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          鋼橋面鋪裝用新型高黏瀝青及瀝青混合料的研究



          摘要

          本文使用的新型速溶高黏改性劑在 185℃溫度下,只通過攪拌就可以溶化,不需要進行剪切。文章介紹適用于鋼橋面鋪裝用實驗室自主研發的新型高黏瀝青的性能試驗與高黏瀝青混合料的研究。瀝青性能試驗表明,高黏瀝青具有較高的粘結性并且不影響施工和易性。與SBS改性瀝青相比,具有較高的彈性恢復能力,能夠更好地適應鋼橋面的變形,流變性能良好。瀝青混合料試驗結果表明高黏瀝青混合料路用性能有優異。實際工程應用結果證明,高黏瀝青混合料作為鋼橋面鋪裝材料的適用性。


           

          關鍵詞:橋面鋪裝 | 高黏瀝青 | 瀝青混合料 | 路用性能


          近幾十年來,隨著公路橋梁建設迅速發展,我國建設大量的大跨徑橋梁。對于橋梁建設,在橋面鋪裝材料的開發應用尚未給予足夠重視。目前國內針對大型鋼橋開發的高黏瀝青技術應用效果較好 [1, 2]。

          國內對高黏瀝青的應用相對較晚,早期的一些工程中主要采用TPS改性劑 [3, 4]。在近幾年,國內學者投入大量的精力進行高黏瀝青開發工作 [5]。由于其優異的路用性能,國內在一些大型橋面鋪裝中逐漸采用高黏瀝青技術 [6, 7]。與普通改性瀝青相比,高黏瀝青具有更高的黏韌性,用于黏結層時效果顯著 [8, 9];由于高黏瀝青黏度高,用以制備的瀝青混合料在施工性能和綜合性能等方面都具有優勢 [10]。

          本文旨在研究自主開發的新型高黏瀝青的性能,設計適合大型鋼橋橋面鋪裝的SMA-10混合料,并對其綜合路用性能及實際應用進行研究。



          高黏瀝青的制備

          原材料

          本試驗使用的基質瀝青為齊魯70#A級道路石油瀝青,其基本技術指標試驗結果如表 1 所示。高黏改性劑為實驗室自主研發高黏改性劑,在185℃溫度下,只通過攪拌就可以溶化,不需要進行剪切。與市面常見高黏改性劑相比,具有高溫易溶化、分散更均勻的特點,瀝青改性效果更好。穩定劑采用實驗室常用的硫磺穩定劑,可以促進改性劑與瀝青之間更好融合,減少高黏瀝青離析并提升改性瀝青的部分性能。



          改性瀝青制備工藝

          將基質瀝青先在烘箱加熱,然后在電熱套中加熱至185℃,保持溫度不變,加入高黏改性劑,在攪拌機中均勻攪拌 50min,高黏改性劑完全溶化后加入穩定劑,185℃恒溫發育 2.5h,即制得高黏瀝青。



          高黏瀝青的性能試驗

          基本性能試驗

          基本物理性能試驗

          根據中國 JTG E20-2011 試驗規程對實驗室自主研制的高黏瀝青進行各種瀝青試驗,以評估其物理力學性能。其技術指標見表 2。由表 2 看出,與SBS改性瀝青相比,高黏瀝青的針入度較小,表明高黏瀝青高溫性能越好;5℃下高黏瀝青的延度值較大,說明其抗拉性能更好,抵抗低溫開裂的能力更強。此高黏瀝青的離析軟化點差為 1.2℃,離析較小,說明穩定劑的加入確實提高了高黏瀝青的儲存穩定性,滿足高黏瀝青施工運輸和儲存的要求。高黏瀝青的 60℃動力黏度高達191300Pa·s,遠遠大于 SBS改性瀝青。在高黏瀝青的60℃動力黏度很高的情況下,175℃布氏黏度在 0.5Pa·s左右,滿足施工和易性要求,保證了瀝青的施工質量。



          流變性能試驗

          溫度掃描試驗

          通過動態剪切流變儀(DSR)對高黏瀝青和SBS改性瀝青進行溫度掃描試驗。動態剪切流變儀(DSR)采用10rad/s的加載速率,測得高黏瀝青滿足PG-82的要求,測試結果見表 3。






          Matest-Pavetest的BBR是一種熱電型低溫瀝青彎曲梁流變儀,用于測試瀝青膠結料在室溫到-40℃(±0.03℃)的彎曲蠕變試驗。 荷載由微型 伺服控制作動器施加,可施加+25N的負載,加載頻率可以從靜態到動態25Hz,無需配置空壓機供應壓縮空氣。瀝青彎曲梁流變儀通過 伺服控制,不需要頻繁校準以及重復調節空氣軸承的壓力。 只需輸入所需的荷載數值,伺服控制的作動器就會以難以置信的 精度施加并保持所設定的荷載。 使用安裝在機器正面的溫度控制器可以非常準確地控制溫度。用戶可以使用控制器或通過軟件設置 浴溫。瀝青彎曲梁流變儀系統的核心是Matest-Pavetest的控制和數據采集系統(CDAS2)和(TestLab)軟件。


          由表4可以得出,相同溫度下,高黏瀝青的S值要小于SBS改性瀝青,m 值大于SBS改性瀝青,說明相比SBS改性瀝青,高黏瀝青消解自身溫度應力的能力更強,低溫性能更優。該高黏瀝青蠕變勁度滿足-28℃的要求,達到了PG分級中PG-28 的要求。



          瀝青混合料路用性能研究

          高溫穩定性能

          本研究采用 60℃車轍試驗對瀝青混合料的高溫穩定性能進行評價,試驗結果如圖 1 所示




          對比車轍試驗結果可以發現,高黏瀝青混合料的車轍深度較低,動穩定度值更高。表明高黏瀝青混合料具有較好的高溫穩定性。


          低溫抗裂性能

          本文采用低溫小梁彎曲試驗進行研究,試驗結果如圖 2 所示




          由圖2可知高黏瀝青混合料的抗彎拉強度比SBS改性瀝青混合料高 16.5%,彎曲應變比SBS改性瀝青混合料大51.4%。高黏瀝青混合料表現出更好的抗低溫開裂能力。


          水穩定性能

          研究采用凍融劈裂試驗 TSR 值評價瀝青混合料的水穩定性。TSR值越高,抗水損害能力越強。表5所示的高黏瀝青混合料的TSR值比SBS改性瀝青混合料的TSR值高約 11%。91.57% 的數值表明,即使在凍融循環過程中,高黏瀝青混合料試件只是出現了很小的水損害。




          工程應用

          本研究開發的高黏瀝青于2021年,在東營勝利黃河大橋橋面鋪裝改造工程中得到應用。根據國內外鋼橋面鋪裝的工程經驗和新的科研成果,修補方案為上層100px 厚高黏SMA-10+下層137.5px 厚高性能混凝土(UHPC)。




          現場觀測結果顯示高黏瀝青混合料SMA-10由于粗集料與細集料比例合理,相應的表面構造深度滿足要求;高黏瀝青混合料SMA-10的空隙率、滲水系數、摩擦性能均能夠滿足鋼橋面鋪裝的要求,使得面層具有良好抗滑性和耐磨性能?,F場鋪裝效果較好,證明高黏瀝青作為鋼橋橋面鋪裝材料的適用性。



          結論

          本文介紹一種用于鋼橋面鋪裝的高黏瀝青和高黏瀝青混合料。在實驗室對自主研發的高黏瀝青進行性能試驗評價,并在實際橋面鋪裝改造工程中進行應用。在此基礎上,得出以下結論:

          1)自主研發的高黏瀝青只需通過攪拌可以制得,不需要進行剪切,并且有很好的高低溫性能,儲存穩定性良好。

          2)混合料試驗表明,高黏瀝青混合料具有良好的路用性能。高黏瀝青混合料的60℃動穩定度、彎曲應變、TSR分別高于SBS改性瀝青混合料39.5%、51.4%、11%。

          3)實際工程應用良好證明高黏瀝青作為鋼橋面鋪裝材料的實用性。

           

          參考文獻:

          [1] 莫恩華,研究大跨徑橋梁鋼橋面的鋪裝設計 [J]. 公路交通科技(應用技術版), 2019, 11): 127-128, 152.

          [2] 呂大春、曾夢瀾、劉斌清等,TPS 高黏改性瀝青 Superpave 使用性能研究 [J]. 公路工程 , 2019, 44(6): 191-195, 265.

          [3] 李鵬,新型 TPS 在排水瀝青路面中的應用研究 [J]. 中國科技縱橫 , 2019, 9): 132-133.

          [4] 劉新權、丁慶軍、姚永永等,高粘度改性瀝青配制鋼箱梁橋面 SMA 鋪裝層的研究 [J]. 公路 , 2007, 09): 97-100.

          [5] Hu J,Ma T, Zhu Y, et al. High-viscosity modified asphalt mixtures for double-layer porous asphalt pavement: Design optimization and evaluation metrics[J]. Construction and Building Materials, 2021, 271.

          [6] 莊偉龍,高粘度改性瀝青的制備與性能研究 [D]. 福州大學 , 2016.

          [7] Luo Y,Zhang K, Li P, et al. Performance evaluation of stone mastic asphalt mixture with different high viscosity modified asphalt based on laboratory tests[J]. Construction and Building Materials, 2019, 225: 214-222.

          [8] 李立寒、耿韓、孫艷娜,高黏度瀝青黏度的評價方法與評價指標 [J]. 建筑材料學報 , 2010, 13(03): 352-356.

          [9] Hu X,Li S, Yao H, et al. Gradation Design and Performance Evaluation of High Viscosity Asphalt Mixtures[J]. Advances in Civil Engineering, 2020, 2020.

          [10] 張銳、黃曉明、侯曙光,新型瀝青添加劑 TPS 的性能 [J]. 交通運輸工程學報 , 2006, 04): 36-40





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