯曲、冻融劈裂试验，结果如下。表2 SMA-13及橡胶沥青SMA-13级配范围级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率()1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-1310090-10050-7520-3415-2614-2412-2010-169-158-12橡胶沥青SMA-1310090-10050-7520-3415-2614-2412-2010-169-158-12表3 SMA-13及橡胶沥青SMA-13性能指标混合料类型纤维%填料%油石比(%)空隙率VV(%)稳定度(KN)流值(mm)残留稳定度%车辙冻融劈裂低温弯曲SMA-130.3106.04.58.01.8592.6554090.23239.2橡胶沥青SMA-13/107.43.06.42.2289.2407585.63027.4通过上述指标可以看出，橡胶沥青SMA-13不同于传统的SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料，各项性能指标都有所下降，其中抗车辙能下降最为明显。分析原因：由于传统SMA填料比例很大，同时在大量的橡胶沥青的作用下，形成了大量的胶浆裹附在骨料表面，难于形成骨架的嵌锁结构，并且回弹性大。富余的胶浆没有足够的空隙来容纳，对矿料级配产生干涉作用，从而影响混合料的性能。6.提出优化理论及优化后的AR-GM-13混合料性能根据橡胶沥青的特点及结合我国目前的施工技术水平进行橡胶沥青混合料级配优化设计。优良的路用性能主要决定于粗骨料的嵌锁结构，通过这一理论，我们在不改变骨架结构的前提下，适当减少矿粉的掺量，使其与橡胶沥青形成的胶浆正好填充于骨架结构当中，形成密实的骨架结构。表4 SMA-13及橡胶沥青SMA-13级配范围级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率()1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-1310090-10050-7520-3415-2614-2412-2010-169-158-12橡胶沥青SMA-1310090-10050-7520-3415-2614-2412-2010-169-158-12AR-GM-1310090-10050-7524-3418-2614-2412-2010-169-155-10根据优化级配进行马歇尔试验，并进行路用性能试验汇总如下表5 SMA-13、橡胶沥青SMA-13及橡胶沥青混合料性能指标混合料类型纤维%填料%油石比(%)空隙率VV(%)稳定度(KN)流值(mm)残留稳定度%车辙冻融劈裂低温弯曲SMA-130.3106.04.58.01.8592.6554090.23239.2橡胶沥青SMA-13/107.43.06.42.2289.2407585.63027.4AR-GM-13/66.84.08.71.6493.5617591.64241.5通过对三种混合料性能进行比较分析，橡胶沥青SMA-13混合料各项性能指标都明显低于SMA-13和AR-GM-13混合料；在抗水损坏、低温抗裂性能方面，SMA-13与AR-GM-13混合料指标基本相当但优于橡胶沥青SMA-13；在低温抗拉性能及抗高温性能方面，AR-GM-13占有明显优势。7.试验段铺筑我标段根据优化结果，进行了试验段铺筑，试验段起讫桩号为K15+244-K15+780，采用马莲尼4000型间歇式拌和机进行拌和，出厂时检测出厂混合料温度，并检测混合料到场的温度，外观质量，已经离析、结块的和温度高于195或者低于160混合料废弃不用。摊铺采用3台ABG8820摊铺机呈梯队摊铺作业，两摊铺机间距不得大于3米。摊铺前对熨平板进行预热，使熨平板表面温度大于130 。摊铺机行走速度控制在1.01.5米/min，应与拌和、运输能力相协调。始终保持摊铺机前有34台运输车辆等待，保证摊铺匀速平稳进行，不中途停机。运输车在卸料过程中始终保持盖布覆盖车厢。为保证压实度，无论初压、复压、终压都尽可能在高温下进行。为了避免混合料在摊铺后碾压前温度损失过快，上面层试施工碾压时不进行碾压区段划分，采取压路机高温紧跟碾压的方式。碾压遵循“紧跟、慢压、高频、低幅、均衡、匀速、由低向高、阶梯重叠1/3轮宽碾压”的原则。施工后，现场检测结果如下表6 平整度试验结果左行1车道左行2车道左超车道试验段0.49 0.52 0.55 0.54 0.47 0.580.56 0.54 0.57规定值1.0表7 渗水系数汇总表桩 号位 置渗水系数（ml/min）标准值（ml/min）试验段K15+358距中线4m33.3120距中线8m26距中线12m28.7K15+640距中线4m37.3距中线8m34距中线12m34从各项试验数据上分析，我标段橡胶沥青上面层试验段的各项指标均满足要求，芯样骨料分布均匀，形成骨架嵌挤结构。7.经济效益表8 各种原材料价格材料类别碎石及填料SBS改性沥青橡胶沥青木质素纤维单价(元/吨)2006800550015000表9 AR-GM-13与SMA-13配合比混合料类型碎石及填料SBS改性沥青橡胶沥青木质素纤维AR-GM-13100%/6.8%/SMA-13100%6.0%/0.3%表10 AR-GM-13与SMA-13经济效益比较混合料类型单价计算(元/吨)AR-GM-13100106.8200+6.8106.85500=539.2SMA-1