浅谈沥青混凝土在道路工程上的应用及改进措施

1、浅谈沥青路面的耐久性及改进措施刘梦芸1(1.燕山大学,河北秦皇岛066000摘要:沥青路面有多种损害类型,针对不同原因的损坏,利用新兴技术研究成果改进现有材料,以满足使用功能,延长其使用寿命。本文根据实际情况分析沥青混凝土的破损形式和对改性沥青材料及沥青混合料的探究和试验分析。关键词:沥青;耐久;破损中图分类号:文献标识码:文章编号:Abstract: There is a variety of damage types of asphalt pavement, according to different reasons of damage, using the emerging techn

2、ology research to improve the existing material, in order to meet the use function, prolong its service life. In this paper, according to the actual situation analysis of the breakage of the asphalt concrete forms and materials of modified asphalt and asphalt mixture to explore and test analysis.Key

3、 words: asphalt; Durable; Broken0引言沥青路面具有行车平稳、舒适、噪声低、养护维修方便、可以再生利用等特点,在各类公路和城市道路,尤其是高等级公路中得以广泛使用。对路面或路面设计的最基本要求是耐久、平整和抗滑。耐久指的是路面具有足够长的使用寿命,要求整个路面结构具有足够的强度和抗变形能力;平整和抗滑使路面的行驶更舒适安全,尤其对于高速公路而言。沥青混凝土是公路、城市道路的主要铺面材料,直接承受车轮荷载和各种自然因素的影响:如日照、温度、空气、雨水等,其性能和状态都会发生变化,以至影响路面的使用性能和使用寿命。相对于整个公路的寿命而言,路面的寿命是短暂的,通常设计

4、寿命只有15-20年。随着交通量的增加,维护费用在整个工程造价中所占比例越来越大。并且路面维修严重影响了道路通行,并经常引发恶性交通事故。因此,越来越多的国家把路面的设计寿命延长,并且提出了永久性路面的设计理念。本文从沥青材料的性质出发,归纳总结了大量前人所做的关于沥青材料性能的试验,探讨如何配置应用沥青材料,以求达到延长路面的寿命的目的。1沥青混凝土的路用功能沥青路面中使用的沥青材料主要为道路石油沥青,它是采用不同的炼制工艺由原油经过蒸馏获得的粘稠沥青。为了使用和施工的需要,在粘稠沥青中掺加柴油,煤油或汽油等溶剂配置成慢凝、中凝或快凝液体石油沥青,也可以将沥青分散在乳化剂水溶液中制成乳化沥青

5、。在重载交通道路或有特殊要求的沥青路面上应用高性能改性沥青。本节主要探究沥青路面的破坏类型和路用要求。1.1沥青路面的损坏类型及对沥青混合料的基本要求在公路路基路面现场测试规程(JTJ 059中,T0974规定了沥青路面破损类型如下:裂缝类破损:包括龟裂、块裂及各种单根裂缝等变形类破损:包括车辙、沉陷、拥包、波浪等松散类破损:包括掉粒、松散、剥落、脱皮等引起的集料散失、坑槽等;其他破损:包括泛油、磨光等。其中高等级公路沥青路面上常见的损坏现象主要有裂缝、车辙、松散剥落和表面磨光等。裂缝是沥青路面的最主要破损之一。主要分为荷载类和非荷载类。荷载类裂缝在沈金安主编的2001年出版的沥青及沥青混合料

6、路用功能一书指出,非荷载类主要是温缩裂缝和半刚性基层开裂引起的反射性裂缝,后经笔者查阅资料认为“温缩裂缝”一词,作为沥青出现裂缝的非荷载类中的主要原因是不确切的。梅迎军教授在水-温-荷耦合作用下探究了对沥青混凝土疲劳寿命的影响。研究结果表明:在应变模式下,温度对沥青混凝土疲劳寿命的影响不明显,揭示了沥青混凝土应变疲劳过程与温度无关的规律;对于未冻融的粗级配沥青混凝土,其疲劳寿命随温度的提高而明显的缩短。经过一次冻融循环后,在同一应力下比疲劳寿命降低约10%-35%,而在同一应力水平下疲劳寿命降低约75%-80%。因为低温地区时常也会伴有降雪,日间温度升高,冰雪融于空隙中,后夜间温度骤降,裂缝开

7、展。基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂,在荷载应力与温度应力的共同作用下,在基层裂缝开裂处的面层底部产生应力集中而导致面层底部在上方大体相对应的位置开裂,而后逐渐向上或向下扩展而使裂缝贯穿。半刚性基层的开裂通常由温缩或干缩引起,多数情况是在基层铺筑后,由于未及时按规定进行养护或由于未及时铺筑沥青面层后,路面在使用过程中,由于温度骤变,当基层内的日温差超过某一范围,致使温度应力超过其抗拉强度时而开裂。车辙是渠化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏之一。当车辙达到一定深度时,又有车槽内积水,极易发生汽车飘滑而导致交通事故。沥青路面的车辙分为三种类型:(1由路面基层及路基变形引起的。(2温度较

8、高时,经车辆反复碾压产生永久变形和塑性流动而逐渐形成的沥青混凝土的侧向流动变形。容易发生在上坡路段、交叉口附近,即车速慢、轮胎接地发生的横向应力大的地方。(3冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙,在北欧国家常见。但有一种在我国常见发生的车辙国外很少发生。它是由于沥青路面本身的压密造成的。近年来,有些高速公路施工受排名抢险的思想驱动,片面追求平整度,在降低温度后碾压,造成压实度不足,致使通车后第一个高温季节混合料继续压密,路面产生压实变形,同时平整度迅速下降,进而形成明显的车辙。水损害是指在水的作用下,沥青逐渐丧失与矿料的粘结力,从矿料表面脱落,在车辆的作用下沥青面层呈现松散状态,以致骨料从路面脱落形成

9、坑槽。产生松散菠萝的另一种可能性是由于施工中混合料加热温度过高,致使沥青老化失去粘性。有多种原因会导致水损害,虽然我国已经制定了路面渗水系数的试验方法,以规定水头压力下水在单位时间内通过一定面积的路面深入下层的数量表示,但是尚缺乏这方面的控制指标值。沥青路面在使用过程中,在车轮的反复滚动摩擦下,集料表面被逐渐磨光,有时还伴有沥青的不断上翻、泛油,导致沥青面层表面光滑,尤其是雨季容易造成车祸。这种现象与采用了敏感性比较大的沥青混合料级配类型有关,表面磨光的内在原因是集料质地软弱,缺少棱角,或矿料级配不当,粗集料尺寸偏小,细料偏多或沥青用量偏多等。1.2沥青混合料的路用性能的要求根据以上沥青路面破

10、坏原因分析,沥青混合料的路用性能应满足下列基本要求:(1足够的高温稳定性(2良好的低温抗裂性(3良好的耐久性(4良好的水稳性(5足够的抗滑能力(6良好的防渗水能力2 对改性沥青材料及沥青混合料的探究和试验分析上面分析了沥青路面出现的各种病害,以及影响的原因,针对上面的问题,本节主要通过分析前人所做的大量试验来讨论探究新型的材料和配比应用于路面的效果。改性沥青,是指在基本石油沥青中加入某些改性材料,比如树脂类高聚物、橡胶类高聚物、微细粉填料、纤维类填料、硫磷类改性剂等。下面结合我国常采用的半刚性面层的实例谈下半刚性面层的改性沥青的研究。2.1半刚性面层材料试验探索目前传统的路面面层形式主要有两类

11、:沥青类柔性面层和水泥混凝土类刚性面层。普通沥青类面层温度敏感大,易老化,易产生车辙等病害。水泥混凝土类面层刚度大,变形能力差,一旦基层、地基等支承条件发生变化,容易出现断板等病害,且修复困难。为了改善普通沥青类面层和水泥混凝土面层的缺陷,改性沥青,纤维增强混凝土等技术的研究能够正在发展之中。同时为了从根本上解决这两类问题,刚性材料柔性化和柔性材料刚性化,开发真正意义上半刚性面层材料的研究思路日益受到人们的重视。此类材料的研究开发工作,或是在沥青中掺入水泥、石灰,或采用沥青、水泥分层包裹骨料的方法以期获得半刚性、半柔性类面层材料;或采用大空隙沥青混合料母体灌入水泥砂浆或水泥净浆,形成水泥灌浆沥

12、青混凝土技术。有关研究表明,混凝土的强度和模量同骨料种类、强度有密切关系,但是工程实际中骨料的选择往往是确定的。对于确定的骨料而言,在其级配固定的前提下,混合料的性质主要决定于结合料的性质及用量。影响复合结合料胶砂强度的可能因素主要有水灰比、沥青与水泥用量比、成型工艺、养生条件、沥青和水泥的种类与用量等。通过胶砂试验结果来分析:乳化沥青用量增加,油灰比增大,胶砂试件的变形能力增加,脆度系数减小。采用水泥-乳化沥青复合结合料可以降低面层材料的刚度。试件的脆度系数随结合料用量的变化有较大变化。相同结合料用量条件下,混凝土配合比将会影响混凝土韧性大小。同其他试验研究成果(引入第三相增韧相或大孔隙沥青

13、碎石水泥灌浆混凝土相比,相同脆度系数下采用水泥乳化沥青复合结合料的试件抗折强度高,这表明采用水泥-乳化沥青复合结合料开发半刚性路面材料是一条值得进一步研究的技术途径。试验研究同时也发现:沥青和水泥及沥青和矿料的相互作用以及沥青在混合料中的分散程度都有待进一步提高。对于水泥-乳化沥青复合材料,应从成型工艺上深化研究。在胶砂试验的基础上,通过混凝土性能试验来进一步考察水泥-乳化沥青复合结合料的使用效果,将原材料拌合,进行VC 值测定、成型,在常温下干养32天,最后测定强度和模量。试验结果表明,在水泥乳化沥青胶砂试验中,试件的强度和脆性系数随结合料用量的变化有较大的变化。而混凝土的集料级配不同,达到

14、其最大强度的结合料用量也不相同。也就是说,相同结合料用量条件下混凝土的配合比将会影响强度和变形能力的变化。水泥乳化沥青混凝土随着沥青用量增加,油灰比增大,混凝土的抗弯拉模量显著降低。其中,抗压强度随着沥青的用量的增加而减少,而抗折强度的变化并不大。(1采用外掺剂等措施,降低混凝土的孔隙率,并采用其他措施增强沥青及水泥同矿料之间的相互作用,以进一步提高混凝土的强度。考察不同类型的集料、水泥和不同性质的乳化沥青之间的相互配合以及对混凝土强度和模量的影响。(2全面考察包括强度、模量、耐磨耗、疲劳以及收缩等指标在内的水泥-乳化沥青混凝土的路用功能。(3结合混凝土面层施工的特点,研究结合适合于水泥-乳化

15、沥青复合结合料的混凝土配合比设计方法。(4研究基层与面层力学特性相匹配的真正意义上的半刚性路面设计方法。2.2 环氧沥青混凝土的性能及试验研究环氧沥青混凝土是一种热固性材料,随着时间的增长其强度逐渐增加(即环氧沥青逐渐固化通过对环氧沥青混凝土各方面力学性能的试验研究发现,环氧沥青混凝土具有优良的力学性能而且在低温条件下仍具有很好的变形能力,其强度是普通沥青混凝土或其他桥面铺装用的沥青混合料(SMA 、浇注式沥青混凝土的7-8倍,其温度变形系数接近钢板。因此,环氧沥青混凝土作为钢桥面铺装材料较之其他种类材料具有很大的优越性。东南大学的王晓教授曾撰文环氧沥青混凝土性能研究,通过马歇尔试验、劈裂试验

16、、小梁弯曲试验、动稳定度试验、残留稳定度试验试验等,并和其他材料做了比较分析,其目的主要是考察环氧沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、抗水侵蚀性以及变形特性。而华南理工大学的张顺先教授针对钢桥面铺装环氧沥青混凝土出现的疲劳开裂问题,分析现有设计理论的不足之处。并在断裂力学和能量法原理的基础上,提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比的评价指标,并且通过试验验证了可行性。采用剩余劲度模量比来反映环氧混凝土的疲劳性能,并建立起冲击韧性和剩余劲度模量比之间的关系,为环氧沥青混凝土的设计理论和方法提供了一种新思路。马歇尔试验是一种常用的试验方法,通过它可以确定出沥青混合料的最佳油石比,同时也可以反映出沥

17、青混合料的高温性能,并通过其他试验验证其合理性,以指导工程的实施。按规范的要求,配置5种不同的油石比成型试件。试验分为2组,一组固化,一组未固化,分别进行测试。试验的其他条件均满足规程(JTJ052-2000的要求。从试验结果可以看出,固化后马歇尔稳定度较高,而且未固化试件随龄期的变化强度增加较为明显。试件采用马歇尔试件,温度分别为常温、低温;试件有固化和非固化。从劈裂试验的结果可以看出,固化后试件的强度较之其他材料要高得多,而且随着龄期的增长其强度增加尤为明显,低温时强度高且变形能力较之常温时相差不大,说明这种材料的变形能力具有较好的温度稳定性。小梁弯曲试验用来评价沥青混合料抗弯拉的强度特性

18、和弹性特性,试验用车辙试验板切割成梁式构件,分别在15°C和-15°C条件下进行试验。试验设备为MTS810型液压伺服材料试验系统。从试验结果看出,环氧沥青混凝土的弯曲强度比另外2种沥青混合料的弯曲强度要大得多,常温时变形能力较为接近,但低温时AC改性沥青混合料和SMA变形减小速度很快,环氧沥青混凝土变形虽有所降低但与常温时扔保持在一个数量级上。相对于AC 改性沥青混合料和SMA而言,环氧沥青混凝土除具有较高的强度外,还具有较好的变形能力。环氧混凝土的车辙试验依据规程(JTJ052-2000要求进行,环氧沥青混凝土试件为固化后的试件,试验温度分别为60°C和70&

19、#176;C,同时还与其他材料进行了对比试验,对比结果表明,环氧沥青混凝土的动稳定度远大于其他类型的沥青混合料,在高温下累积变形远小于其他沥青混合料,说明环氧沥青混凝土具有较高的高温稳定性,更适用于钢桥面的铺装。沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水侵蚀后逐渐产生的沥青膜剥离、掉粒、坑槽等破坏能力。对于桥面铺装的沥青混合料,其防水要求更高,以防止水分渗入,影响粘结层与钢板的粘结性能。试验采用最佳油石比成型的试件,分为两种,一种泡水48h,另一种泡水96h,从沥青混合料的残留稳定度试验结果不难看出,环氧沥青混凝土的残留稳定度要比其他类型的沥青混合料要高得多,而且稳定度的数值也大很多,说明环氧沥青混凝土

20、抗水侵蚀的能力很好。从浸泡不同时间的试验结果看出,环氧沥青混凝土96h和48h的残留稳定度没有什么区别,也就是说,水对环氧沥青混凝土基本无侵蚀现象。为了找出冲击韧性和疲劳寿命之间的内在联系和相关性,将15°C和25°C条件下的剩余劲度模量比和冲击韧性值进行汇总,以冲击韧性为横坐标,剩余劲度模量比为纵坐标,用Origin软件进行回归拟合,得到线性方程和相关参数。说明冲击韧性与疲劳寿命之间具有良好的线性相关性,因此冲击韧性可以作为评价环氧沥青混凝土疲劳性能的指标。随着沥青用量的增大和温度的升高,冲击韧性值逐渐增大;两组分环氧沥青混合料沥青用量(油石比的阈值点为6.9%。当沥青含

21、量超过这个值时,冲击韧性增幅减缓。从性价比角度考虑了,建议环氧沥青混合料油石比为6.9%。(1环氧沥青混凝土具有优良的力学性能,较目前采用的其他沥青混合料有着无法比拟的优点和良好的可变形能力。(2环氧沥青混凝土的高温稳定性比其他沥青混合料要好得多,抵抗车辙变形能力优越,常温季节不会发生车辙、拥包等病害。(3环氧沥青混凝土是一种热固性材料,高温时只会变软而不会有多余的沥青渗出,其固化后已不是普通意义上的沥青混凝土,抗油侵蚀能力比其他沥青混合料要强得多,尤其是条件下不易发生破坏。3结语通过这次对沥青混凝土的文献的查阅、阅读、整理,我受益匪浅。从知识层面上,不论是从深度还是从广度上,我都更加了解沥青这种材料的各种性能和性能的应用;从做科学研究思考问题上,我也有了进一步的收获。前人的试验思路文献无疑是我们思想的宝藏,可我们偏偏在学习探究的路上忽视了它们,只是在不得不看的时候才会翻阅浏览。这样是错误的。作为一名研究生,我