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    钢桥面铺装用新型高黏沥青及沥青混合料的研究

    发布时间:2023/3/14 9:40:06

    近几十年来,随着公路桥梁建设迅速发展,我国建设大量的大跨径桥梁。对于桥梁建设,在桥面铺装材料的开发应用尚未给予足够重视。目前国内针对大型钢桥开发的高黏沥青技术应用效果较好 [1, 2]。

    国内对高黏沥青的应用相对较晚,早期的一些工程中主要采用 TPS 改性剂 [3, 4]。在近几年,国内学者投入大量的精力进行高黏沥青开发工作 [5]。由于其优异的路用性能,国内在一些大型桥面铺装中逐渐采用高黏沥青技术 [6, 7]。与普通改性沥青相比,高黏沥青具有更高的黏韧性,用于黏结层时效果显著 [8, 9];由于高黏沥青黏度高,用以制备的沥青混合料在施工性能和综合性能等方面都具有优势 [10]。

    本文旨在研究自主开发的新型高黏沥青的性能,设计适合大型钢桥桥面铺装的 ***A-10 混合料,并对其综合路用性能及实际应用进行研究。

    1 高黏沥青的制备

    1.1 原材料

    本试验使用的基质沥青为齐鲁 70#A 级道路石油沥青,其基本技术指标试验结果如表 1 所示。高黏改性剂为实验室自主研发高黏改性剂,在 185℃温度下,只通过搅拌就可以溶化,不需要进行剪切。与市面常见高黏改性剂相比,具有高温易溶化、分散更均匀的特点,沥青改性效果更好。稳定剂采用实验室常用的硫磺稳定剂,可以促进改性剂与沥青之间更好融合,减少高黏沥青离析并提升改性沥青的部分性能。

    1.2 改性沥青制备工艺

    将基质沥青先在烘箱加热,然后在电热套中加热***185℃,保持温度不变,加入高黏改性剂,在搅拌机中均匀搅拌 50min,高黏改性剂完全溶化后加入稳定剂,185℃恒温发育 2.5h,即制得高黏沥青。

    2 高黏沥青的性能试验

    2.1 基本性能试验

    2.1.1 基本物理性能试验

    根据中国 JTG E20-2011 试验规程对实验室自主研制的高黏沥青进行各种沥青试验,以评估其物理力学性能。其技术指标见表 2。由表 2 看出,与 SBS 改性沥青相比,高黏沥青的针入度较小,表明高黏沥青高温性能越好;5℃下高黏沥青的延度值较大,说明其抗拉性能更好,抵抗低温开裂的能力更强。此高黏沥青的离析软化点差为 1.2℃,离析较小,说明稳定剂的加入确实提高了高黏沥青的储存稳定性,满足高黏沥青施***输和储存的要求。高黏沥青的 60℃动力黏度高达191300Pa·s,远远大于 SBS 改性沥青。在高黏沥青的60℃动力黏度很高的情况下,175℃布氏黏度在 0.5Pa·s左右,满足施工和易性要求,保证了沥青的施工质量。

    2.2 流变性能试验

    2.2.1 温度扫描试验

    通过动态剪切流变仪(DSR)对高黏沥青和 SBS 改性沥青进行温度扫描试验。动态剪切流变仪(DSR)采用 10rad/s 的加载速率,测得高黏沥青满足 PG-82 的要求,测试结果见表 3。

    由表 4 可以得出,相同温度下,高黏沥青的 S 值要小于 SBS 改性沥青,m 值大于 SBS 改性沥青,说明相比 SBS 改性沥青,高黏沥青消解自身温度应力的能力更强,低温性能更优。该高黏沥青蠕变劲度满足 -28℃的要求,达到了 PG 分级中 PG-28 的要求。

    3 沥青混合料路用性能研究

    3.1 高温稳定性能

    本研究采用 60℃车辙试验对沥青混合料的高温稳定性能进行评价,试验结果如图 1 所示

    对比车辙试验结果可以发现,高黏沥青混合料的车辙深度较低,动稳定度值更高。表明高黏沥青混合料具有较好的高温稳定性。

    3.2 低温抗裂性能

    本文采用低温小梁弯曲试验进行研究,试验结果如图 2 所示。

    由图 2 可知高黏沥青混合料的抗弯拉强度比 SBS改性沥青混合料高 16.5%,弯曲应变比 SBS 改性沥青混合料大 51.4%。高黏沥青混合料表现出更好的抗低温开裂能力。

    3.3 水稳定性能

    研究采用冻融劈裂试验 TSR 值评价沥青混合料的水稳定性。TSR 值越高,抗水损害能力越强。表 5 所示的高黏沥青混合料的 TSR 值比 SBS 改性沥青混合料的TSR 值高约 11%。91.57% 的数值表明,即使在冻融循环过程中,高黏沥青混合料试件只是出现了很小的水损害。

    4 工程应用

    本研究开发的高黏沥青于 2021 年,在东营胜利黄河大桥桥面铺装改造工程中得到应用。根据国内外钢桥面铺装的工程经验和***的科研成果,修补方案为上层 4cm 厚高黏 ***A-10+ 下层 5.5cm 厚超高性能混凝土(UHPC)。

    现场观测结果显示高黏沥青混合料 ***A-10 由于粗集料与细集料比例合理,相应的表面构造深度满足要求;高黏沥青混合料 ***A-10 的空隙率、渗水系数、摩擦性能均能够满足钢桥面铺装的要求,使得面层具有良好抗滑性和耐磨性能。现场铺装效果较好,证明高黏沥青作为钢桥桥面铺装材料的适用性。

    5 结论

    本文介绍一种用于钢桥面铺装的高黏沥青和高黏沥青混合料。在实验室对自主研发的高黏沥青进行性能试验评价,并在实际桥面铺装改造工程中进行应用。在此基础上,得出以下结论:

    (1)自主研发的高黏沥青只需通过搅拌可以制得,不需要进行剪切,并且有很好的高低温性能,储存稳定性良好。

    (2)混合料试验表明,高黏沥青混合料具有良好的路用性能。高黏沥青混合料的 60℃动稳定度、弯曲应变、TSR 分别高于 SBS 改性沥青混合料 39.5%、51.4%、11%。

    (3)实际工程应用良好证明高黏沥青作为钢桥面铺装材料的实用性。

    参考文献:

    [1] 莫恩华 . 研究大跨径桥梁钢桥面的铺装设计 [J]. 公路交通科技(应用技术版), 2019, 11): 127-128, 152.

    [2] 吕大春,曾梦澜,刘斌清,等 . TPS 高黏改性沥青

    Superp***e 使用性能研究 [J]. 公路工程 , 2019, 44(6): 191-195, 265.

    [3] *** . 新型 TPS 在排水沥青路面中的应用研究 [J]. 中国科技纵横 , 2019, 9): 132-133.

    [4] 刘新权,丁庆军,姚永永,等 . 高粘度改性沥青配制钢箱梁桥面 ***A 铺装层的研究 [J]. 公路 , 2007, 09): 97-100.

    [5] Hu J,Ma T, Zhu Y, et al. High-viscosity modified asphalt mixtures for double-layer porous asphalt p***ement: Design optimization and evaluation metrics[J]. Construction and Building Materials, 2021, 271.

    [6] 庄伟龙 . 高粘度改性沥青的制备与性能研究 [D]. 福州大学 , 2016.

    [7] Luo Y,Zhang K, Li P, et al. Performance evaluation of stone mastic asphalt mixture with different high viscosity modified asphalt based on laboratory tests[J]. Construction and Building Materials, 2019, 225: 214-222.

    [8] 李立寒,耿韩,孙艳娜 . 高黏度沥青黏度的评价方法与评价指标 [J]. 建筑材料学报 , 2010, 13(03): 352-356.

    [9] Hu X,Li S, Yao H, et al. Gradation Design and

    Performance Evaluation of High Viscosity Asphalt Mixtures[J]. Advances in Civil Engineering, 2020, 2020.

    [10] 张锐,黄晓明,侯曙光 . 新型沥青添加剂 TPS 的性能 [J]. 交通运输工程学报 , 2006, 04): 36-40.


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