胶粉复合改性沥青混凝土路用性能研究

胶粉复合改性沥青混凝土路用性能研究

0混合料设计方案为了实现较大的穿越能力，缩短施工周期，大多数采用交叉、非正装的钢桥板。而其中的桥面铺装作为大跨径钢桥建设中的一项关键技术,因其技术难度与复杂性,而一直未得到很好的解决。中国钢桥面铺装研究与应用始于20世纪80年代的马房大桥,先后使用过双层改性沥青SMA铺装、浇注式沥青混凝土铺装、环氧沥青混凝土铺装等铺装方案。由于钢桥面铺装使用条件的特殊性,在技术上比高等级公路路面在许多方面有更高的要求。而这些技术要求往往是相互矛盾的,因此必须将钢桥面铺装混合料设计与铺装结构设计相结合,首先明确铺装层的功用与特点,再在混合料设计阶段把握重点,综合考虑各性能的相互平衡。目前,中国大跨径钢桥面铺装的早期破坏严重,部分桥梁甚至已经历了第二次大修。铺装的主要破坏形式为:表面的疲劳开裂、铺装层的高温稳定性不足以及粘结层的失效等。在现有桥梁铺装材料普遍出现问题后,广大技术人员不断尝试新的铺装方案及新材料。其中,交通部公路科学研究所从2000年开始,开发了双层胶粉复合改性密级配沥青混凝土的钢桥面铺装方案,并相继在广东马房大桥、武汉绕城公路豹澥互通匝道桥上进行了实施,取得较好的效果。1橡胶粉混合混合料的路用性能1.1与其他原料的混合物将废胶粉(CRM)应用于沥青路面的技术主要分湿拌法(wetprocess)与干拌法(dryprocess)2大类。其区别在于:湿拌法是先将胶粉(CRM)与沥青拌和,制成一种称为沥青橡胶(asphaltrubber)的改性沥青,然后再与石料拌和;干拌法是将CRM直接喷入拌缸中与沥青、石料一起拌和,制成胶粉改性沥青混合料(Rubbermodifiedhotmixasphaltconcrete),简称RUMAC。2种方法在作用机理上存在差别,但目的是一致的,即在掺量、细度及其他条件合适的情况下来改善沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及疲劳性能。中国钢桥铺装普遍采用双层SBS改性沥青SMA铺装结构,如虎门大桥、海沧大桥等。在许多钢桥面铺装工程相继出现问题后,对SBS改性沥青提出了更高的要求。另一方面,沥青各指标之间相互制约,过分强调高温性能会导致抗裂性不足。胶粉的加入与沥青发生复杂的物理化学作用,在改善沥青性能的同时,又作为填料而改变混合料的体积特性。导致高温性能提高,沥青混合料析漏减少,抗裂性能增加。1.2最佳油石比确定试验结果选用玄武岩石料,壳牌改性沥青Caribit,SAC13级配(表1),采用干拌法,按沥青质量的10%、20%、30%掺入100目橡胶粉进行各混合料马歇尔击实试验。击实温度155℃~160℃,击实次数为双面75次/面,试验结果见表2。由表2试验数据看出:在相同油石比下,随着混合料胶粉掺量的增加,其空隙率、矿料间隙率减小,饱和度增加;马歇尔试验的稳定度降低,流值减少。表3为根据以上试验结果,各混合料最佳油石比的确定。最佳油石比确定的方法主要有2种:一种是按现行规范的方法;另一种是按空隙率4%确定最佳油石比。2种方法确定的油石比并不相同,后者确定的油石比小于前者。1.3胶粉掺量对残留稳定度的影响根据马歇尔试验结果,按4%空隙率确定的最佳油石比进行不同胶粉掺量的混合料水稳定性试验。冻融劈裂试验和残留稳定度试验结果分别如表4、表5。由试验结果可以看出,随着胶粉掺量的增加(从0%~30%),混合料的稳定度和劈裂强度均有所降低,但劈裂强度的比值TSR和残留稳定度却明显提高。TSR从没掺胶粉时的89.64%提高到掺30%胶粉时的95.03%,残留稳定度从92.26%提高到99.12%。说明掺加胶粉后,混合料的水稳定性有所改善。1.4胶粉掺量的影响表6为最佳油石比下,不同胶粉掺量时混合料的动稳定度和相对变形,试验温度为70℃。这里,相对变形是指车轮连续作用3000次后,试件的总变形与试件总高度(5cm)的比值。由以上试验看出,随着胶粉掺量的增加,混合料的动稳定度明显增加,相对变形减少。如:胶粉含量为10%时,混合料的动稳定度增加近1倍;当胶粉掺量为20%时,相对变形减少近1/2。由此说明,添加胶粉后沥青混合料的高温稳定性明显改善。1.5胶粉掺量对混合料破坏应变的影响表7为不同胶粉掺量下混合料低温小梁弯曲试验结果(试验温度-10℃,加载速率50mm/min)。从表中看出随着胶粉掺量的增加,混合料破坏应变明显增加,破坏劲度减少。说明掺加胶粉对改善沥青混合料低温性质十分显著。综合以上试验分析,可以认为:胶粉的添加对沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温性能的改善十分显著。2胶粉+pe复合改性沥青桥面铺装技术早在1989年的马房桥的第一次翻修中即采用胶粉与PE的复合改性沥青作为粘层使用。1995年,北京路翔技术发展有限责任公司在北京小红门和广东韶关地区323国道上用胶粉+PE复合改性沥青试铺了4km的路面,效果良好。随后的1996年,西陵长江大桥采用胶粉与PE的复合改性沥青作为粘结剂进行桥面铺装。以上工程的使用均为湿拌法,下面结合广东马房大桥、武汉豹澥互通桥2座的桥面铺装工程,介绍干拌法的胶粉复合改性沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用。2.1第一次修缮和车辙试验马房大桥位于广东省肇庆市四会县,横跨北江,是324国道和321国道的重要咽喉通道。该桥为公路、铁路两用桥,公路桥与铁路桥平行支撑在同一桥墩上。马房桥为14孔64m简支钢箱梁,正交异性钢桥面板,钢桥面板厚12mm,每隔2m设置一道横梁,采用开口“L”型纵肋,全长919.6m。1984年建成,目前变形挠度大,横向变形达到1mm。大桥刚建成时的铺装结构为:环氧铝粉漆+环氧煤焦油+阿油氯丁胶乳改性沥青混凝土,铺装的厚度为7cm。通车运营3个月后,铺装即出现横向、斜向的裂缝,并可见到钢板。导致病害的原因:一方面是由于钢板与沥青混凝土层没有粘接好引起;另一方面也与沥青混合料抗疲劳、抗冲击、热稳性不足有关。为此,1989年对桥面铺装进行第一次翻修。翻修时,首先在1个跨上铺设试验路段,其铺装方案是:环氧沥青漆+阿油改性沥青(阿油+PE+20%30目左右的胶粉)的粘接层+7cm沥青混凝土(2层),在接头处沥青混凝土中掺加钢纤维。到第二次翻修前,试验路段除了纵向裂缝和泛油外基本完好,可以认为设计方案基本上是成功的。但是,大规模施工后,效果不理想,说明施工质量是影响铺装质量的关键。从现有试验路段的损坏情况看(尽管总体上是比较好的),主要是纵向裂缝和泛油、车槽。在2001年的第二次维修中,由交通部公路科学研究所承担了桥面的铺装设计工作。设计中采用了双层胶粉复合改性密级配SAC的铺装方案。同时,结合铺装工程的实施进行大量室内与现场的对比试验,这包括:使用了环氧富锌与环氧沥青漆,有无强力胶层,掺加2种纤维及不加纤维的对比,上面层预锯缝与不预锯缝处理。经过室内试验研究,最终确定的铺装主方案从下到上依次为:环氧富锌漆、改性沥青防水层、30%胶粉与SBS复合改性SAC10、玻纤格栅、改性沥青防水层、30%胶粉与SBS复合改性SAC13,整个铺装厚度为8cm。目前,该桥已通车4年多,从实际使用效果看,马房桥的铺装方案有效解决了这2个问题。表8为马房桥铺装材料的室内车辙试验结果,可以看出几种掺加胶粉的混合料动稳定度水平较高。图1是马房桥行车道实测的车辙变化曲线,整个桥分为3段统计分析。从总的来看,尽管马房桥的交通量很大,气候条件不利,但全桥的铺装层车辙深度都比较小。使用2年后极端最大车辙深度5m,3段车辙深度平均在2.9m左右。从3段的车辙比较看,第三段最小,第一段最大,第二段居中。从每个时间段的检测结果看,2001年夏季通车期间,车辙发展比较快。目前,马房桥铺装的病害有:分布于重车道、沿着轮迹带的纵向裂缝(图2),裂缝在横隔板处断开,呈不连续分布,同时裂缝的位置与纵肋一致。这种纵向裂缝的产生不但与材料本身有关,还与钢箱梁桥的结构特点及汽车轮胎边缘应力集中等因素有关。另外,当时为弥补SBS改性沥青的高温稳定性不足,使用了建筑用固体沥青,这也加速了裂缝的出现。在裂缝处进行跨缝钻芯(图3),由芯样可以看出,裂缝集中于上面层。日本学者针对纵裂问题调查日本50多座钢桥面铺装的使用情况,也得到了相同的结论。2.2基于气候特征的铺装设计豹澥互通是武汉绕城公路的终点,也是京珠高速公路和沪蓉高速公路的交汇点。E匝道2号桥属于豹澥互通E匝道的一部分,全长142m,桥跨布置为(40+62+40)m3跨连续梁。豹澥互通匝道桥的桥面板按正交异性板设计,板厚为14m。豹澥互通的桥面铺装方案是在充分借鉴马房桥铺装的成功经验基础上,结合武汉地区气候特征及豹澥互通匝道桥的结构特点而提出的。为平衡高温稳定性与抗裂性的矛盾,进一步提高铺装结构的耐久性,在马房桥铺装结构的基础上,作如下调整:(1)马房桥铺装方案中,为提高70℃的动稳定度,在混合料中掺加30%的精细橡胶粉,根据西部交通建设科技项目《废旧橡胶粉用于筑路的技术研究》的研究成果,将胶粉的添加量调整为20%,并规定采用80目斜胶胎胶粉。(2)马房桥铺装对比中,添加与不添加纤维的铺装方案在车辙与裂缝方面差别不明显,因此本方案取消添加纤维。(3)考虑到铺装厚度(6.5cm)的减少,本铺装方案采用双层胶粉复合改性沥青SAC10结构。铺装下层仍为SAC10Ⅰ,上层为SAC10Ⅱ,与SAC10Ⅰ相比该级配4.75的通过率降低了5%。(4)细集料采用石灰岩,一方面降低了混合料油石比,另一方面提高了水稳定性。(5)在设计空隙率方面,下面层为2%~3%;上面层为4%~5%。根据以上铺装方案,室