新型高性能超薄磨耗层沥青混合料设计与应用.pdf
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1、 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.037 新型高性能超薄磨耗层沥青混合料设计与应用 孙 强 1,李 夏1,殷鹏昊2,段美栋3,江照伟1(1.山东省交通科学研究院,山东 济南 250102;2.枣庄市公路和地方铁路事业发展中心,山东 枣庄 277000;3.山东高速股份有限公司,山东 济南 250014)摘要:本文针对超薄磨耗层预防性养护技术的研究及应用问题,系统研究了一种新型高性能超薄磨耗层沥青混合料SMA-7,分析了 SMA-7 沥青混合料的设计原理,包括差异磨耗原理、沥青胶结料干法复合改性以及基于性能平衡的配合比设计方法,并开展了沥青混合料配合比设
2、计试验。研究表明:高性能超薄磨耗层沥青混合料 SMA-7 的高温、低温、水稳定性等性能优异,各项指标远高于相关规范要求。并成功应用于某高速公路养护维修工程,试验路检测结果表明该超薄磨耗层具有良好的密水、抗滑及降噪性能。关键词:养护工程;超薄磨耗层;差异磨耗;性能平衡;抗滑;降噪 中图分类号:U416.217 文献标识码:A 文章编号:1673-6478(2023)04-0170-05 Design and Application of New Asphalt Mixture with High Performance for Ultra-thin Wearing Course SUN Qian
3、g1,LI Xia1,YIN Penghao2,DUAN Meidong3,JIANG Zhaowei1(1.Shandong Transportation Research Institute,Jinan Shandong 250102,China;2.Zaozhuang Highway and Local Railway Development Center,Zaozhuang Shandong 277000,China;3.Shandong Hi-speed Company Limited,Jinan Shandong 250014,China)Abstract:Aiming at th
4、e research and application of preventive maintenance technology for ultra-thin wearing course,a new high-performance ultra-thin wearing course asphalt mixture SMA-7 was systematically studied.The design principle of SMA-7 asphalt mixture was analyzed,including differential wear principle,dry composi
5、te modification of asphalt cement and mix design method based on performance balance.The performance test and mix design test had been carried out,and the research showed that,high performance ultra-thin wearing course asphalt mixture SMA-7 had excellent high and low temperature performance and wate
6、r stability,and all indicators were far higher than the requirements of relevant specifications.It had been successfully applied to a expressway maintenance project.The test results of the test road showed that the ultra-thin wearing course had good water tightness,skid resistance and noise reductio
7、n performance.Key words:maintenance engineering;ultra-thin wearing course;differential wear;performance balance;skid resistance;noise reduction 0 引言 随着我国高速公路建设质量的不断提升,高速公路在使用过程中出现坑槽、车辙等结构性病害的概率 收稿日期:2022-12-03 作者简介:孙强(1985-),男,山东寿光人,高级工程师,从事沥青路面结构与材料研究工作.()大大减少,主要病害为抗滑衰减等表面功能衰减1。因此能改善道路表面功能、延长路面寿命的预
8、防性养护技术逐渐兴起,但不少封层类、微表处等预防性养护技术在应用过程中出现了抗滑不足、表面脱落、噪音第 4 期 孙强等,新型高性能超薄磨耗层沥青混合料设计与应用 171 大、裂缝、车辙、耐久性差等问题;相比之下,超薄磨耗层技术具有抗滑好、噪声小、耐久性好等优点2-3。超薄磨耗层起源于法国BBM薄层罩面养护技术,西班牙、英国、波兰、瑞典、美国等也随即开展了此项技术的研究,20 世纪 90 年代的后期美国开发了著名的 Novachip 技术,并在美国大规模推广应用4-6;在20 世纪 90 年代中后期,我国在北京、广州等地尝试铺筑了薄层罩面试验路,但因技术水平限制导致使用效果较差7;刘朝晖、沙庆林
9、8-9研究了超薄层沥青混凝土 SAC-10,并测试了其力学指标与体积指标,可用于超薄罩面层;程永春10等人选用 SBS 改性沥青和硬质集料设计断级配超薄磨耗层,通过室内性能试验提出其可应用于寒冷地区沥青路面。本文系统研究了一种新型高性能超薄磨耗层沥青混合料(SMA-7),最大公称粒径 6.7mm,施工结构层厚度为 2.0cm;开展高性能超薄磨耗层沥青混合料设计原理分析,并以沥青混合料高低温性能、水稳定性等路用性能为设计指标进行性能试验配合比设计,最后通过现场试验段进行验证。1 设计原理 1.1 差异磨耗原理 超薄磨耗层作为一种恢复沥青路面表面功能的养护手段,其抗磨耗性能尤为重要。根据目前研究成
10、果,不同耐磨性能的集料混合在一起,在长期磨光过程中,集料间产生差异磨耗,形成次生的宏观纹理,从而保持沥青路面具有良好的抗滑性能。石灰岩所含硬质矿物含量少、耐磨性差,但通过与磨光值高、所含硬质矿物多的集料进行粗集料掺配,在最佳掺配比例下可以明显提高掺配后沥青混合料的长期抗滑性能,摆值可以提高 5 左右。因此本文采用玄武岩作为粗集料,石灰岩作为细集料,开展超薄磨耗层沥青混合料设计研究。1.2 沥青胶结料干法改性 由于超薄磨耗层施工厚度较薄,沥青混合料级配相对较细,传统的基质沥青甚至 SBS 改性沥青已无法满足超薄磨耗层沥青混合料的性能要求,因此超薄磨耗层需要使用黏度更高、弹性恢复能力更好的特殊沥青
11、。日本等其他国家最早提出了高黏弹沥青的概念,并研发了多种改性剂,以此来提升沥青的 60动力黏度,保证沥青混合料的路用性能。但大多数高黏弹改性沥青为湿法加工工艺,对生产设备、工艺要求高,运输储存及使用难度大,因此本文采用高黏弹改性剂干法直投沥青混合料生产方法。1.3 基于性能平衡的配合比设计方法 由于超薄磨耗层特殊的使用层位和功能需求,目前常规采用的马歇尔沥青混合料设计法已无法满足超薄沥青混合料的设计需求,马歇尔体积指标满足要求的同时,高低温性能、水稳定性等沥青混合料路用性能指标往往不满足要求。因此本文参考美国联邦公路管理局(FHWA)平衡设计法中的性能试验改进体积设计方法,即从马歇尔配合比设计
12、方法开始,建立初始的集料级配和沥青含量,然后调整沥青用量以满足性能试验要求。2 混合料配合比设计 SMA-7 超薄磨耗层沥青混合料,最大公称粒径6.7mm,可施工结构层厚度为 2.0cm。混合料为断级配类型,以玄武岩为粗集料,以石灰岩为细集料,沥青胶结料选用 SBS 改性沥青,木质素纤维添加量为 0.3%,高黏弹改性剂添加量为 0.6%。根据经验及初步试验研究确定 SMA-7 超薄磨耗层沥青混合料初始级配,合成级配组成见表 1;初始沥青用量为 6.7%,马歇尔试验结果见表 2。由试验结果可知,空隙率略小,仅为 3.8%,其他各项马歇尔体积指标基本符合设计预期。表 1 合成级配组成 Tab.1
13、Composite grading composition 级配名称 筛孔尺寸/mm 13.2 9.5 6.7 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 初始级配 100.0 100.0 91.3 54.1 29.7 23.6 18.7 16.9 14.2 11.8 SMA-7 规范级配上限 100.0 100.0 100.0 55.0 35.0 28.0 24.0 20.0 16.0 13.0 SMA-7 规范级配下限 100.0 100.0 85.0 35.0 17.0 16.0 12.0 10.0 8.0 8.0 表 2 马歇尔体积参数 Tab.2 Marsha
14、ll volume parameter 级配 沥青 用量/%理论最大相对密度t 试件毛体积相对密度 空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%稳定度/kN 流值/mm 初始 级配 6.7 2.395 2.305 3.8 16.7 77.2 10.77 3.6 2.1 高温稳定性 根据初步确定的 SMA-7 超薄磨耗层沥青混合料确定级配,调整沥青用量设计,采用 5.9%、6.2%、172 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 6.5%、6.8%和 7.1%的沥青用量进行车辙试验,每个沥青用量做三组平行试验,结果取三组平行试验平均值,试验结果如图 1 所示。图 1 SMA-7 车辙
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