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        不同改性瀝青及纖維對大空隙率瀝青路面性能影響的研究

        2018-03-02 02:19:48張波
        城市道橋與防洪 2018年1期
        關(guān)鍵詞:瀝青路面

        張波

        (大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司設(shè)計三所,遼寧 大連 116028)

        0 引言

        近年來,隨著城市的快速發(fā)展,大量高架快速路應(yīng)運而生,高架快速路對于緩解城市交通擁堵發(fā)揮著重要的緩解作用。高架快速路由于車速快且鄰近居民區(qū),行車時會產(chǎn)生大量噪聲,為降低交通噪聲對沿線居民生活的影響,目前常采用大空隙瀝青路面。大空隙瀝青路面不僅可以降低行車噪聲,同時具有排水性好、抗滑能力強、行車安全高等優(yōu)點,是城市重要路段路面的首選方案[1-2]。

        目前我國多個城市采用大空隙率瀝青路面,比如大連東聯(lián)路。東聯(lián)路為貫穿南北的主干路,全長11.3 km,路面寬度24 m,雙向六車道,由于城市用地緊張,東聯(lián)路沿線緊鄰城市居民住宅,為降低行車噪聲對周圍居民的影響,東聯(lián)路全線鋪設(shè)大空隙率瀝青路面,實際運營效果顯示,大空隙率瀝青路面確實有效降低了行車噪聲。

        與普通瀝青路面相比,大空隙瀝青路面對改性瀝青及集料有更高的要求。本文選用SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復(fù)合作為改性劑對瀝青進(jìn)行改性,以日本TPS改性瀝青作為參照對比。主要研究SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復(fù)合三種改性劑與日本TPS改性瀝青混合料性能的對比;研究長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對改性瀝青混合料性能的影響;大空隙率瀝青路面建議采用玄武巖作為集料,但國內(nèi)并不是所有城市都有購買玄武巖的財政能力,本文采用石灰?guī)r、玄武巖作為集料,研究其對瀝青混合料性能的影響。

        1 原材料

        1.1 瀝青

        瀝青采用普通90#瀝青,具體性能指標(biāo)見表1。

        表1 瀝青基本性能

        1.2 改性劑

        (1)橡膠粉改性劑。

        (2)SBS改性劑。SBS改性劑既具有橡膠的性質(zhì),又有樹脂熱塑性質(zhì),外觀呈現(xiàn)線狀形狀,多孔罩粒。

        (3)TPS改性劑。用于大空隙率瀝青路面的日本進(jìn)口改性劑。

        1.3 集料

        集料采用石灰?guī)r和玄武巖,石灰?guī)r與瀝青黏結(jié)性能優(yōu)于玄武巖,但石灰?guī)r的耐磨性能劣于玄武巖。

        2 不同改性瀝青對大空隙率瀝青混合料性能的影響

        2.1 改性瀝青混合料的高溫性能

        目前瀝青混合料高溫性能的評價主要采用的方法是馬歇爾穩(wěn)定度試驗法。

        2.1.1 馬歇爾試驗法

        馬歇爾試驗設(shè)備簡單、操作方便,目前被世界上許多國家采用,是我國評價高溫性能的主要試驗之一。馬歇爾要測定的指標(biāo)有穩(wěn)定度和流值,馬歇爾穩(wěn)定度是在規(guī)定的加載速率條件下,試件破壞前所能承受的最大荷載;流值是達(dá)到最大荷載時試件的垂直變形。

        馬歇爾試驗需要的儀器主要有馬歇爾擊實儀和馬歇爾試驗儀[3-4]。

        按照馬歇爾試件在水槽中保溫時間的不同,馬歇爾試驗分為馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度,馬歇爾穩(wěn)定度是在水中保溫30 min,而浸水馬歇爾穩(wěn)定度是48 h。

        為研究90#瀝青、不同改性瀝青對瀝青混合料性能的影響,選用工程中常用的改性劑摻量,SBS摻量5%、橡膠粉摻量16%、SBS5%與11%橡膠粉復(fù)合、TPS摻量4%,集料采用石灰?guī)r,馬歇爾穩(wěn)定度和流值結(jié)果見表2。

        表2 不同瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和流值的平均值

        從圖1a分析可知,四種改性瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度均大于大空隙瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度3.5 kN的規(guī)定,說明經(jīng)過改性的瀝青混合料均有良好的高溫穩(wěn)定性。在四種改性瀝青混合料中,TPS改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大,復(fù)合改性瀝青次之,SBS其次,橡膠粉最小。

        未經(jīng)改性90#瀝青的浸水馬歇爾穩(wěn)定度降低幅度最大,小于3.5 kN,其他四種改性瀝青則大于3.5 kN,TPS最大,復(fù)合改性瀝青次之,SBS其次,橡膠粉最小。復(fù)合改性瀝青的浸水馬歇爾穩(wěn)定度大于SBS改性瀝青,說明經(jīng)過復(fù)合改性瀝青的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

        圖1 穩(wěn)定度和流值

        從圖1b分析可知,未經(jīng)改性90#瀝青的流值超過規(guī)范的40 mm,不滿足規(guī)范要求。四種改性瀝青混合料的流值均在規(guī)范的20~40 mm,其中橡膠粉改性瀝青最大,復(fù)合改性瀝青其次,SBS次之,TPS最小。復(fù)合改性瀝青的流值與SBS改性瀝青混合料相比,流值稍有所增加。復(fù)合改性瀝青的浸水流值稍大于SBS改性瀝青,這是因為復(fù)合改性瀝青中加入了橡膠粉,由于橡膠粉本身是一種彈性很大的材料,增加了復(fù)合改性瀝青混合料的彈性,導(dǎo)致流值增加。

        2.2 大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性

        殘留穩(wěn)定度是指48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度與30 min馬歇爾穩(wěn)定度的比值。計算公式見式(1)。

        式中:MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度,%;MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度,kN;MS為試件浸水30 min后的穩(wěn)定度,kN。

        殘留穩(wěn)定度見表3。

        從圖2分析可知,改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均符合我國規(guī)范瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不得低于75%的規(guī)定,TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定最大,復(fù)合改性瀝青次之,大于SBS,橡膠粉的殘留穩(wěn)定度最小,說明復(fù)合改性瀝青混合料高于SBS的水穩(wěn)性。四種改性瀝青中,橡膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)性最差。不同纖維TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度見表4。

        表3 殘留穩(wěn)定度平均值

        圖2 不同改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

        表4 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度平均值

        從圖3a分析可知,長纖維摻量為0.3%時,與TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度相比,無纖維的TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有下降,短切纖維和纖維棉摻量0.3%時,TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有提高,摻加不同纖維類型對大空隙瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度有一定程度影響,但不明顯。

        從圖3b分析可知,集料采用石灰?guī)r的TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與玄武巖相差不大。

        圖3 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

        2.3 改性瀝青混合料的力學(xué)性能

        大空隙瀝青路面作為路面的表面層,主要作用是將車輛荷載傳遞到中面層,所以大空隙瀝青混合料不僅要有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)性,還需具有良好的力學(xué)性能[5]。

        2.3.1 抗壓強度

        抗壓強度是瀝青混合料抵抗外力荷載的強度。具體實驗方法是將馬歇爾試件在15℃的條件下靜置24 h,用卡尺在試件上下兩個斷面的垂直方向上正確量取試件的直徑,取平均值。然后放在萬能材料壓力機上加載。計算公式見式(2)。

        式中:Rc為試件的抗壓強度,MPa;P為試件破壞時的最大荷載,N;d為試件直徑,mm。

        從表5分析可知,經(jīng)過改性的瀝青混合料的抗壓強度均高于未經(jīng)改性90#瀝青的抗壓強度,TPS改性瀝青混合料的抗壓強度最大,復(fù)合改性瀝青次之,SBS其次,橡膠粉最小。

        采用石灰?guī)r和玄武巖的抗壓強度相差無幾,而纖維對改性瀝青混合料的抗壓強度提高作用并不明顯。

        2.3.2 劈裂強度

        冬季氣溫低,瀝青路面會因為溫度的急劇下降加上持續(xù)的車輛荷載作用導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象,對路面的路用性能影響極大,同時水會從開裂處大量侵蝕瀝青混合料,從而導(dǎo)致水穩(wěn)性能急劇下降。

        表5 不同改性瀝青混合料的抗壓強度 MPa

        試驗步驟:測定馬歇爾試件的直徑及高度,準(zhǔn)確至0.1 mm。將試件放入到15℃的恒溫水槽中,不少于1.5 h。當(dāng)為恒溫空氣浴時不少于6 h,直至試件內(nèi)部溫度達(dá)到要求的溫度為止,保溫時注意試件之間的距離不少于10 mm。從恒溫水槽中取出試件,放到萬能材料試驗機上加載。計算公式見式(3)。

        式中:RT為劈裂抗拉強度,MPa;PT為試驗荷載最大值,N;h為試件高度,mm。

        從表6分析可知,經(jīng)過改性瀝青混合料的劈裂強度均高于未經(jīng)改性90#瀝青混合料的劈裂強度,TPS改性瀝青混合料的劈裂強度最大,復(fù)合改性瀝青次之,SBS其次,橡膠粉最小。

        采用石灰?guī)r和玄武巖的劈裂強度相差無幾,而纖維對改性瀝青混合料的劈裂強度稍有提高,加載時試件首先產(chǎn)生許多微小的裂縫,在混合料中摻加纖維后,纖維能夠延緩微小裂縫的繼續(xù)增大,提高了混合料的劈裂強度。

        表6 劈裂試驗強度 MPa

        3 結(jié)語

        (1)通過試驗得知,SBS和橡膠粉復(fù)合材料綜合性能相對最接近于TPS改性劑,SBS性能其次,橡膠粉最差。

        (2)長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對大空隙瀝青路面性能影響不同,纖維棉最好,短切纖維其次,長纖維最差。纖維對大空隙瀝青路面性能稍有提高,但作用不明顯。

        (3)玄武巖作為集料的大空隙瀝青路面性能稍優(yōu)于以石灰?guī)r作為集料的大空隙瀝青路面,玄武巖耐磨性能要優(yōu)于石灰?guī)r,在鋪設(shè)大空隙率瀝青路面工程中,要依據(jù)當(dāng)?shù)厥希x擇合適的石料。

        [1]沈金安.開級配多空隙排水型瀝青路面[J].中外公路,1994(6):15-20.

        [2]曹衛(wèi)東,陳旭,呂偉民.簡述國內(nèi)外低噪聲瀝青路面研究狀況[J].石油瀝青,2005,19(1):50-54.

        [3]伍石生.低噪聲瀝青路面設(shè)計與施工養(yǎng)護(hù)[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [4]趙晶,王抒音.SBS改性瀝青技術(shù)與效果評價[J].中國公路學(xué)報,1997(4):18-24.

        [5]楊軍.聚合物改性瀝青[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

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