改性沥青与SMA在改善厦漳高速公路_厦门段_路面中的应用

1、改性沥青与在改善sm a厦漳高速公路 ( 厦门段) 路面中的应用邓力( 厦门市交通基本建设工程质量监督检测站 厦门市 361021)摘 要: 针对路面服务于现有大交通量后出现的病害特征, 提出了综合性的路面改善处治方案, 特别是应用改性沥青与 sm a 新材料、新技术和新工艺, 得到了很好的路面处治效果。本文重点介绍路面处治方案、改性沥青及其混 合料的应用情况。关键词: 改性沥青; sm a 路面; 工程应用厦漳高速公路 ( 厦门段) 全长 11185 km , 1997年 12 月竣工通车。原设计路面结构为: 4 cm sa c 216沥青混合料上面层、4 cma c 220 i 型沥青混合

2、料中15 年。然而本路段通车后, 于 1999 年初路面行车道出现了纵横向裂缝、网裂、局部凹陷、唧浆和坑槽等 病害现象。路面破坏状态见表 1。若不及时处理, 以 后病害将会迅速恶化, 甚至危及基层, 带来的修复工作量将更大; 同时, 厦漳高速公路作为闽南三角洲的 交 通主动脉, 事关本地区经济的发展, 因此, 应及时面层、6 cma c 225 型沥青混合料下面层、1 cm沥青砂下封层、33 cm 5% 水泥稳定碎石基层、20 cm 3%水泥稳定碎石底基层, 总设计厚度 64 cm , 设计年限表 1路面调查及路面评价注: d r 为路面综合破损率, p c i 为路面状况指数对路面进行处治和

3、改善。载和多雨地区这些缺点会明显地表现出来, 面层开裂, 雨水渗漏, 从而削弱了面层结构的整体强度, 加 速了路面的破坏。(3) 路面施工控制不严。中、下面层之间粘结差,局部面层厚度不足。1 路面病害原因分析经多次现场调查及钻孔取样分析, 路面病害产 生的主要原因有以下几点。(1) 交通量预测不准, 目前的交通量是原预测同期 2 倍多, 而且重车比例大, 超载超限现象严重 ( 尤 其是左幅由龙岩往厦门的超载车辆较多) , 使得原设 计的承载能力标准不能适应交通发展的需要。(2) 面层材料 sa c 216 为多碎石混合料, 粗集料 含量多, 孔隙率较大, 因此存在透水性强、防水性能差以及变形适

4、应能力差和抗剪性能差等缺点, 在超2工程改善设计方案针对病害产生的原因, 根据实际交通荷载进行 路面结构计算, 左幅比原设计增加了 7 cm , 右幅比原设计增加了 4 cm 。为提高加铺层沥青混合料的性 能指标, 采用改性沥青混合料; 另外, 为提高沥青结构层的整体性能, 在新旧沥青结构层及加铺层之间 增设改性乳化沥青粘层。路幅病害现象破损面 积m 2行车道超车道弯沉0101 mm网裂纵缝横缝唧浆凹陷坑槽d r %p c i等级d r %p c i等级平均值标准差代表值左幅164211864012723 697451882714差01458912优12184716327右幅382429737

5、27875411482177良0119412优-211 左幅改善设计方案( 1) 行车道损坏严重的路段铣刨原路面结构 4 cm sa c 216 上面层; 铣刨部分用 a c 216 i 型改性沥青 ( 4% sb s + 5% p e ) 混合料铺筑至原路面标高, 其 他病害位置采用局部铣刨或贴 a p p 防水卷材进行处理。(2) 喷洒 013 015 k gm 2 改性乳化沥青粘层。(3) 加铺 4 cma c 216 i 型改性沥青 ( 4% sb s +5% p e ) 混合料。(4) 再喷洒 013 015 k g m 2 改性乳化沥青粘 层。(5) 加 铺 3 cm 改 性 沥

6、青 ( 5% sb s ) sm a 10 面 层。212 右幅改善设计方案(1) 原路面病害位置采用局部铣刨或贴 a p p 防 水卷材进行处理。(2) 喷洒 013 015 k gm 2 改性乳化沥青粘层。(3) 加 铺 4 cm 改 性 沥 青 ( 5% sb s ) sm a 10 面 层。213 桥头处理方案由于桥面沥青铺装层质量完好, 为不增加桥梁 自重, 桥面维持原沥青面层。 连接方案是: 自桥台搭板尾部开始铣刨, 深度分别从 7 cm ( 左幅) 和 4 cm( 右幅) 于各自的过渡段 70 m (左幅) 和 40 m ( 右幅) 范围内渐变为 0 cm , 形成加铺过渡区后再

7、摊铺, 保 证左幅和右幅加铺层的厚度分别是 7 cm 和 4 cm 。3 改性沥青性质与 sm a 特点目前沥青路面普遍存在耐久性 (使用寿命) 和早 期损坏 2 个问题。 为使沥青混合料达到更高的使用性能, 采用改性沥青。改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂) , 或采取对沥青轻度氧化加工等措施, 使沥 青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。sm a 是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的 细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙组成一体的沥青混合料。 它充分考虑了现在普遍使用的 a c、am 和 a k 等级配的缺点, 又力求

8、 利用它们的优点, 达到完善的组合。因此 sm a 具有 a c 的空隙率小、水稳定性及耐久性好, am 的集料嵌挤作用好、高温抗车辙能力强和 a k 的抗滑性能 好等各种优点; 同时又克服了 a c 的高温稳定性能 不足, am 及 a k 的不耐抗裂、抗老化、抗水损害性能差的缺点, 因此是一种比较理想的混合料结构。4改善工程施工411改性沥青及其混合料技术要求41111改性沥青技术要求 改性沥青是用基质沥青与一种或数种改性剂进入胶体磨循环研磨而制成的。 其技术要求应符合表2 规定。41112改性乳化沥青技术要求 改 性乳化沥青是由改性沥青与水在乳化剂和稳定表 2 改性沥青技术要求技术指标单

9、位5% sb s4% sb s+ 5% p e设计要求实测结果设计要求实测结果针入度( 25, 100 g, 5 s)011 mm40423035针入度指数 p i+ 0120178+ 0120151延度( 5 , 5 cm m in )cm204315102019软化点 t r &b607815708316运动粘度( 135 )p as32113310闪点230-230-溶解度%99-99-离析, 软化点差215117215119弹性恢复( 25 )%707915707314质量损失%11001061100104针入度比( 25 )%659015657815剂的作用下经乳化加工而成的。 其技

10、术要求见表 3。41113改性沥青混合料的技术要求( 1) 改性沥青混合料采用马歇尔试验法进行混 合料配合比设计时, 应达到表 4 的技术指标要求。(2) 改性沥青混合料的检验, 应符合表 5 性能指标要求。412混合料配合比设计料的技术指标经检测都满足公路沥青路面施工技术规范(j t j 032- 94) 的要求。 基质沥青采用壳牌 a h 270, 改性剂为 4% sb s + 5% p e , 生产改性沥青 加工研磨时间需 50 m in。改性沥青各项指标经检测满足表 2 技术要求。(2) 目标配合比设计。对各种矿料, 按规范要求取样筛分, 利用电算确 定集料比例, 使其关键筛孔通过率都

11、接近级配中值,得到目标配合比级配组成见表 6 所示。 采用击实法 制作 5 组试件 ( 油石比分别为 415% 、510% 、515% 、610% 、615% ) 进行马歇尔试验, 在满足表 4 配合比 设计指标和表 5 性能指标要求的情况下, 确定最佳 油石比为 515% 。(3) 生产配合比确定。 根据目标配合比设计结果, 用热料仓取样筛分结果再进行混合料生产配合比设计, 又通过试验段验证, 确定a c 216i 混合料生产用的标准配合比, 其 级配见表 6 所示。 考虑到厦漳高速公路的路面破坏主要是重载和超载车辆的反复作用, 以疲劳破坏为 主, 尽量加大改性沥青用量, 以延长路面的使用寿

12、 命, 最后确定最佳油石比为 517% 。41211a c 216i 配合比设计 (4% sb s+ 5% p e )表 3 改性乳化沥青技术要求表 4 混合料配合比设计指标要求41212sm a 10 配合比设计 (5% sb s 改性)(1) 原材料。粗集料采用优质花岗岩经二次破碎制成的 812 mm 、5 10 mm 和 3 8 mm 等 3 种规格碎石, 颗粒形状和棱角性很好, 细集料采用 0 3 mm石屑;填料采用石灰石矿粉; 集料的技术指标都满足公路沥 青路面施工技术规范(j t j 032- 94) 的要求, 且 粗 集 料 的 压 碎 值 和 洛 杉 矶 磨 耗 损 失 分 别

13、 控 制 在25% 和 28% 以下。 基质沥青采用壳牌 a h 270, 改性 剂为岳阳石化总厂生产的 sb syh 791, 生产 5% sb s 改性沥青加工研磨时间需 40 m in。改性沥青各项指 标经检测满足表 2 要求。纤维采用德国生产的 to p牌粒状木质纤维素; 抗剥落剂采用西安公路科研所生产的 ba 23 型抗剥落剂。(2) 目标配合比设计。考虑到 sm a 10 技术要求已明确了级配范围,因此根据实际经验, 选用 612% 油石比为控制中值,上下分别波动015% 和110% (即 512% 、517% 、612% 、617% 、712% ) 5 组油石比进行混合料拌和,成

14、型马歇尔试件。 木质纤维素掺量为混合料总量的4, 抗剥落剂为改性沥青用量 5。 用表干法测定 试件毛体积相对密度, 并用理论计算法计算试件的表 5 混合料性能指标要求(1) 原材料。粗 集 料 采 用 10 20 mm 、10 15 mm和 510 mm 等 3 种规格的优质花岗岩碎石; 细集料采用技术指标单位sm a 210a c 216i技术要求试验结果技术要求试验结果60 车辙试 验动稳定度次mm 3 0003 637 2 0005 140- 10 低温弯 曲极限应变 2 0008 875 2 0004 10048 h 浸水马歇 尔残留稳定度% 809119 808717冻融劈裂试验 残

15、留强度比% 80- 80-技术指标单位sm a 210a c 216i技术要求试验结果技术要求试验结果马歇尔稳定度kn 6128176 8101318流值011mm20 50291720 402913空隙率 v v%2 42183 5315饱和度 v fa%70 90831670 857718矿料间隙率v m a% 171711 14151416技术指标单位设计要求试验结果1118 mm 筛上剩余量%013011贮存稳定性1 d%110-5 d%510-粘度 c 25, 3s1617蒸发残留物含量%4048蒸发残 留物性 质针入度 ( 25 , 100 g, 5 s)011 mm40 1005

16、9残留延度 ( 5 )cm 1026软化点 5058参数确定最佳油石比为 613% 。(3) 生产配合比的确定。 根据目标配合比设计结果, 依据每个热料仓取样筛分再进行级配计算, 使生产级配尽可能接近目标级配, 从而得出生产配合比。确定出生产配合比级 配组成的基础上, 分别按油石比610% 、613% 、616%表 6 ac- 16i 与 sm a 10 混合料级配组成击实试件, 对成型的试件分别进行密度测定, 计算其各种体积参数, 同时进行马歇尔试验辅以参考, 又通 过试验段验证, 确定 sm a 10 生产用的标准配合比,其级配见表 6 所示, 最佳油石比为 614% 。413沥青混合料施

17、工41311施工准备 (1) 交通封闭。 交通封闭采用左、右幅分幅分段进行, 根据原中央分隔带开口间距为 2 km 的特点封闭交通, 每次 封闭 4 km , 封闭起终点设在中央分隔带开口处, 摊铺完 2 km 时, 交通恢复到已做好的路面的同时, 向前封闭 2 km , 保证有 4 km 施工路段。交通标志按国 标要求设置, 人员 24 h 值班, 整个施工过程中, 交通畅通无阻, 未发生交通安全事故。(2) 病害处理。依据设计时所调查病害状况, 施工前仔细徒步 调查核对, 准确判断病害种类, 确定病害处理范围。 对网裂、唧浆和凹陷等严重病害逐层开挖, 彻底清除 病害根源。施工时采用铣刨机和

18、空压机等进行开挖, 确保开挖深度及范围准确, 验收后用同级混合料 (即基层用水泥稳定碎石和面层用 a c 216 i 沥青混合 料) 填补。 由于病害处理大多为小面积施工, 必须认真对待, 做到混合料摊铺、碾压和接缝处理达到大面 积铺筑时的质量要求。(3)a p p 防水卷材防水处理。 改善工程使用了较多的 a p p 防水卷材粘贴在裂缝、轻微网裂和病害修补区的接缝处进行防水处理, 施工要求如下:对要粘贴 a p p 防水卷材的基面进行处理, 达 到平整、密实、洁净;a p p 卷材, 另 1 人对卷材进行喷火熔胶后, 立即粘贴于基面上。要求a p p 完全与基面粘牢且无任何气 泡和起豉现象,

19、 然后用轻型压路机碾压一遍;a p p 防水卷材粘贴后应达到 1 人之力无法 撕下, 且铺筑面层时摊铺机履带行走时不被带起。41312改性乳化沥青及其混合料生产(1) 改性乳化沥青生产。 改性乳化沥青是一项国际先进技术, 是在传统乳化沥青的基础上, 为提高粘层的粘结力和防水效 果而开发的。 本工程改性乳化沥青是一种慢裂阳离子改性乳化沥青, 它是用 5% sb s 改性沥青, 在 sy-r 2 牌阳离子乳化剂作用下经胶体磨乳化加工制成的。 生产出的成品均匀性极佳, 稳定性很好, 现产现用。经取样检验, 各项指标满足表 3 要求。破乳后,改性乳化沥青粘层色泽亮、弹性佳和粘性好。(2)a c 216

20、i 混合料生产。a c 216 i 混合料生产采用 p a rk e r2000 型间歇 式拌和设备生产。为使混合料出料温度控制准确, 特别于石料干燥筒出料口外安装红外线测温仪, 准确 监控集料加热温度, 如此即可使混合料出料温度控 制在715 范围内。 根据混合料设计, 热料仓筛网规格采用 5 mm 、15 mm 和 20 mm , 将集料筛分成 05 mm 、5 15 mm 、15 20 mm 等 3 种。 混合料依生 产配合比进行拌料。 混合料每盘拌和 2 t, 湿拌时间45 s。每盘混合料组成均采用即时打印, 以监控生产 配合比的准确性。拌和主要控制参数为: 改性沥青加热温度 170

21、180 , 集料加热温度 170 190 , 混 合料出料温度 165 180 。(3) sm a 10 混合料生产。sm a 10 混合料生产与 a c 216 i 混合料基本相级配类型通过筛孔 (mm ) 的质量百分率%191016101312915417521361118016013011501075a c 216 i级配要求10095 10075 9058 7842 6332 5022 3716 2811 217 154 8目标级配991295108918631050174116301022121417916613生产级配10095158216691353113517221717141

22、217819613sm a - 10级配要求10090 10030 4522 3218 2614 2012 1810 168 13目标级配1009014381824151812161415151212919生产级配100901839132511201716151412121291911 mm 、14 mm , 将集料筛分成 0 4 mm 、4 7 mm 、7 11 mm 、11 14 mm 等 4 种; 依设计粒状木质纤 维素掺量 014% 每盘拌和 2 t 需 8 k g, 可预先装成4 k g 小袋, 通过在拌和锅两侧各开一个小口并安装 开启气门, 在集料下到搅拌锅时同时开启气门, 人工配

23、合每边各投入一小袋。 干拌 10 s 后, 沥青称重下 锅湿拌 45 s。拌和主要控制参数为: 改性沥青加热温度170 180 , 集料加热温度 180 200 , 混合料出料温度 175 190 。41313 施工摊铺(1) 改性乳化沥青粘层施工。 为提高新铺筑上下面层以及新旧沥青面层的粘结性, 各层间喷洒改性乳化沥青粘层。改性乳化沥青的现场施工采用乳化沥青洒布车, 施工前应对工作 面进行清理, 做到工作面洁净、无杂物、无污染源和 无 尘 土。 喷 洒 时 严 格 控 制 现 场 喷 洒 量 在 013 015 k g m 2 之间, 少喷起不到粘结作用, 多喷则形成 病害油膜, 做到整体洒

24、布均匀; 边缘局部喷不到位的, 用人工补洒处理。(2)a c 216i 施工。a c 216i 补强层施工。由于 a c 216 i 补强层宽度为 4 m , 采用福格勒 小型摊铺机施工, 标高控制为锁定摊铺机液压缸, 摊铺高程略高于原地面, 松铺系数采用 1118, 既可做 到混合料摊铺碾压后与原路面平又能达到要求的压实度。压实方法为 1 台dd - 130 英格索兰振动压路 机和 1 台轮胎压路机紧跟碾压, 人工配合新旧路面间的纵缝修整。a c 216i 下面层施工。a c 216i 沥青混合料采用 a b g - 423 摊铺机全由于生产的 sm a 10 和易性好, sm a面层也采用

25、 a b g - 423 摊铺机全幅 10175 m 摊铺, 加宽段摊铺同 a c 216i 。摊铺温度控制在 170 180 之间,标高控制采用锁定摊铺机液压缸等厚摊铺。 依设计 要求混合料空隙率为 3% , 要求现场成品空隙率在7% 以下, 即要求马歇尔压实度大于 98% 。碾压采用2 台 dd - 130 英格索兰压路机紧跟摊铺机碾压, 每 台负责半幅并在中间处相互重叠 1 m , 往返行程 25 30 m , 后面紧跟 1 台宝马 202 压路机补充碾压, 并在 dd - 130 后退加水时顶替碾压, 既保证了碾压起 始温度在 160 以上, 碾压终结温度在 130 以上,碾压遍数不少

26、于 5 遍, 又不出现过碾压现象。经试验段试铺, 4 cm sm a 10 面层 dd - 130 压路机前进振 动后退静压, 3 cm sm a 10 面层 dd - 130 压路机前进后退静压, 碾压速度控制在 4 km h 左右, 碾压控 制的关键在于及时紧跟均匀碾压。414混合料质量控制结果 通过对混合料生产和施工的严格控制, 经施工过程中试验抽样及完工后试验检测, 结果能满足设 计与评定标准要求, 合格率在 90% 以上。 其检测情 况见表 7。5 路面改善处理后效果路面改善工程于 2000 年 11 月完工, 现已使用3 年时间, 通过对原路面认真调查、仔细分析、科学 计算、精心设

27、计; 注重原路面裂缝的防水处理及加铺 层的成型孔隙的控制; 采用先进施工设备, 严密组织 施工; 加强施工过程的质量控制和管理, 现有路面状 况良好, 没有发现任何车辙、小坑槽现象, 达到很好的处理效果。虽改善时一次性投入较大, 但改善后路 面养护成本下降, 行车条件也明显改善, 值得进一步 总结, 推广应用。幅 10175 m摊铺, 加宽段、匝道等其他地段采用可自由伸缩的福格勒摊铺机和 a b g - 423 摊铺机双机热接缝并铺 (前后间距控制在 3 5 m ) , 除桥头地 段、匝道连接段和纵坡调整地段采用挂线法控制标高外, 其他地段标高控制均采用锁定摊铺机液压缸等厚 摊铺。 摊铺时应均

28、匀、连续, 温度控制在 160 170 之间。碾压工艺上采用 2 台dd - 130 英格索兰振动压 路机紧跟摊铺机碾压, 每台负责半幅并在中间处相互重叠1 m , 往返长度 30 m , 往前振动往后静压, 碾压 速度 3 4 km h , 起始碾压温度控制在150 以上;6结语( 1) 高等级沥青混凝土路面必须有足够的路面 结构, 设计单位对路面结构设计应考虑超载超限车 辆的影响, 适当保守; 应高度重视沥青路面孔隙水的 下渗破坏, 做好路面防水设计。( 2) sm a 非常适用于高速公路的维修与补强,应该提倡高速公路旧路面的维修罩面采用 sm a , 但 加铺的旧路面不能是已经破坏得非常

29、严重的。 破坏太严重, 可能是其强度不足, 应重新进行路面结构层 补强设计, 并对旧路面进行整修或加铺处理。 另外,同时 2 台轮胎压路机紧跟 dd -130 后面高温不喷水状态揉挤碾压, 每台也负责半幅往返长度 30 m 。通过这样的碾压工艺, 达到很好的压实效果。公路填方路段和软土路段等路基尚不稳定的地方,不宜铺筑 sm a 路面, 应在其变形稳定后再铺筑。表 7混合料质量控制结果注: 发现油石比略有超标时现场马上调整。( 3) sm a 所用的材料性质如何, 尤其是集料的级 配、坚 韧 性、颗 粒 形 状 和 棱 角 性 是 否 符 合 要 求;参考文献:123j t j 03294,

30、公路沥青路面施工技术规范 s .j t j 03698, 公路改性沥青路面施工技术规范能 s . sh c f 40012002, 公路沥青玛蹄脂碎石路面技术 指南 s .沥青用量是否合适; 施工温度控制是否严格,sm a拌和与压实工艺是否得当, 是 sm a 成败与否的关键所在。4沈金安. 改性沥青与 sm a 路面 m .出版社, 1999.北京: 人民交通a pp l ica t ion of m od if ied a spha lt an dsm a to im prov in g pavem en tof x ia - zhan g expre ssway (x iam en se

31、c t ion )d en gl i(x iam en q ua lity sup e rv ising & t e st ing d iv isio n o f comm un ica t io n b a sic co n st ruc t ive e ng inee r ing , x iam en 361021, c h ina)a bstra c t:t o co u n te r th e d ist re ss ch a rac to r ist ic s o f p avem en t af te r se rv in g h eavy t raff ic, th ecom p reh en sive t rea tm en t sch em e o f im p ro v in g p avem en t is p u t fo rw a rd in th is p ap e r. t h