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摘要: 为探讨国产硬质沥青在桥面铺装浇注式沥青混凝土中的适用性, 参考国外常用的硬质沥青类型, 优选国产直馏硬质沥青、实验室自行研制的PmB45沥青以及德国进口的PmB25沥青, 通过贯入度试验、高温车辙试验、低温弯曲试验以及疲劳试验, 系统评价了硬质沥青浇注式沥青混凝土的性能。研究发现国产硬质沥青满足国内外相关浇注式沥青混凝土的胶结料技术要求, 改性硬质沥青浇注式沥青混凝土的弯曲性能与疲劳性能优于直馏硬质沥青浇注式沥青混凝土, 但三种硬质沥青浇注式沥青混凝土的高温抗车辙能力有限, 建议应用于中国气温较低的北方地区。Abstract: To discuss the applicability of domestic hard bitumen in bridge deck gussasphalt paving, the types of overseas common hard bitumen were analyzed, domestic hard bitumen, PmB45 made in laboratory and PmB25 made in Germany were selected, by means of indentation test, wheel track test, bending beam test and fatigue test, the performances of the gussasphalts made with the hard bitumens were evaluated. The result shows that the performances of the gussasphalt made with domestic hard bitumen meet the criterion of gussasphalt binder, the bending and fatigue performances of the gussasphalt made with modified hard bitumen excel that of the gussasphalt made with direct hard bitumen, but the rut resistances of the three kinds of gussasphalts are limited, and it is proposed that the made gussasphalts may be used in northern China.
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Key words:
- pavement engineering /
- gussasphalt /
- domestic hard bitumen /
- road performance
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0. 引言
浇注式沥青混凝土密实, 不透水, 变形能力强, 具有优良的抗低温开裂与抗疲劳开裂性能, 与桥面变形的随从性好, 在施工温度条件下可自动流淌成型, 无需碾压即可达到规定的密实度和平整度, 因此在国内外桥面铺装中有着广泛的应用。硬质沥青针入度低, 高温性能比高标号沥青优越, 在德国、日本等大跨径钢桥面浇注式沥青混凝土铺装中应用广泛, 取得了良好的使用效果[1-5]。本文研究了采用国产硬质沥青配制的浇注式沥青混凝土的性能, 探讨适合中国国情的桥面铺装浇注式沥青混凝土级配方案。
1. 配合比设计
1.1 胶结料选择
通过对沥青胶结料的广泛调查和性能试验研究, 参考国内外浇注式沥青混凝土胶结料最新研究方向[1, 3], 选择了国产直馏硬质沥青、实验室自行研制的PmB45沥青及德国进口PmB25沥青, 并掺加适量湖沥青(TLA)配制胶结料。3种硬质沥青的性能见表 1, 配制出的胶结料性能见表 2。可以看出, 这3种硬质沥青及对应胶结料性能均满足相关规范的要求。
1.2 集料与级配
采用的玄武岩集料和石灰岩矿粉的各项指标均满足相关规范的要求。国内尚无浇注式沥青混凝土级配设计的规范, 本文综合考察了德国、日本、英国以及国内相关项目采用的沥青混凝土级配[2-3], 在此基础上确定出本研究级配, 级配比较见图 1。可以看出浇注式沥青混凝土中2.360 mm筛孔通过率均维持在50%左右, 细集料含量较大。
2. 贯入度
贯入度试验是用来评价浇注式沥青混凝土静态稳定性, 也常常作为确定油石比的方法。试件为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体, 贯入度仪的加载质量为50 kg, 记录30与60 min贯入量, 计算30~60 min贯入量增量。德国、日本的浇注式沥青混凝土贯入度试验温度为40 ℃, 安庆长江大桥浇注式沥青混凝土60 ℃贯入度要求为1.0~4.0 mm, 30~60 min贯入度增量小于0.4 mm。本文同时考虑了40 ℃和60 ℃的试验条件, 以便进行贯入度对比。
分别采用国产直馏硬质沥青、自行研制的PmB45沥青以及德国进口的PmB25沥青生产浇注式沥青混凝土Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。由各组贯入度试验确定的Ⅰ型最佳油石比为8.5%, Ⅱ型最佳油石比为9.5%, Ⅲ型最佳油石比为7.7%。图 2为3种浇注式沥青混凝土在确定油石比条件下不同温度的贯入度结果对比。通过在确定油石比情况下几种浇注式沥青混凝土贯入度试验结果可以看出。
(1) 在40℃时, 3种浇注式沥青混凝土的贯入度相差不大, Ⅲ型略优于Ⅱ型, 优于Ⅰ型。
(2) 在60℃时, 3种浇注式沥青混凝土的贯入度差别明显, Ⅲ型明显优于Ⅱ型和Ⅰ型。
(3) 3种浇注式沥青混凝土在60℃的贯入度较在40 ℃的贯入度有较大的增长, 可以更加有效地区分浇注式沥青混凝土的高温性能。
贯入度试验实际上是一种有限的压缩蠕变试验, 其结果既可作为浇注式沥青混凝土配合比设计的控制指标之一, 亦可用于评价材料的高温流变性能。
3. 高温抗车辙性能
由于其细集料和矿粉含量多, 沥青用量大, 浇注式沥青混凝土高温抗车辙性能低是其致命的弱点, 仅仅采用普通石油沥青或一般改性沥青都难以保证其高温稳定性。
3.1 车辙试验
本文采用可以较好模拟施工拌和条件的专用拌和机, 生产出的混合料均匀, 流动性好, 无需碾压, 仅用木刮刀抹平即可成型车辙板试件。参照中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)进行车辙试验, 同时考虑60 min车辙深度和动稳定度指标, 以考察3种浇注式沥青混凝土的抗车辙性能。试验结果见表 3。
从结果可以看出: 3种浇注式沥青混凝土的高温抗车辙能力普遍不高, 尚不满足中国规定的普通沥青动稳定度大于800次·mm-1的要求, 但满足日本钢桥面铺装规范对于浇注式沥青混凝土动稳定度大于350次·mm-1的要求; 车辙深度均较大, 抵抗车辙的能力有限, Ⅲ型的车辙深度最小, 与贯入度试验结果类似。
3.2 浇注式与AK-13A沥青混凝土抗车辙性能对比
图 3为典型浇注式沥青混凝土与江苏省常用的AK-13A型沥青混凝土的车辙对比曲线, 可以清楚地看出浇注式沥青混凝土和AK-13A的抗车辙性能存在明显的差异。常规沥青混凝土的车辙发展曲线有典型的两阶段特征, 初期发展较快, 然后进入一个稳定期, 车辙深度增加缓慢, 集料的骨架效用发挥了主要作用; 而浇注式沥青混凝土车辙深度发展始终保持一个较快的发展速度, 集料的骨架作用不明显。
采用嵌挤原理设计的沥青混凝土的结构强度主要以矿质集料之间的嵌挤力和内摩阻力为主, 沥青胶结料的粘结作用为辅。浇注式沥青混凝土细集料与沥青含量高, 粗集料含量少, 粗集料没有形成骨架结构, 因此抵抗高温变形的能力主要取决于沥青与矿粉、细料组成的玛蹄脂。图 4为3种浇注式沥青混凝土车辙板的一个切面, 从中可以明显看出浇注式沥青混凝土是一种悬浮密实的结构, 粗集料分散于沥青与矿粉组成的玛蹄脂中。虽然硬质胶结料有较高的粘聚力, 但集料间的摩阻角较小, 必然导致浇注式沥青混凝土的高温抗剪切性能相对于嵌挤型沥青混凝土较差, 总体高温抗车辙能力有限。
4. 弯曲性能
桥面铺装要求铺装材料与桥面板随从变形能力好。铺装材料不仅要抵抗低温时由于桥面板的收缩产生的裂缝, 而且还要抵抗在车辆荷载的作用下加劲肋和横隔板顶部产生较大的负弯矩引起的拉应力作用, 因此抗弯拉性能是浇注式沥青混凝土铺装设计的一个重要指标。本研究采用-10 ℃、15 ℃的弯曲试验评价混凝土的弯曲性能。试验参照中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)进行, 加载速率为50 mm·min-1。表 4为弯曲试验结果。
由-10 ℃弯曲试验结果可以看出, 3种混凝土的抗弯拉强度相差不大, 但极限弯拉应变差别较大, Ⅱ型最大, Ⅰ型最小; 浇注式沥青混凝土的抗弯拉强度和劲度模量均远大于普通沥青混凝土; 3种浇注式沥青混凝土在15℃的抗弯拉强度相差不大, 但是极限弯拉应变和劲度模量却有了明显的差别, Ⅱ、Ⅲ型的极限弯拉应变明显大于Ⅰ型, Ⅱ、Ⅲ型的模量明显小于Ⅰ型; 温度从-10 ℃升高到15 ℃, 浇注式沥青混凝土的抗弯拉强度变化不大, 但是极限弯拉应变明显变大, 说明混凝土在常温(15 ℃)时的弯曲性能较强, 可以更好地满足桥面铺装对铺装材料弯曲性能的要求。
图 5、6描述了-10 ℃和15 ℃ 3种浇注式沥青混凝土在试验过程中竖向荷载和跨中挠度之间的关系, 可以看出浇注式沥青混凝土在低温(-10 ℃)状况下, 竖向荷载和跨中挠度基本保持一条直线, 即材料处于弹性状态, 表现为脆性破坏; 常温(15 ℃)状况下, 荷载挠度曲线较为平缓, Ⅰ型浇注式沥青混凝土仍表现为脆性破坏, 但破坏时的跨中挠度较-10 ℃的增长了3倍左右, 而Ⅱ、Ⅲ型浇注式沥青混凝土明显表现为柔性破坏。
综上所述, 3种浇注式沥青混凝土均具有较好地抵抗弯曲变形的性能, 采用改性沥青的浇注式沥青混凝土的弯曲性能比采用国产直馏硬质沥青的混凝土性能好, 尤其是采用自行研制的PmB45沥青的混凝土弯曲性能最优良。
5. 抗疲劳性能
沥青混凝土室内疲劳试验方法各异, 各国都没有统一的规定, 目前以弯拉试验及间接拉伸试验应用最为广泛[6-8], 本文采用UTM疲劳设备进行弯拉疲劳试验, 考察3种浇注式沥青混凝土的抗疲劳性能。试验采用半正弦应变控制模式, 加载频率为10 Hz, 疲劳试验温度为15 ℃, 小梁尺寸为63.5 mm×50.0 mm×400.0 mm, 采用疲劳次数和耗散能2个指标评价混凝土的抗疲劳性能。
由于浇注式沥青混凝土在15 ℃的抗弯刚度比较大, 抗疲劳性能较优, 同时设备的最大功率有限, 且连续工作时间不宜过长, 综合考虑荷载大小和试验时间2个因素, 本文尽量采用较大的微应变减少试验加载时间。表 5为疲劳试验结果。
浇注式沥青混凝土小梁的抗弯刚度均比较大, Ⅰ型浇注小梁刚度最大, 约为Ⅱ、Ⅲ型的1倍; 从累计作用次数或耗散能2个指标均可以看出, Ⅱ、Ⅲ型的抗疲劳性能明显优于Ⅰ型, Ⅲ型的抗疲劳性能最优; 与AK-13A的小梁疲劳试验结果进行比较可以发现, 从荷载作用次数以及耗散能两方面, 浇注式沥青混凝土的疲劳性能明显均优于AK-13A, 浇注式沥青混凝土的刚度远远大于AK型沥青混凝土[9]。
这一试验结果与相关研究结论是一致的, 沥青混凝土的抗疲劳性能随空隙率的减小而增大, 空隙率越大, 沥青混凝土内部的空隙与微裂缝就越多, 在荷载反复作用下就愈易引发微裂缝的扩展破坏, 从而使疲劳性能降低[10]。浇注式沥青混凝土空隙率接近于0, 因此抗疲劳性能特别优异。
图 7为典型浇注式沥青混凝土疲劳曲线, 分别描述了小梁的刚度、耗散能与荷载作用次数的关系, 从中可以看出: 国产直馏硬质沥青与改性硬质沥青在刚度(靠上的曲线)、耗散能方面, 随循环次数增加呈献出不同的发展趋势。国产直馏硬质沥青的刚度与耗散能随循环次数的增加, 是一个近似直线下降的过程, 而改性硬质沥青存在不同的疲劳阶段, 开始阶段刚度和耗散能下降较快, 之后是一个平稳阶段。
改性硬质沥青由于添加了高性能的聚合物, 沥青的性能得到明显改善, 在15 ℃时抗疲劳性能较直馏硬质沥青有明显提高, 因此采用改性硬质沥青浇注式沥青混凝土的性能明显优于采用直馏硬质沥青。浇注式沥青混凝土由于其高沥青含量, 低空隙率, 其抗疲劳性能明显优于普通的沥青混凝土, 同时改性硬质沥青浇注式混凝土的疲劳性能优于直馏硬质沥青。
6. 结语
(1) 通过对硬质沥青胶结料性能测试发现, 国产直馏硬质沥青与自行研制的PmB45硬质沥青满足浇注式沥青混凝土相应规范的要求, 可以用作浇注式沥青混凝土的胶结料。
(2) 浇注式沥青混凝土粗集料含量低, 细集料和沥青含量高, 无论采用何种硬质沥青, 其高温性能改善较为有限, 这是浇注式沥青混凝土自身的不足, 国产直馏硬质沥青与改性硬质沥青生产的浇注式沥青混凝土高温性能相差不大。
(3) 浇注式沥青混凝土的弯曲性能较优, 尤其是在工作温度(15 ℃)时, 其弯曲性能是一般沥青混凝土无法比拟的。采用改性硬质沥青的浇注式沥青混凝土的弯曲性能优于采用直馏硬质沥青的。
(4) 浇注式沥青混凝土沥青含量高, 空隙率低, 其在15℃的抗疲劳性能特别优良, 明显优于普通的沥青混凝土, 且改性硬质沥青浇注式沥青混凝土的性能较直馏硬质沥青性能优。
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表 1 硬质沥青的技术指标
Table 1. Properties of hard bitumens
表 2 胶结料性能
Table 2. Properties of gussasphalt binders
表 3 车辙试验结果
Table 3. Rut test results
表 4 弯曲试验结果
Table 4. Bending test results
表 5 疲劳试验结果
Table 5. Fatigue test results
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