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摘要: 江阴长江大桥位于中国长江下游、江苏省境内, 是国家国道主干线同三线(黑龙江省同江至海南省的三亚) 和京沪线(北京至上海) 等高速公路的过江通道。大桥正桥主跨1 385 m。根据大桥的自然环境, 要求桥面沥青铺装层能够在最高温度70℃与最低温度- 1 4℃之间的温度范围内承受繁重的交通负荷正常工作, 而不产生损伤。为了满足这样的工作条件, 选用英国铺装技术, 沥青铺装层设计采用5 0 mm厚的浇注式沥青混凝土(Guss Asphalt)。原材料采用南美洲特立尼达生产的湖沥青(TLA) 和中国当地的玄武岩作为粗集料。按英国标准配制的浇注式沥青铺装层混合料有许多优点, 如防水性能好、空隙率小、抗疲劳性能与抗低温脆裂性能都十分理想, 唯高温稳定性较差, 即使采用了英国重交通级别的标准(H级), 混合料的抗车辙能力仍达不到中国高速公路沥青路面的标准。其主要原因是英国地理位置与中国有明显差别。研究工作中采取了四项措施: 1调整混合沥青的配比, 提高TLA所占比例; 2降低可溶性沥青用量; 3增加主骨料(6.0 mm~ 1 0 mm) 的用量; 4保证矿粉与沥青的比例。通过室内试验, 全面测试各项路用性能后, 确定最佳的材料配比设计方案, 既保持了浇注式沥青混凝土的各项优点, 也提高了沥青混合料的高温稳定性, 成功地将经过改善的国外先进技术用于中国特大桥梁的铺装工程。Abstract: Jiangyin Bridge with a main span of 1385 m, located at the lower reaches of Yangtze River in Jiangsu Province, is a broad way across river of two national expressways (Tong Jiang to Sanya; Beijing to Shanghai). According to the natural environment, the asphalt deck pavement of bridge should bear serious heavy traffic loads and bad weather condition without any damage in the working temperature -14℃ to +70℃. Therefore, Guss Asphalt 50 mm of depth, the British pavement technique is adopted and the lake asphalt (TLA) from Trinidad and Tobago, South America is used as asphalt cement, the basalt from China is used as coarse aggregates.Guss asphalt pavement mixture made by rule of British Standard has more excellences, such as better waterproof quality, smaller void ratio, perfect anti fatigue quality and anti brittle fracture at low temperature. But the high temperature stability of the mixture is not so ideal, even if the mixture is made by rule of the extra heavy traffic class H of British Standard, the stability of anti rut is not satisfied with Chinese Standard about expressway asphalt pavement. The main reason is the difference of geographical location between China and England. Four important measures are adopted in research work: ①revise the ratio of mixture, raise the content of TLA; ②reduce the content of soluble asphalt; ③increase the content of main aggregate (6.0 mm~10.0 mm); ④guarantee the ratio of fine dust to asphalt cement.By testing whole indexes of mixture in laboratory, the optimal design of material ratio of mixture is decided, which not only retaines original excellences, but also improves the high temperature stability of asphalt mixture, successfully makes good use of improved foreign technique to build deck pavement of giant bridge in China.
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20世纪90年代开始, 中国掀起了现代化公路基础设施建设高潮, 一批跨江跨海的大跨径公路桥梁, 如虎门大桥、海沧大桥、江阴大桥、宜昌大桥、南京二桥、军山大桥等相继开工, 并陆续建成通车。在中国桥梁建筑史上空前地出现了建设大跨径桥梁的高潮。江阴长江公路大桥位于长江下游、江苏省境内。江阴长江公路大桥不仅是江苏省境内南北干线公路交通过江的重要通道, 而且是国家国道主干线同三线、京沪线等重要公路在江苏省境内的过江通道。大桥正桥主跨1385 m, 采用单孔悬索桥一跨过江。全桥采用两根主缆, 紧向吊索的纵向标准间距为16 m, 加劲梁采用扁平流线型封闭钢箱梁, 梁高3.2 m, 箱梁全宽36.9 m, 桥面按六车道布置, 中央设方隔带2.0 m。桥面采用了5 cm薄层沥青混凝土铺装。
桥面系统采用扁平流线型钢箱梁和U肋加劲钢板加铺沥青薄层铺装, 工程技术难度大, 国内无成功经验, 为了确保工程质量, 直接引进英国铺装技术。英国自1952年起研究浇注式沥青混凝土薄层铺装(Guss Asphalt), 曾在福斯桥(1964), 塞文桥(1966) 和亨伯桥(1981) 上应用, 土耳其的博斯普鲁斯一桥、二桥以及丹麦的大带桥、小带桥也都成功地应用了浇注式沥青混凝土薄层铺装。但是在国内尚无使用先例, 作者承担此项目, 结合中国实际, 研究引进、消化英国技术, 用于大桥建设。大桥承受的交通负荷, 预测2010年每天通行车辆95403辆, 2017年为每天99608辆。行车速度要求达到100 km/h。采用汽—超20级标准车为设计荷载, 轴载130 kN。大桥地处东经120°E, 北纬30°N, 气象记录极端最高气温为38.1℃, 极端最低气温为-14.2℃。经实地测量, 当环境气温为37℃时, 桥面钢板温度为67℃, 因此沥青混凝土的工作状态与道路面有较大差异。
1. 铺装层混合料性能
浇注式沥青混凝土是沥青混凝土按照施工工艺作为分类标准确定的一种沥青混凝土(Guss Asphalt Concrete)。它的特点是在施工温度条件下, 沥青混合料呈流淌状态, 一般不需要用压路机, 只需要用简单的摊铺整平机具即可完成施工, 并能达到规定的密实度和平整度要求。英国工程界习惯称这种沥青混合料为沥青玛蹄脂(Mastic Asphalt)。
钢桥面铺装层结构如表 1所示, 在钢桥面板上, 用浇注式沥青混凝土一次铺筑50 mm厚的铺装层(即沥青玛蹄脂MA), 表面撒铺预拌沥青石屑, 碾压成形, 以保证表面足够的粗糙度。涂有防护漆的钢桥面板表面预先用粘结底层和橡胶沥青底层处理。各层位结构层示于表 1。
层位 中文名称 英文名称 厚度 特点 1 预拌沥青石屑 Coated Chippings 不计 dm为14 mm的均匀粒径材料 2 沥青玛蹄脂 Mastic Ashalt 50 mm 采用TLA沥青与60/70普通沥青混合dm为14 mm的级配集料 3 橡胶沥青底层 Rubberised Bitumen Underlay 1.5~3.0 mm 采用预拌橡胶沥青、矿粉 4 粘结底层 Adhesive Primer 不计 可溶性橡胶沥青 5 防护层 Rrotective Primer 100 μm 环氧富锌漆 6 板面钢板 Steel deck 12 mm 钢板由U型纵肋支承 沥青玛蹄脂由沥青结合料(Aspbalt Cement) (AC)、粗集料(Coarse Aggregate) (CA)、和细集料(Fine Aggregate) (FA) 配置而成。沥青结合料(AC) 采用特立尼达和多巴哥产的湖沥青(TLA) 和普通石油沥青(B) 按照TLA∶B=65∶35的比例掺配。原状沥青TLA和B, 以及掺配后的沥青结合料(AC) 等各种材料的各项特性分别列于表 2、表 3和表 4。表中的技术要求按英国有关规范提出。
特性 试验方法* 指标 针入度(25℃) /0.1 mm BS2000 3 软化点/℃ BS2000 92 密度(15℃) /g·cm-3 BS2000 1.40 溶解度/% ASTMD2024 57.0 矿物质(灰份) 含量/% BS2000 38.1 注: BS-英国标准; ASTM-美国材料试验标准。 特性 量测值 技术要求 试验方法 针入度(25℃) /0.1 mm 71 60~80 BS2000∶49 延度(15℃) /cm > 100 > 100 ASTMD113 软化点/℃ 48 44~45 BS2000∶58 含腊量/% 1.0 < 2.0 D/N52015 密度(15℃) /g·cm-3 1.045 — — 溶解度/% 99.96 > 99.0 ASTMD2042 粘度(60℃) /Pa 1850 2000±200 ASTMD4402 闪点/℃ 340 — ASTMD92 薄膜烘箱试验后特性 质量损失/% 0.02 < 0.80 ASTMD1754 针入度比/% 69 > 55 ASTMD1754 延度(15℃) /cm > 100 > 70 ASTMD1754 特性 量测值 技术要求 试验方法 针入度(25℃) /0.1 mm 14 10~25 BS2000∶49 密度(25℃) /g·cm-3 1.257 1.17~1.30 — 软化点/℃ 68.1 60~70 BS2000∶58 矿物质(灰份) 含量/% 25.1 18~27 BS2000∶223 溶解度/% 68.9 66~70 ASTMD2042 薄膜加热试验后质量损失/% 0.25 < 2 ASTMD1754 普通石油沥青由壳牌香港公司(Shell) 提供, 标号为70号普通石油沥青, 其特性列于表 3。
沥青玛蹄脂(MA) 与预拌石屑(Coated Chippings) (CC) 中的集料, 以试验优选后, 选用以下材料。
沥青玛蹄脂用粗集料(CA) : 中国金坛产玄武岩。
沥青玛蹄脂用细集料(FA) : 英国Longcliffe产石灰岩。
预拌石屑用集料(CC) : 英国Brindister产砂岩。
CA、FA、CC三种材料的颗粒组成, 各项特性列于表 5~表 8。
筛孔尺寸(BS) /mm 累积通过率/% 技术要求/% 14 100 100 10 99.7 6.3 38.8 < 40 5 17.7 3.35 2.8 筛孔尺寸(BS) /mm 分级含量/% 技术要求/% > 2.36 0.5 2.36~0.60 22.4 0~25 0.60~0.212 18.6 5~35 0.212~0.075 13.5 10~30 < 0.075 45 40~60 材料名称 钙含量(以CaCO3计) /% 技术要求/% 英国Longcliffe 99.2 > 85 材料特性 试验方法 量测值 技术要求 集料压碎值/% BS812∶110 11 < 16 针片状含量/% BS812∶105 15 < 25 集料磨耗值/% BS812∶113 8.2 < 11 集料磨光值 BS812∶114 64 > 62 表 5所示列为中国金坛产玄武岩加工的粗集料颗料级配分布百分率, 筛孔尺寸按英国标准(BS) 计, 试验方法为BS815∶103。
表 6所示为英国Longcliffe产的石灰岩加工的细集料颗粒级配分布百分率。筛孔尺寸按英国标准(BS) 计, 试验方法为BS815∶103。
表 7所示为英国Longcliffe产的石灰岩加工的细集料中CaCO3表示的钙含量测定结果, 试验方法为BS6463∶2。
预拌沥青石屑的集料产地为英国Brindister, 表 8所列为预拌沥青石屑所用集料颗粒级配分布百分率, 试验方法为BS815∶103。
沥青玛蹄脂的配制比例如下
沥青结合料(AC) (可溶沥青) : 8.25%;粗集料(CA) : 45.00%;细集料(FA) : 46.75%。
配制成的沥青玛蹄脂, 在实验室内完成了12项试验, 各项试验结果经整理后列于表 9。
序号 性能指标 试验方法 测定值 技术要求 备注 1 硬度数 BS5284 21~17 25~15 2 40℃轴向加载3600次永久应变(RLAT) DD226 3.1 3 70℃轴向加载3600次永久应变(RLAT) DD226 > 18.8 其中一次加载3000次应变大于22.5%即破坏 4 45℃轮辙试验, 车辙深度/mm DS598 2.6 5 70℃轮辙试验, 车辙深度/mm BS598 > 15 10 min后大于15 mm 6 45℃轮辙试验, 车辙率/mm·h-1 BS598 2.3 7 70℃轮辙试验, 车辙率/mm·h-1 BS598 — 8 间接拉伸劈裂试验(能耗) ITSKNs ASTMD4123 30 9 间接拉伸劲度模量试验ITSM/MPa DD213 7780 (20℃) 2310 (30℃) 670 (40℃) 10 间接拉伸疲劳ITFT次数 DDABF 592 500με应变作用 11 马歇尔稳定度试验(流值为5 mm) /kN ASTMD1559 7.3 12 马歇尔稳定度试验(流值为15 mm) /kN ASTMD1559 10.5 上述表 2~表 9所列的沥青玛蹄脂(MA) 所用的原材料各项性能和技术规格以及混合料的性能均符合英国标准BS1447的规定和有关“技术要求”条款的规定, 并且具有良好的疲劳性能与适当的劲度模量值。但是混合料的高温稳定性则并不十分理想。表 9所示的混合料各项性能中, 第4项至7项均表示温度稳定性, 第1项硬度数, 完全达到了BS1447中规定的重交通“H”级的标准。第2、4、6项, 即40℃永久变形和45℃车辙试验, 车辙深度与车辙率, 均按英国标准试验, 其结果完全满足英国重交通“H”级道路的要求。但是第3、5、7项, 即70℃永久变形、70℃轮辙试验、车辙深度与车辙率的试验结果都未能成功。因为70℃的温度环境是根据江阴大桥的实测记录提出要求的, 已超过了英国标准的范围。
总之, 通过初步的混合料设计, 各项指标均达到了英国技术标准的要求, 而从江阴大桥实际情况看, 高温稳定性指标还不足以满足使用要求。
2. 提高沥青玛蹄脂(MA) 高温稳定性的试验研究
配制的沥青玛蹄脂(MA) 虽然能满足英国标准的要求, 但是在中国应用该项技术, 应符合中国的实际。其中高温稳定性指标尚不理想。为什么两国的标准会有较大的差别, 初步分析有两方面原因。
2.1 中国车辙试验与英国车辙试验的比较
中国的车辙试验方法(T0719-93) 和英国车辙试验方法(BS598) 有许多相同的规定, 也有一些不同的规定, 现将两种方法的细节列于表 10, 以资比较。
项目 中国 英国 1.试件尺寸 300 mm×300 mm×50 mm Φ200 mm×50 mm 2.试验轮外径/mm着地宽/mm厚度/mm硬度 200501584±4 200~20550±11380±5 3.轮载/N 700 520±5 4.行程/mm 230±10 230±5 5.速度/次往返·min-1 21 21 6.试验温度/℃ 60±1 45±1, 60±1 7.指标 DR/次·mm-1 (动稳定度) l/mm, k/mm·h-1 (车辙深, 车辙率) 由以上表格所列可以看出, 中英两国的车辙试验方法基本相似, 不同点为轮载不一样, 中国方法轮载为700 N, 轮宽50 mm, 单位线压力为14.0 N/mm; 英国方法轮载为520 N, 轮宽50 mm, 单位线压力为10.4 N/mm。两种方法的试验指标表示方法不同, 为了作比较, 可以近似作以下换算
式中: DR为中国车辙试验指标(动稳定度) (次/mm); k为英国车辙试验指标(车辙率) (mm/h)。
由此可以互换计算, 如表 11所示。
标准名称 中国DR/次·mm-1 英国k/mm·h-1 中国高速公路沥青路面 800 3.15 中国高速公路改性沥青路面 2000 1.26 英国重载道路标准 504 4 由以上分析可以看出英国的重载道路车辙容许标准与中国高速公路沥青路面的车辙容许标准相比较, 中国标准比英国标准要求更高。
2.2 大桥地理位置与气温条件的比较
英国本土地处北大西洋, 气温不高, 气候温润, 而中国地处世界最大的欧亚大陆板块的东部, 是季风气候最典型、最强烈的大陆。由于地形构造与气象规律的特殊性, 中国广大地区与世界同纬度地区, 如欧州、美国、日本相比, 夏季炎热, 冬季寒冷, 年温差大的特点是非常显著的。因此对大跨钢桥沥青桥面的高温稳定性要求, 应当略高于相同纬度的其它地区。现将目前全世界几座采用浇注式沥青混凝土桥面铺装的大跨钢桥的地理位置与气象特征列于表 12。
国家 桥名 纬度 经度 全年最高月均气温/℃ 中国 江阴大桥 32° N 12° E 32 中国 香港青马大桥 22° N 114° E 31 英国 赛文桥 51° N 3° E 23 土耳其 博斯普鲁士1、2号桥 42° N 29° E 28 丹麦 大小贝尔特大桥 57° N 12° E 17 日本 本四系列大桥 34° N 138° E 31 以上所列世界各国已建大桥的地理位置与气候特征可以看出江阴大桥所处的位置是较为不利的。因此出现持续高温天气的可能性最大。从中国整个大陆看来, 在江阴以西广大区域内, 越往西行, 大陆性气候越加明显, 持续高温的气象特性更为突出。因此, 从今后大桥建设需求来看, 中国若是采用浇注式沥青玛蹄脂铺筑桥面铺装层, 对高温稳定性的要求标准应当高于英国标准, 应该进一步研究, 在保持浇注式沥青玛蹄脂各种优良性能的同时, 提高高温稳定性的技术途径和技术标准。
仔细分析按照英国标准确定的沥青玛蹄脂(MA) 组成设计方案(以下简称K), 高温稳定性不理想的主要原因有以下几点:
(1) 沥青用量高, 可溶沥青用量占8.25%;
(2) 混合沥青中的TLA所占比例偏少, 为65%;
(3) 6 mm~10 mm的主骨料含量偏少, 为35%。
现将MA与SMA和普通密级配沥青混凝土混合料AC-10Ⅰ作对比, 即可看出高温稳定性不足的主要原因(见表 13)。
混合料名称 > 5 mm/% < 0.075 mm/% 沥青用量/% 粉/沥 MA (K) 35 23 8.25 2.78 SMA (美) 60 9 6.5 1.38 SMA (德) 65 10 7.0 1.43 SMA (中) 71 10 6.0 1.67 AC-10Ⅰ (中) 35 6.5 6.0 1.08 将MA (K) 与SMA相比, 无论是中国的还是美国的或是德国的SMA中的粗集料(> 5 mm) 含量为MA (K) 的一倍左右, 因此有坚强的骨料嵌挤骨架作用; SMA中石粉(< 0.075 mm) 和沥青组成的沥青玛蹄脂总量约为16%左右, 而MA (K) 中的玛蹄脂总量占31.25%。这些都是直接影响MA (K) 高温稳定性能的重要因素。再与中国的细粒式密级配沥青混合料AC-10Ⅰ相比较, 粗骨料含量虽然相差不多, 但是AC-10Ⅰ的玛蹄脂含量仅为12.5%。所以AC-10Ⅰ混合料由大量细集料填充而形成密实结构。通过表 13的对比进一步说明, MA为典型的悬浮式材料结构, 粗集料偏少, 沥青含量偏多, 稠度偏低是高温稳定性不足的主要原因。为了探索提高高温稳定性的有效技术途径, 提出了改进方案的具体措施:
(1) 沥青结合料的配比改为TLA/B=70∶30;
(2) 可溶性沥青总量由原来的8.25%改为7.5%和8.0%;
(3) 适当增加6.0~10.0 mm主骨料用量(部分方案);
(4) 适当调整中间骨料(3.35~6.0 mm) 用量(部分方案);
(5) 适当调整矿粉用量(< 0.075 mm)。
具体确定了6个方案, 即A、B、C、D、E、F。分别采用不同的集料配比、沥青配比与沥青用量, 用于同K方案作比较(见表 14)。
级配名 各级筛孔(mm) 通过率/% 沥青 备注 14.0 10.0 6.0 3.35 0.075 TLA/B 用量/% A 100 95 50 40 22 70/30 7.5 B 100 95 55 45 22 70/30 7.5 C 100 95 60 45 25 70/30 7.5 D 100 98 70 55 22 70/30 8.0 E 100 98 80 46 26 70/30 7.5 F 100 98 80 55 25 70/30 8.0 K 100 95 60 50.4 22.9 65/35 8.0 K方案 配制的混合料在室内完成以表 15所示的各项试验。
高温稳定性试验项目 规程代码 60℃车辙动稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 70℃车辙动稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 马歇尔稳定度试验 (JTJ 052-93) T0709-93 浸水马歇尔稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 间接拉伸(劈裂) 试验 (JTJ 052-93) T0716-93 60℃和70℃温度环境中的车辙动稳定度试验结果列于表 16。
试样编号 成型条件 60℃ 70℃ 动稳定度/次·mm-1 比K提高的百分比/% 动稳定度/次·mm-1 比K提高的百分比/% A 浇注 1580 367 334 105 B 浇注 1500 345 421 158 C 浇注 1500 345 487 199 D 浇注 1015 200 211 29 E 不成型 — — — — F 碾压 2508 642 955 486 K 浇注 338 — 163 — 由表 16可以看出, 除了E方案试件不能成型外, 其它5个方案60℃动稳定度均在1000次/mm以上, 比K方案高出2~6倍, 70℃动稳定度200~1000次/mm不等, 比K方案高出1~5倍。淘汰A、D方案, 保留B、C、F三方案, 再进行其它试验, 同K方案作比较。
将K、B、C、F四个方案的混合料进行其它试验, 所得各方案的马歇尔稳定度、浸水48 h后的马歇尔稳定度、残留稳定度、-10℃时的劈裂试验结果和+15℃时的劈裂试验结果分别列于表 17和表 18。
级配 常规试验 浸水48 h后作试验 残留稳定度/% 稳定度/kN 流值/0.1 mm 稳定度/kN 流值/0.1 mm K 18.15 73 21.60 72 1.19 B 21.95 72 25.01 54 1.14 C 22.49 72 23.56 81 1.04 F 23.50 57 26.26 59 1.12 级配 -10℃ +15℃ 水平变形/mm 抗拉强度/MPa 劲度模量/MPa 水平变形/mm 抗拉强度/MPa 劲度模量/MPa K 0.3644 3.233 735.996 0.4423 2.947 606.053 B 0.2683 3.833 1192.006 0.4248 2.970 639.998 C 0.2969 4.095 1143.333 0.4035 3.134 704.347 F 0.2624 3.519 1145.093 0.3598 2.936 740.538 通过以上试验结果的对比, 可以明确地得到以下结果:
(1) 浇注式沥青玛蹄脂的高温稳定性研究表明, 适当调整材料组成(集料级配、沥青稠度与沥青用量等), 可以提高其高温稳定性。
(2) 通过车辙试验结果可以看出材料组成经调整后, 60℃动稳定度比原先K方案有较大幅度提高, 并超过了中国规范要求的高速公路沥青面层的动稳定度最低标准800次/mm。
(3) 材料组成经调整后, 70℃动稳定度比原先K方案有较大幅度提高, 最高的一组方案, 动稳定度达到955次/mm, 也超出了中国高速公路标准800次/mm。
(4) 调整材料组成之后, 混合料的水稳定性及耐久性无不利影响, 由表 17所列的残留稳定度值都大于1.0, 表明原有的结构致密, 不易受水浸蚀等优点仍存在。
(5) 巳由表 18所示的高低温性能比较结果可见, 在常温与低温范围之内, 抗拉强度与劲度模量值变化不大, 且断裂应变值变化幅度也很小, 这些都充分表明调整材料组成之后, 常温与低温条件下仍保持着浇注式沥青玛蹄脂的优点, 即耐疲劳、耐冲击、有较好的韧性。
(6) 对B、C、F三个方案作比较, 可以看出C、F两方案抗高温变形效果更好一些, F方案高温稳定性最好, 但成型工艺需外加碾压成型, C方案各方面性能均优, 但高温稳定性指标略低于F方案, 但是施工工艺仍可按传统的浇注式沥青混合料施工方法铺筑。
3. 关于中国应用浇注式沥青玛蹄脂的建议
中国土地幅员辽阔, 东西南北自然环境差异极大。若采用浇注式沥青玛蹄脂作为大跨径钢桥面铺装层, 不能局限于一种统一的规格和统一的标准。考虑到浇注式沥青玛蹄脂的特点, 对常温与低温环境的工作特性与抗水浸蚀等方面均有独特的优势, 唯高温条件下的抗变形能力随气温的变化, 反应十分敏感。鉴于上述情况, 建议以年月均最高气温作为区划标准, 将中国划分为三个温度地区, 即:
Ⅰ 寒区 年月均最高气温为25℃以下
Ⅱ 温区 年月均最高气温为25℃~30℃
Ⅲ 热区 年月均最高气温为30℃以上
注: 年月均最高气温——30年为一周期, 取夏季高温月(7月或8月) 每天下午2时的温度(一天的最高温度) 的平均值作为一年的高温月平均最高温度, 再求30年的高温月平均最高温度的平均值, 即为年月均最高气温。
高温稳定性的试验方法和评定指标仍以中国行业标准JTJ-052中的沥青混合料车辙试验T0719为准。针对三个温度区, 提出不同的动稳定度指标的合格标准, 寒区(Ⅰ), 60℃动稳定度最低标准为300次/mm; 温区(Ⅱ), 60℃动稳定度最低标准为800次/mm; 热区(Ⅲ), 60℃动稳定度最低标准为1500次/mm。同时推荐将K、B、C、F四个方案作为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ区的材料组成参考方案, 如表 19所示。
区序 区名 年月均最高温/℃ 60℃动稳定度/次·mm-1 推荐方案 Ⅰ 寒区 < 25 300 K Ⅱ 温区 25~30 800 B、C Ⅲ 热区 > 30 1500 C、F 注: 推荐方案K、B、C、F详见表 14。 4. 结语
通过引进英国钢桥桥面浇注式铺装沥青玛蹄脂成功的使用经验与技术, 结合江阴长江公路大桥实践, 开展了系统研究, 通过研究, 认为浇注式沥青玛蹄脂作为钢桥面铺装, 具有一系列优点, 如强度高、劲度模量低, 抗疲劳性能、水稳定性和耐久性良好, 是一种优良的桥面铺装材料。但是由于英国所处地理位置与中国江阴大桥有明显差别, 英国标准中有关沥青玛蹄脂高温稳定性的指标不能满足江阴大桥实际的需求。
在分析研究了英国沥青玛蹄脂材料结构特点之后, 提出在保留浇注式沥青玛蹄脂优点与材料特性的前提下, 采用适当降低沥青用量, 适当提高主骨料用量等技术措施。通过试验表明, 采用以上技术措施后, 能在保留浇注式沥青混合料优点的前提之下, 提高混合料的高温稳定性, 据此, 参考已有研究成果, 提出了在中国推广应用浇注式沥青玛蹄脂的建议方法。
为了实际应用浇注式沥青玛蹄脂铺装, 提出了以年月均最高气温为区划标准, 将中国分为寒、温、热三个温度区。针对三个温度区, 分别提出推荐的沥青玛蹄脂材料配合比、材料用量以及动稳定的合格标准。
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表 1 桥面铺装层结构组合表示
Table 1. Bridge deck pavement structural composition
层位 中文名称 英文名称 厚度 特点 1 预拌沥青石屑 Coated Chippings 不计 dm为14 mm的均匀粒径材料 2 沥青玛蹄脂 Mastic Ashalt 50 mm 采用TLA沥青与60/70普通沥青混合dm为14 mm的级配集料 3 橡胶沥青底层 Rubberised Bitumen Underlay 1.5~3.0 mm 采用预拌橡胶沥青、矿粉 4 粘结底层 Adhesive Primer 不计 可溶性橡胶沥青 5 防护层 Rrotective Primer 100 μm 环氧富锌漆 6 板面钢板 Steel deck 12 mm 钢板由U型纵肋支承 表 2 特立尼达湖沥青(TLA) 的特性
Table 2. Characteristics of Trinidad lake asphalt (TLA)
特性 试验方法* 指标 针入度(25℃) /0.1 mm BS2000 3 软化点/℃ BS2000 92 密度(15℃) /g·cm-3 BS2000 1.40 溶解度/% ASTMD2024 57.0 矿物质(灰份) 含量/% BS2000 38.1 注: BS-英国标准; ASTM-美国材料试验标准。 表 3 普通石油沥青(B) 的特性
Table 3. Characteristics of normal oil asphalt (B)
特性 量测值 技术要求 试验方法 针入度(25℃) /0.1 mm 71 60~80 BS2000∶49 延度(15℃) /cm > 100 > 100 ASTMD113 软化点/℃ 48 44~45 BS2000∶58 含腊量/% 1.0 < 2.0 D/N52015 密度(15℃) /g·cm-3 1.045 — — 溶解度/% 99.96 > 99.0 ASTMD2042 粘度(60℃) /Pa 1850 2000±200 ASTMD4402 闪点/℃ 340 — ASTMD92 薄膜烘箱试验后特性 质量损失/% 0.02 < 0.80 ASTMD1754 针入度比/% 69 > 55 ASTMD1754 延度(15℃) /cm > 100 > 70 ASTMD1754 表 4 由65%TLA加35%B得到的沥青结合料AC的特性要求
Table 4. Characteristics of index of asphalt cement from 65% TLA & 35%B
特性 量测值 技术要求 试验方法 针入度(25℃) /0.1 mm 14 10~25 BS2000∶49 密度(25℃) /g·cm-3 1.257 1.17~1.30 — 软化点/℃ 68.1 60~70 BS2000∶58 矿物质(灰份) 含量/% 25.1 18~27 BS2000∶223 溶解度/% 68.9 66~70 ASTMD2042 薄膜加热试验后质量损失/% 0.25 < 2 ASTMD1754 表 5 粗集料(CA) 颗粒级配分布百分率
Table 5. Coarse aggregate (CA) graded percentage
筛孔尺寸(BS) /mm 累积通过率/% 技术要求/% 14 100 100 10 99.7 6.3 38.8 < 40 5 17.7 3.35 2.8 表 6 细集料(FA) 颗粒级配分布百分率
Table 6. Fine aggregate (FA) graded percentage
筛孔尺寸(BS) /mm 分级含量/% 技术要求/% > 2.36 0.5 2.36~0.60 22.4 0~25 0.60~0.212 18.6 5~35 0.212~0.075 13.5 10~30 < 0.075 45 40~60 表 7 细集料(FA) 钙含量
Table 7. Calcium content of fine aggregate (FA)
材料名称 钙含量(以CaCO3计) /% 技术要求/% 英国Longcliffe 99.2 > 85 表 8 预拌石屑集料(CC) 颗粒级配分布
Table 8. Coated chippings (CC) graded percentage
材料特性 试验方法 量测值 技术要求 集料压碎值/% BS812∶110 11 < 16 针片状含量/% BS812∶105 15 < 25 集料磨耗值/% BS812∶113 8.2 < 11 集料磨光值 BS812∶114 64 > 62 表 9 沥青玛蹄脂(MA) 性能指标试验结果
Table 9. Test results characteristics index of mastic asphalt
序号 性能指标 试验方法 测定值 技术要求 备注 1 硬度数 BS5284 21~17 25~15 2 40℃轴向加载3600次永久应变(RLAT) DD226 3.1 3 70℃轴向加载3600次永久应变(RLAT) DD226 > 18.8 其中一次加载3000次应变大于22.5%即破坏 4 45℃轮辙试验, 车辙深度/mm DS598 2.6 5 70℃轮辙试验, 车辙深度/mm BS598 > 15 10 min后大于15 mm 6 45℃轮辙试验, 车辙率/mm·h-1 BS598 2.3 7 70℃轮辙试验, 车辙率/mm·h-1 BS598 — 8 间接拉伸劈裂试验(能耗) ITSKNs ASTMD4123 30 9 间接拉伸劲度模量试验ITSM/MPa DD213 7780 (20℃) 2310 (30℃) 670 (40℃) 10 间接拉伸疲劳ITFT次数 DDABF 592 500με应变作用 11 马歇尔稳定度试验(流值为5 mm) /kN ASTMD1559 7.3 12 马歇尔稳定度试验(流值为15 mm) /kN ASTMD1559 10.5 表 10 中英车辙试验方法对照表
Table 10. Comparative table of rut test method between China and british standard
项目 中国 英国 1.试件尺寸 300 mm×300 mm×50 mm Φ200 mm×50 mm 2.试验轮外径/mm着地宽/mm厚度/mm硬度 200501584±4 200~20550±11380±5 3.轮载/N 700 520±5 4.行程/mm 230±10 230±5 5.速度/次往返·min-1 21 21 6.试验温度/℃ 60±1 45±1, 60±1 7.指标 DR/次·mm-1 (动稳定度) l/mm, k/mm·h-1 (车辙深, 车辙率) 表 11 中英车辙试验指标标准比较
Table 11. Comparison of rut test index between China and British standard
标准名称 中国DR/次·mm-1 英国k/mm·h-1 中国高速公路沥青路面 800 3.15 中国高速公路改性沥青路面 2000 1.26 英国重载道路标准 504 4 表 12 世界各国采用浇注式沥青桥面的大桥地理位置与气象特征表
Table 12. Geographical position and climatic characteristics of some long span bridges in the world, where the Guss asphalt deck pavement is used
国家 桥名 纬度 经度 全年最高月均气温/℃ 中国 江阴大桥 32° N 12° E 32 中国 香港青马大桥 22° N 114° E 31 英国 赛文桥 51° N 3° E 23 土耳其 博斯普鲁士1、2号桥 42° N 29° E 28 丹麦 大小贝尔特大桥 57° N 12° E 17 日本 本四系列大桥 34° N 138° E 31 表 13 几种沥青混合料组成对比
Table 13. Comparison of some asphalt mix composition
混合料名称 > 5 mm/% < 0.075 mm/% 沥青用量/% 粉/沥 MA (K) 35 23 8.25 2.78 SMA (美) 60 9 6.5 1.38 SMA (德) 65 10 7.0 1.43 SMA (中) 71 10 6.0 1.67 AC-10Ⅰ (中) 35 6.5 6.0 1.08 表 14 各组级配的组成及沥青用量
Table 14. Component and volume of asphalt in each aggregate grading
级配名 各级筛孔(mm) 通过率/% 沥青 备注 14.0 10.0 6.0 3.35 0.075 TLA/B 用量/% A 100 95 50 40 22 70/30 7.5 B 100 95 55 45 22 70/30 7.5 C 100 95 60 45 25 70/30 7.5 D 100 98 70 55 22 70/30 8.0 E 100 98 80 46 26 70/30 7.5 F 100 98 80 55 25 70/30 8.0 K 100 95 60 50.4 22.9 65/35 8.0 K方案 表 15 高温稳定性试验项目及规程代码
Table 15. Item and specification number of high temperature stability test
高温稳定性试验项目 规程代码 60℃车辙动稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 70℃车辙动稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 马歇尔稳定度试验 (JTJ 052-93) T0709-93 浸水马歇尔稳定度试验 (JTJ 052-93) T0719-93 间接拉伸(劈裂) 试验 (JTJ 052-93) T0716-93 表 16 各组沥青玛蹄脂动稳定度试验结果
Table 16. Dynamic stability test results for some mastic asphalt
试样编号 成型条件 60℃ 70℃ 动稳定度/次·mm-1 比K提高的百分比/% 动稳定度/次·mm-1 比K提高的百分比/% A 浇注 1580 367 334 105 B 浇注 1500 345 421 158 C 浇注 1500 345 487 199 D 浇注 1015 200 211 29 E 不成型 — — — — F 碾压 2508 642 955 486 K 浇注 338 — 163 — 表 17 马歇尔稳定度试验结果
Table 17. Test results of Marshall stability
级配 常规试验 浸水48 h后作试验 残留稳定度/% 稳定度/kN 流值/0.1 mm 稳定度/kN 流值/0.1 mm K 18.15 73 21.60 72 1.19 B 21.95 72 25.01 54 1.14 C 22.49 72 23.56 81 1.04 F 23.50 57 26.26 59 1.12 表 18 劈裂强度试验结果
Table 18. Results of split-tensile test
级配 -10℃ +15℃ 水平变形/mm 抗拉强度/MPa 劲度模量/MPa 水平变形/mm 抗拉强度/MPa 劲度模量/MPa K 0.3644 3.233 735.996 0.4423 2.947 606.053 B 0.2683 3.833 1192.006 0.4248 2.970 639.998 C 0.2969 4.095 1143.333 0.4035 3.134 704.347 F 0.2624 3.519 1145.093 0.3598 2.936 740.538 表 19 中国各温度区沥青玛蹄脂(MA) 组成方案及标准
Table 19. Mastic asphalt composition scheme and standard
区序 区名 年月均最高温/℃ 60℃动稳定度/次·mm-1 推荐方案 Ⅰ 寒区 < 25 300 K Ⅱ 温区 25~30 800 B、C Ⅲ 热区 > 30 1500 C、F 注: 推荐方案K、B、C、F详见表 14。 -
[1] (JTJ 052-93) 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]. 北京: 人民交通出版社, 1993. [2] (JTJ032-94) 公路沥青路面施工技术规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 1994. [3] 沙庆林. 高等级公路半刚性基层沥青路面[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998. [4] 沈金安. 改性沥青与SMA路面[M]. 北京: 人民交通出版社, 1999. [5] 黄仰贤. 路面分析与设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998. [6] 邓学钧. 路基路面工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.
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