淺談瀝青混凝土在道路工程上的應(yīng)用及改進(jìn)措施

1、淺談瀝青路面的耐久性及改進(jìn)措施劉夢(mèng)蕓1(1.燕山大學(xué),河北秦皇島066000摘要:瀝青路面有多種損害類型,針對(duì)不同原因的損壞,利用新興技術(shù)研究成果改進(jìn)現(xiàn)有材料,以滿足使用功能,延長(zhǎng)其使用壽命。本文根據(jù)實(shí)際情況分析瀝青混凝土的破損形式和對(duì)改性瀝青材料及瀝青混合料的探究和試驗(yàn)分析。關(guān)鍵詞:瀝青;耐久;破損中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào):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引言瀝青路面具有行車平穩(wěn)、舒適、噪聲低、養(yǎng)護(hù)維修方便、可以再生利用等特點(diǎn),在各類公路和城市道路,尤其是高等級(jí)公路中得以廣泛使用。對(duì)路面或路面設(shè)計(jì)的最基本要求是耐久、平整和抗滑。耐久指的是路面具有足夠長(zhǎng)的使用壽命,要求整個(gè)路面結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和抗變形能力;平整和抗滑使路面的行駛更舒適安全,尤其對(duì)于高速公路而言。瀝青混凝土是公路、城市道路的主要鋪面材料,直接承受車輪荷載和各種自然因素的影響:如日照、溫度、空氣、雨水等,其性能和狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化,以至影響路面的使用性能和使用壽命。相對(duì)于整個(gè)公路的壽命而言,路面的壽命是短暫的,通常設(shè)計(jì)

4、壽命只有15-20年。隨著交通量的增加,維護(hù)費(fèi)用在整個(gè)工程造價(jià)中所占比例越來(lái)越大。并且路面維修嚴(yán)重影響了道路通行,并經(jīng)常引發(fā)惡性交通事故。因此,越來(lái)越多的國(guó)家把路面的設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng),并且提出了永久性路面的設(shè)計(jì)理念。本文從瀝青材料的性質(zhì)出發(fā),歸納總結(jié)了大量前人所做的關(guān)于瀝青材料性能的試驗(yàn),探討如何配置應(yīng)用瀝青材料,以求達(dá)到延長(zhǎng)路面的壽命的目的。1瀝青混凝土的路用功能瀝青路面中使用的瀝青材料主要為道路石油瀝青,它是采用不同的煉制工藝由原油經(jīng)過(guò)蒸餾獲得的粘稠瀝青。為了使用和施工的需要,在粘稠瀝青中摻加柴油,煤油或汽油等溶劑配置成慢凝、中凝或快凝液體石油瀝青,也可以將瀝青分散在乳化劑水溶液中制成乳化瀝青

5、。在重載交通道路或有特殊要求的瀝青路面上應(yīng)用高性能改性瀝青。本節(jié)主要探究瀝青路面的破壞類型和路用要求。1.1瀝青路面的損壞類型及對(duì)瀝青混合料的基本要求在公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程(JTJ 059中,T0974規(guī)定了瀝青路面破損類型如下:裂縫類破損:包括龜裂、塊裂及各種單根裂縫等變形類破損:包括車轍、沉陷、擁包、波浪等松散類破損:包括掉粒、松散、剝落、脫皮等引起的集料散失、坑槽等;其他破損:包括泛油、磨光等。其中高等級(jí)公路瀝青路面上常見(jiàn)的損壞現(xiàn)象主要有裂縫、車轍、松散剝落和表面磨光等。裂縫是瀝青路面的最主要破損之一。主要分為荷載類和非荷載類。荷載類裂縫在沈金安主編的2001年出版的瀝青及瀝青混合料

6、路用功能一書(shū)指出,非荷載類主要是溫縮裂縫和半剛性基層開(kāi)裂引起的反射性裂縫,后經(jīng)筆者查閱資料認(rèn)為“溫縮裂縫”一詞,作為瀝青出現(xiàn)裂縫的非荷載類中的主要原因是不確切的。梅迎軍教授在水-溫-荷耦合作用下探究了對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命的影響。研究結(jié)果表明:在應(yīng)變模式下,溫度對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命的影響不明顯,揭示了瀝青混凝土應(yīng)變疲勞過(guò)程與溫度無(wú)關(guān)的規(guī)律;對(duì)于未凍融的粗級(jí)配瀝青混凝土,其疲勞壽命隨溫度的提高而明顯的縮短。經(jīng)過(guò)一次凍融循環(huán)后,在同一應(yīng)力下比疲勞壽命降低約10%-35%,而在同一應(yīng)力水平下疲勞壽命降低約75%-80%。因?yàn)榈蜏氐貐^(qū)時(shí)常也會(huì)伴有降雪,日間溫度升高,冰雪融于空隙中,后夜間溫度驟降,裂縫開(kāi)

7、展?；鶎臃瓷淞芽p是指半剛性基層先于瀝青面層開(kāi)裂,在荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的共同作用下,在基層裂縫開(kāi)裂處的面層底部產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致面層底部在上方大體相對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)裂,而后逐漸向上或向下擴(kuò)展而使裂縫貫穿。半剛性基層的開(kāi)裂通常由溫縮或干縮引起,多數(shù)情況是在基層鋪筑后,由于未及時(shí)按規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)或由于未及時(shí)鋪筑瀝青面層后,路面在使用過(guò)程中,由于溫度驟變,當(dāng)基層內(nèi)的日溫差超過(guò)某一范圍,致使溫度應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)而開(kāi)裂。車轍是渠化交通的高等級(jí)公路瀝青路面的主要損壞之一。當(dāng)車轍達(dá)到一定深度時(shí),又有車槽內(nèi)積水,極易發(fā)生汽車飄滑而導(dǎo)致交通事故。瀝青路面的車轍分為三種類型:(1由路面基層及路基變形引起的。(2溫度較

8、高時(shí),經(jīng)車輛反復(fù)碾壓產(chǎn)生永久變形和塑性流動(dòng)而逐漸形成的瀝青混凝土的側(cè)向流動(dòng)變形。容易發(fā)生在上坡路段、交叉口附近,即車速慢、輪胎接地發(fā)生的橫向應(yīng)力大的地方。(3冬季埋釘輪胎形成的磨損性車轍,在北歐國(guó)家常見(jiàn)。但有一種在我國(guó)常見(jiàn)發(fā)生的車轍國(guó)外很少發(fā)生。它是由于瀝青路面本身的壓密造成的。近年來(lái),有些高速公路施工受排名搶險(xiǎn)的思想驅(qū)動(dòng),片面追求平整度,在降低溫度后碾壓,造成壓實(shí)度不足,致使通車后第一個(gè)高溫季節(jié)混合料繼續(xù)壓密,路面產(chǎn)生壓實(shí)變形,同時(shí)平整度迅速下降,進(jìn)而形成明顯的車轍。水損害是指在水的作用下,瀝青逐漸喪失與礦料的粘結(jié)力,從礦料表面脫落,在車輛的作用下瀝青面層呈現(xiàn)松散狀態(tài),以致骨料從路面脫落形成

9、坑槽。產(chǎn)生松散菠蘿的另一種可能性是由于施工中混合料加熱溫度過(guò)高,致使瀝青老化失去粘性。有多種原因會(huì)導(dǎo)致水損害,雖然我國(guó)已經(jīng)制定了路面滲水系數(shù)的試驗(yàn)方法,以規(guī)定水頭壓力下水在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定面積的路面深入下層的數(shù)量表示,但是尚缺乏這方面的控制指標(biāo)值。瀝青路面在使用過(guò)程中,在車輪的反復(fù)滾動(dòng)摩擦下,集料表面被逐漸磨光,有時(shí)還伴有瀝青的不斷上翻、泛油,導(dǎo)致瀝青面層表面光滑,尤其是雨季容易造成車禍。這種現(xiàn)象與采用了敏感性比較大的瀝青混合料級(jí)配類型有關(guān),表面磨光的內(nèi)在原因是集料質(zhì)地軟弱,缺少棱角,或礦料級(jí)配不當(dāng),粗集料尺寸偏小,細(xì)料偏多或?yàn)r青用量偏多等。1.2瀝青混合料的路用性能的要求根據(jù)以上瀝青路面破

10、壞原因分析,瀝青混合料的路用性能應(yīng)滿足下列基本要求:(1足夠的高溫穩(wěn)定性(2良好的低溫抗裂性(3良好的耐久性(4良好的水穩(wěn)性(5足夠的抗滑能力(6良好的防滲水能力2 對(duì)改性瀝青材料及瀝青混合料的探究和試驗(yàn)分析上面分析了瀝青路面出現(xiàn)的各種病害,以及影響的原因,針對(duì)上面的問(wèn)題,本節(jié)主要通過(guò)分析前人所做的大量試驗(yàn)來(lái)討論探究新型的材料和配比應(yīng)用于路面的效果。改性瀝青,是指在基本石油瀝青中加入某些改性材料,比如樹(shù)脂類高聚物、橡膠類高聚物、微細(xì)粉填料、纖維類填料、硫磷類改性劑等。下面結(jié)合我國(guó)常采用的半剛性面層的實(shí)例談下半剛性面層的改性瀝青的研究。2.1半剛性面層材料試驗(yàn)探索目前傳統(tǒng)的路面面層形式主要有兩類

11、:瀝青類柔性面層和水泥混凝土類剛性面層。普通瀝青類面層溫度敏感大,易老化,易產(chǎn)生車轍等病害。水泥混凝土類面層剛度大,變形能力差,一旦基層、地基等支承條件發(fā)生變化,容易出現(xiàn)斷板等病害,且修復(fù)困難。為了改善普通瀝青類面層和水泥混凝土面層的缺陷,改性瀝青,纖維增強(qiáng)混凝土等技術(shù)的研究能夠正在發(fā)展之中。同時(shí)為了從根本上解決這兩類問(wèn)題,剛性材料柔性化和柔性材料剛性化,開(kāi)發(fā)真正意義上半剛性面層材料的研究思路日益受到人們的重視。此類材料的研究開(kāi)發(fā)工作,或是在瀝青中摻入水泥、石灰,或采用瀝青、水泥分層包裹骨料的方法以期獲得半剛性、半柔性類面層材料;或采用大空隙瀝青混合料母體灌入水泥砂漿或水泥凈漿,形成水泥灌漿瀝

12、青混凝土技術(shù)。有關(guān)研究表明,混凝土的強(qiáng)度和模量同骨料種類、強(qiáng)度有密切關(guān)系,但是工程實(shí)際中骨料的選擇往往是確定的。對(duì)于確定的骨料而言,在其級(jí)配固定的前提下,混合料的性質(zhì)主要決定于結(jié)合料的性質(zhì)及用量。影響復(fù)合結(jié)合料膠砂強(qiáng)度的可能因素主要有水灰比、瀝青與水泥用量比、成型工藝、養(yǎng)生條件、瀝青和水泥的種類與用量等。通過(guò)膠砂試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析:乳化瀝青用量增加,油灰比增大,膠砂試件的變形能力增加,脆度系數(shù)減小。采用水泥-乳化瀝青復(fù)合結(jié)合料可以降低面層材料的剛度。試件的脆度系數(shù)隨結(jié)合料用量的變化有較大變化。相同結(jié)合料用量條件下,混凝土配合比將會(huì)影響混凝土韌性大小。同其他試驗(yàn)研究成果(引入第三相增韌相或大孔隙瀝青

13、碎石水泥灌漿混凝土相比,相同脆度系數(shù)下采用水泥乳化瀝青復(fù)合結(jié)合料的試件抗折強(qiáng)度高,這表明采用水泥-乳化瀝青復(fù)合結(jié)合料開(kāi)發(fā)半剛性路面材料是一條值得進(jìn)一步研究的技術(shù)途徑。試驗(yàn)研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn):瀝青和水泥及瀝青和礦料的相互作用以及瀝青在混合料中的分散程度都有待進(jìn)一步提高。對(duì)于水泥-乳化瀝青復(fù)合材料,應(yīng)從成型工藝上深化研究。在膠砂試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)混凝土性能試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步考察水泥-乳化瀝青復(fù)合結(jié)合料的使用效果,將原材料拌合,進(jìn)行VC 值測(cè)定、成型,在常溫下干養(yǎng)32天,最后測(cè)定強(qiáng)度和模量。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水泥乳化瀝青膠砂試驗(yàn)中,試件的強(qiáng)度和脆性系數(shù)隨結(jié)合料用量的變化有較大的變化。而混凝土的集料級(jí)配不同,達(dá)到

14、其最大強(qiáng)度的結(jié)合料用量也不相同。也就是說(shuō),相同結(jié)合料用量條件下混凝土的配合比將會(huì)影響強(qiáng)度和變形能力的變化。水泥乳化瀝青混凝土隨著瀝青用量增加,油灰比增大,混凝土的抗彎拉模量顯著降低。其中,抗壓強(qiáng)度隨著瀝青的用量的增加而減少,而抗折強(qiáng)度的變化并不大。(1采用外摻劑等措施,降低混凝土的孔隙率,并采用其他措施增強(qiáng)瀝青及水泥同礦料之間的相互作用,以進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度?？疾觳煌愋偷募稀⑺嗪筒煌再|(zhì)的乳化瀝青之間的相互配合以及對(duì)混凝土強(qiáng)度和模量的影響。(2全面考察包括強(qiáng)度、模量、耐磨耗、疲勞以及收縮等指標(biāo)在內(nèi)的水泥-乳化瀝青混凝土的路用功能。(3結(jié)合混凝土面層施工的特點(diǎn),研究結(jié)合適合于水泥-乳化

15、瀝青復(fù)合結(jié)合料的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。(4研究基層與面層力學(xué)特性相匹配的真正意義上的半剛性路面設(shè)計(jì)方法。2.2 環(huán)氧瀝青混凝土的性能及試驗(yàn)研究環(huán)氧瀝青混凝土是一種熱固性材料,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其強(qiáng)度逐漸增加(即環(huán)氧瀝青逐漸固化通過(guò)對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土各方面力學(xué)性能的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能而且在低溫條件下仍具有很好的變形能力,其強(qiáng)度是普通瀝青混凝土或其他橋面鋪裝用的瀝青混合料(SMA 、澆注式瀝青混凝土的7-8倍,其溫度變形系數(shù)接近鋼板。因此,環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝材料較之其他種類材料具有很大的優(yōu)越性。東南大學(xué)的王曉教授曾撰文環(huán)氧瀝青混凝土性能研究,通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)

16、、小梁彎曲試驗(yàn)、動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)試驗(yàn)等,并和其他材料做了比較分析,其目的主要是考察環(huán)氧瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水侵蝕性以及變形特性。而華南理工大學(xué)的張順先教授針對(duì)鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土出現(xiàn)的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題,分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論的不足之處。并在斷裂力學(xué)和能量法原理的基礎(chǔ)上,提出以沖擊韌性作為環(huán)氧瀝青混凝土配合比的評(píng)價(jià)指標(biāo),并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。采用剩余勁度模量比來(lái)反映環(huán)氧混凝土的疲勞性能,并建立起沖擊韌性和剩余勁度模量比之間的關(guān)系,為環(huán)氧瀝青混凝土的設(shè)計(jì)理論和方法提供了一種新思路。馬歇爾試驗(yàn)是一種常用的試驗(yàn)方法,通過(guò)它可以確定出瀝青混合料的最佳油石比,同時(shí)也可以反映出瀝

17、青混合料的高溫性能,并通過(guò)其他試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性,以指導(dǎo)工程的實(shí)施。按規(guī)范的要求,配置5種不同的油石比成型試件。試驗(yàn)分為2組,一組固化,一組未固化,分別進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)的其他條件均滿足規(guī)程(JTJ052-2000的要求。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,固化后馬歇爾穩(wěn)定度較高,而且未固化試件隨齡期的變化強(qiáng)度增加較為明顯。試件采用馬歇爾試件,溫度分別為常溫、低溫;試件有固化和非固化。從劈裂試驗(yàn)的結(jié)果可以看出,固化后試件的強(qiáng)度較之其他材料要高得多,而且隨著齡期的增長(zhǎng)其強(qiáng)度增加尤為明顯,低溫時(shí)強(qiáng)度高且變形能力較之常溫時(shí)相差不大,說(shuō)明這種材料的變形能力具有較好的溫度穩(wěn)定性。小梁彎曲試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗彎拉的強(qiáng)度特性

18、和彈性特性,試驗(yàn)用車轍試驗(yàn)板切割成梁式構(gòu)件,分別在15°C和-15°C條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為MTS810型液壓伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)。從試驗(yàn)結(jié)果看出,環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲強(qiáng)度比另外2種瀝青混合料的彎曲強(qiáng)度要大得多,常溫時(shí)變形能力較為接近,但低溫時(shí)AC改性瀝青混合料和SMA變形減小速度很快,環(huán)氧瀝青混凝土變形雖有所降低但與常溫時(shí)扔保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。相對(duì)于AC 改性瀝青混合料和SMA而言,環(huán)氧瀝青混凝土除具有較高的強(qiáng)度外,還具有較好的變形能力。環(huán)氧混凝土的車轍試驗(yàn)依據(jù)規(guī)程(JTJ052-2000要求進(jìn)行,環(huán)氧瀝青混凝土試件為固化后的試件,試驗(yàn)溫度分別為60°C和70&

19、#176;C,同時(shí)還與其他材料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),對(duì)比結(jié)果表明,環(huán)氧瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于其他類型的瀝青混合料,在高溫下累積變形遠(yuǎn)小于其他瀝青混合料,說(shuō)明環(huán)氧瀝青混凝土具有較高的高溫穩(wěn)定性,更適用于鋼橋面的鋪裝。瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指抵抗受水侵蝕后逐漸產(chǎn)生的瀝青膜剝離、掉粒、坑槽等破壞能力。對(duì)于橋面鋪裝的瀝青混合料,其防水要求更高,以防止水分滲入,影響粘結(jié)層與鋼板的粘結(jié)性能。試驗(yàn)采用最佳油石比成型的試件,分為兩種,一種泡水48h,另一種泡水96h,從瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果不難看出,環(huán)氧瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度要比其他類型的瀝青混合料要高得多,而且穩(wěn)定度的數(shù)值也大很多,說(shuō)明環(huán)氧瀝青混凝土

20、抗水侵蝕的能力很好。從浸泡不同時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果看出,環(huán)氧瀝青混凝土96h和48h的殘留穩(wěn)定度沒(méi)有什么區(qū)別,也就是說(shuō),水對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土基本無(wú)侵蝕現(xiàn)象。為了找出沖擊韌性和疲勞壽命之間的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性,將15°C和25°C條件下的剩余勁度模量比和沖擊韌性值進(jìn)行匯總,以沖擊韌性為橫坐標(biāo),剩余勁度模量比為縱坐標(biāo),用Origin軟件進(jìn)行回歸擬合,得到線性方程和相關(guān)參數(shù)。說(shuō)明沖擊韌性與疲勞壽命之間具有良好的線性相關(guān)性,因此沖擊韌性可以作為評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能的指標(biāo)。隨著瀝青用量的增大和溫度的升高,沖擊韌性值逐漸增大;兩組分環(huán)氧瀝青混合料瀝青用量(油石比的閾值點(diǎn)為6.9%。當(dāng)瀝青含

21、量超過(guò)這個(gè)值時(shí),沖擊韌性增幅減緩。從性價(jià)比角度考慮了,建議環(huán)氧瀝青混合料油石比為6.9%。(1環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能,較目前采用的其他瀝青混合料有著無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)和良好的可變形能力。(2環(huán)氧瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性比其他瀝青混合料要好得多,抵抗車轍變形能力優(yōu)越,常溫季節(jié)不會(huì)發(fā)生車轍、擁包等病害。(3環(huán)氧瀝青混凝土是一種熱固性材料,高溫時(shí)只會(huì)變軟而不會(huì)有多余的瀝青滲出,其固化后已不是普通意義上的瀝青混凝土,抗油侵蝕能力比其他瀝青混合料要強(qiáng)得多,尤其是條件下不易發(fā)生破壞。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)這次對(duì)瀝青混凝土的文獻(xiàn)的查閱、閱讀、整理,我受益匪淺。從知識(shí)層面上,不論是從深度還是從廣度上,我都更加了解瀝青這種材料的各種性能和性能的應(yīng)用;從做科學(xué)研究思考問(wèn)題上,我也有了進(jìn)一步的收獲。前人的試驗(yàn)思路文獻(xiàn)無(wú)疑是我們思想的寶藏,可我們偏偏在學(xué)習(xí)探究的路上忽視了它們,只是在不得不看的時(shí)候才會(huì)翻閱瀏覽。這樣是錯(cuò)誤的。作為一名研究生,我