30_硬质沥青及沥青混合料的性能研究

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2006年12月󰀁文章编号:1671-2579(2006)06-0185-04

中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁185󰀁

30#硬质沥青及沥青混合料的性能研究

梁春雨,刘󰀁峰

(吉林大学,吉林长春󰀁130025)

󰀁󰀁摘󰀁要:沥青路面采用的沥青标号将直接影响其使用性能,近年来国际上使用的沥青有向稠的方向发展的趋势,以期增强沥青路面的抗车辙能力,尤其是中下面层。该文通过室内试验测试了30#硬质沥青的性能指标,对其沥青混合料进行了配合比设计,并分析了30#硬质沥青混合料的性能,结果表明30#硬质沥青混合料具有优良的抗高温变形能力,用于沥青路面的中下面层可以大幅度减少由于高温和重载所产生的车辙。

关键词:硬质沥青;配合比设计;车辙;高温性能

1󰀁引言

硬质沥青(Hard-gradepavingasphalt)是一种低标号的重交沥青,最早出现于法国,并在过去的几十年里得到了广泛的应用。从20世纪70年代初开始,法国沥青路面的底面层采用最大粒径14或20mm的良好级配碎石集料,4.5%的针入度,50/70或35/50沥青。

我国目前对于标号低于70#沥青的研究和应用均较少,沥青路面结构的中、下面层使用的沥青偏软是导致夏季沥青路面产生车辙的原因之一,为此很多高速公路在沥青路面的中、下面层也使用改性沥青,但极大地增加了公路的建设成本。如能够在沥青路面的中、

下面层使用硬质沥青,既可提高路面的抗车辙性能也

可大幅降低工程成本。

2󰀁沥青性能指标试验

本研究所采用的沥青为中海石油泰州沥青厂生产的30#硬质沥青,为评价其路用性能,同时将沥青路面中下面层常用的90重交沥青与其作比较,所用的90#重交沥青也是同一厂家生产的。

分别对这两种沥青进行了性能指标试验,其结果列于表1(表中T-30为30#硬质沥青,T-90为90#重交沥青)。表1同时列出了我国道路石油沥青技术要求和欧洲CEN沥青标准中对30#硬质沥青的相关要求。

我国沥青技术要求(30#A级)

20~405055260

-1.5~+1.0

2.2!0.865-55

-欧洲CEN沥青标准20/3020~30

-55~63440

-2.2!0.5

5352~6026030/4530~45

#

表1󰀁沥青技术性能指标试验结果

检测项目

针入度(25󰀂,100g,5s)/0.1mm

延度(15󰀂,5cm/min)/cm软化点(环球法)/󰀂60󰀂动力粘度/Pa s针入度指数PI蜡含量(蒸馏法)/%

薄膜加热试验(163󰀂,5h)

质量变化/%针入度比/%延度(15󰀂)/cm

T-9084>10041127-1.32.0-0.0483.6>100

T-30334054700-0.42.0+0.0476.78.9

收稿日期:2006-10-28

作者简介:梁春雨,女,博士研究生,讲师.

󰀁186󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁26卷󰀁󰀁󰀁从表1的试验结果可以看出,30#硬质沥青具有较高的软化点和粘度,将其试验指标与我国∀公路沥青路面施工技术规范#(JTGF40-2004)道路石油沥青技术要求相对比,除15󰀂延度以外,其余指标均能达到30#道路石油沥青的A级标准。同时这种30#硬质沥青的各项指标也均符合欧洲CEN沥青标准对相应针入度沥青的指标要求。

最大粒径(mm);di为某筛孔尺寸(mm);A、B、A∃、B∃为系数。

(2)试验级配的确定

室内试验证明,令公称最大粒径的通过量为100%,有利于室内试件的均匀性和减小试验结果的变异性,施工现场的经验也证明,没有公称最大粒径以上的粗颗粒,可改善集料离析现象,使表面较均匀美观,这点对粗粒式和中粒式SAC尤其重要。鉴于此,初拟试验级配公称最大粒径、4.75mm筛孔和0.075mm筛孔的通过量分别为100%、35%和5%,按公式(1)、

3.1󰀁沥青混合料配合比设计3.1.1󰀁试验方案

本研究用马歇尔设计方法进行沥青混合料配合比设计,30硬质沥青和90重交沥青的密度分别为1.015、1.010g/cm,集料为安山岩,填料为水泥,密度为3.0376g/cm。

所用各档集料的密度如表2所示。

表2󰀁试验用集料密度

集料规格/mm19~1616~13.213.2~9.59.5~4.754.75~2.36

表干密度/g cm-32.8472.8562.8472.8372.772

28973

集料规格/mm2.36~1.181.18~0.60.6~0.30.3~0.150.15~0.075

表干密度/g cm-32.2.2.2.2.685642620609603

24226

3

3

#

#

3󰀁沥青混合料试验

(2)计算得到的SAC20级配如表3所示。

表3󰀁SAC20初拟试验级配

筛孔/mm26.5191613.29.54.75

通过率/%100.0100.087.875.959.235.0

筛孔/mm2.361.180.60.30.150.075

通过率/%25.218.213.39.66.95.0

󰀁󰀁由于一个矿料级配不可能适应不同岩石加工的集料,所以通过上述计算得到的级配还需要进行检验,以考察其是否能形成骨架密实结构。对SAC进行矿料级配检验采用VCADRF方法,其基本原理是以风干粗集料在不同密度(如干捣实密度、一般密度和疏松密度)时的空隙率VCA

DR

为基础,将其减去预留空气率

3.1.2󰀁试验级配

由于拟将30#硬质沥青应用于沥青路面的中下面层,本试验采用的级配是多碎石沥青混合料SAC20,该级配是一种以粗集料为主的断级配,可以按照实际需要设计成悬浮式密实结构、一般骨架密实结构和紧密骨架密实结构。

(1)SAC级配设计方法

在进行SAC骨架密实结构矿料级配设计时,首先要确定分界粒径以上的粗集料含量,同时确定公称最大粒径Dmax的通过量。SAC20的级配设计有3个控制点,即公称最大粒径、4.75mm筛孔和0.075mm筛孔的通过量,利用这3个控制点,计算两段级配曲线,第一段描述粗集料,第二段描述细集料(包括填料),这两段曲线各有自己的幂函数,连接在一起组成一根完整的中断曲线。计算的基本公式如下:

粗集料Pdi=A(di/Dmax)

BB

Va,即VCADR-Va后的可用空隙率VCADRU为标准;对于骨架密实结构,细集料、填料和沥青的体积率之和应恰好能填满VCADRU。用VCADRF方法进行矿料级配检验的基本方程为:

(Pca/GCADRC)%(VCA其中:VCA式中:VCA

DRC

DRC

DRC

-Va)=

(3)

Pfa/Gb,fa+Pfi/Ga,fi+PB/GB

=1-GCADRC/Gb,ca

3

为干捣实粗集料的空隙率(%);GCADRC

为粗集料的干捣实密度(g/cm);Va为沥青混凝土中的空气率或空隙率(%);Pca为矿料级配中粗集料的含量百分率(%);Pfa为矿料级配中细集料的含量百分率(%);Pfi为矿料级配中小于0.075mm填料(即矿粉或水泥)的含量百分率(%);PB为沥青用量(油石比,%);Gb,ca为粗集料的毛体积密度(g/cm3);Gb,fa为细集料的毛体积密度(g/cm3);Ga,fi为填料的视密度(g/cm3);GB为沥青的密度(g/cm3)。

用上述VCADRF方法检验调整后的SAC20试验级配如表4所示。(1)(2)

细集料Pdi=A∃(di/4.75)∃

式中:Pdi为筛孔尺寸di的通过量(%);Dmax为矿料的6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁30#硬质沥青及沥青混合料的性能研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁187󰀁󰀁

表4󰀁检验调整后的SAC20试验级配

筛孔/mm26.5

191613.29.54.75

通过率/%100.0100.088.076.359.735.7

筛孔/mm2.361.180.60.30.150.075

通过率/%27.320.916.112.39.47.2

3.1.3󰀁配合比设计

按照∀沥青及沥青混合料试验规程#(JTJ052-2000)的要求对表4中SAC20沥青混合料进行双面击实75次标准马歇尔试验。制作30#硬质沥青马歇尔试件时,沥青的加热温度为180󰀂,矿料的加热温度为190~195󰀂,沥青混合料的拌和温度为170󰀂,马歇尔试件的击实温度为165󰀂;制作90#重交沥青马歇尔试件时,沥青的加热温度为170󰀂,矿料的加热温度为180~185󰀂,沥青混合料的拌和温度为160󰀂,马歇尔试件的击实温度为155󰀂。

采用表干法测量试件的毛体积密度,计算沥青混合料的最大理论密度,并以此计算沥青混合料马歇尔试件的体积指标,见表5。

根据以上试验结果,如按混合料的空隙率VV为4%控制,30#硬质沥青和90#沥青混合料的最佳油石比分别为4.0%和3.7%,硬质沥青混合料的最佳油石

󰀁󰀁调整前后的试验级配曲线如图1所示。

图1󰀁级配检验调整前后的级配曲线

比要比90沥青混合料高0.3%,可见硬质沥青的沥青用量稍高。并且马歇尔稳定度均远大于现行规范的

稳定度/kN13.213.314.411.512.913.4

流值/0.1mm303235313335

#

表5󰀁沥青混合料马歇尔试验结果

沥青

油石比/%3.53.84.13.53.84.1

表干密度/g cm-32.482232.492192.509352.509332.529292.53698

理论密度/g cm-32.635322.623222.611292.634172.621992.60998

VV/%5.814.993.904.743.542.80

VMA/%14.013.913.513.012.612.6

VCA/%45.5845.5145.3044.9844.7044.70

VFA/%58.464.071.163.671.977.8

T-30

T-90

要求值8kN,说明所设计的SAC级配形成了骨架密实结构,具有良好的承载能力。3.2󰀁沥青混合料性能试验3.2.1󰀁高温性能

用车辙试验来评价沥青混合料的高温性能。成型300mm%300mm%50mm的车辙板,试验温度60󰀂,轮压0.7MPa,试验结果见表6、图2、图3和图4。

表6󰀁沥青混合料车辙试验结果

沥青T-30T-90

油石比

/%3.74.03.74.0

动稳定度2h永久形变2h相对形变/次 mm-1/mm/%8750645022501703

0.8411.1642.8333.667

1.682.335.677.33

图2󰀁沥青混合料车辙试验曲线

󰀁󰀁车辙试验时,试件在60󰀂保温4h后,开始进行试验。取轮压作用45min和60min时的形变计算动

图3󰀁动稳定度比较图

󰀁188󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁26卷󰀁

在表层下一定深度处(约在面层下4~5cm处),说明中、下面层的高温稳定性对沥青混凝土路面结构的抗车辙性能有非常大的影响。为提高中下面层的高温稳

定性,一方面应选择良好的级配,使沥青混合料形成骨架密实结构;另一方面应提高所用沥青的粘度,选用针入度较小的硬质沥青是一个途径。

30#硬质沥青及其沥青混合料试验研究表明30#

图4󰀁2h相对形变比较

硬质沥青具有以下优点:&较高的软化点和粘度;∋其沥青用量比90#沥青混合料稍高;(具有非常好的抗高温性能;)良好的水稳定性。

以上结果说明30#硬质沥青混合料用于沥青路面的中下面层可以大幅度减少由于高温和重载所产生的车辙,并且由于30硬质沥青价格平均比改性沥青低1000元/t左右,可大大降低工程费用。

考虑到30#硬质沥青针入度较小,粘度较高,低温性能可能较差。有文献进行了硬质沥青的低温收缩试验,结果表明硬质沥青混合料的收缩系数并不比常规70#沥青的温度收缩系数大,同时随着路面深度的增加,气温对路面温度的影响程度逐渐减弱,因此将硬质沥青用于沥青路面的中下面层是可行的,当然其对沥青路面的低温性能所产生的影响以及适用范围和条件还有待进一步研究和试验路的验证。参考文献:

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AsphaltandofHigh-ModulusAsphaltMixesinFrance[R].TransportationResearchCircular503:PerpetualBi󰀁tuminousPavements,2001.

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[3]󰀁沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].

北京:人民交通出版社,2001.

[4]󰀁孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出

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[5]󰀁王玉顺.硬质沥青用于沥青混凝土的性能研究[J].公路

交通科技,2005(5).

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稳定度DS,并记录7200s(2h)时的形变,计算产生的相对永久形变,即形变与试件厚度的比值。

由车辙试验的结果可以看出,30#硬质沥青和90#沥青混合料在最佳油石比时的动稳定度分别为6450次/mm和2250次/mm。30硬质沥青混合料的动稳定度远远高于规范中对普通沥青混合料的要求(800次/mm),甚至也远高于规范对改性沥青混合料的要求(2400次/mm);并且其2h的相对形变也只有2.33%,说明30硬质沥青混合料具有非常好的高温抗永久形变能力,将其用于沥青路面的中下面层将能大幅减少高温或重载所产生的车辙。

同时,图2、3、4还表明两种沥青混合料的动稳定度均随油石比的增加而降低,油石比增加0.3%,动稳定度分别降低了26.3%和24.3%,沥青用量对沥青混合料的高温性能有很大影响;在油石比相同的情况下,30硬质沥青混合料的动稳定度是90沥青混合料动稳定度的4~5倍,2h相对形变却只有90#沥青混合料的1/4~1/3,这也充分表明了30#硬质沥青混合料优良的高温性能。3.2.2󰀁水稳定性

为评价30硬质沥青混合料的水稳定性,在最佳沥青用量下制作马歇尔试件,进行残留稳定度试验和冻融劈裂试验,其检验结果分别为:浸水马歇尔试验残留稳定度为93%,冻融劈裂试验残留强度比为87%,都大于施工技术规范所要求的80%和75%的标准。

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4󰀁结论

大量研究发现,沥青混凝土路面最高温度出现