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摘 要:几十年来,为了提高沥青路面的使用性能,延长使用寿命,克服车辙、水损坏等常见的沥青路面损坏现象,人们对沥青混合料组成采取了各种措施,控制孔隙率、采取S形级配,使用改性沥青,添加纤维是近年来最常见的方法。而改性沥青、纤维的广泛使用,使得从混合料结构组成来判断路面使用性能是很有必要的。
关键词:沥青混合料;组成结构;S形级配空隙率
中图分类号:TB
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)09-0341-02
1 几种典型沥青混合料
依据沥青混合料组成结构理论,沥青混合料组成结构类型可主要分为悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构三种类型。这三种结构类型在现今被人们所熟知的有:AC、SMA、SAC、Superpave混合料、OGFC、ATB、AK、ATPB等等。几种混合料的级配见表1。
(1)AC是传统连续密级配沥青混凝土,在《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97)中属于悬浮密实结构。在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中这种沥青混合料舍弃了原来II型级配混合料,通过对关键筛孔通过率的控制分为粗型和细型。粗型实际上是AK系列A型的调整型,加强压实度的控制,减小空隙率,级配向骨架密实型靠近。
(2)SMA在我国被称为沥青玛蹄脂碎石混合料,属于骨架密实结构。它由大比例碎石构成坚固的骨架结构,并由丰富的沥青玛蹄脂填充骨架空隙进行稳定。
(3)SAC为我国自主开发的沥青混合料结构类型,因SAC-16矿料中大于4.75mm的颗粒含量为59%(范围中值),比《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97)的AC-16I矿料中大于4.75mm的颗粒含量42.5%多16.5%,故命名为多碎石沥青混凝土。4.75mm以上碎石含量小于60%的SAC,属于悬浮密实结构;4.75mm以上碎石含量在70%左右,属于骨架密实结构。
(4)Superpave是一种沥青混合料设计法,是美国为寻找一个新的设计体系来克服马歇尔和维姆设计体系造成路面存在的车辙和裂缝这一普遍问题而提出的公路研究计划(SHRP)的一个重要成果。以Superpave设计法设计的沥青混合料在这里简称为SUP,属于悬浮密实结构与骨架密实结构的过渡类型。
(5)OGFC是一种特殊用途的沥青混合料,属于骨架空隙结构。空隙率达15%-25%,《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求空隙率大于18%,是为了提高遇雨行车的安全与舒适性及降低行车噪声而开发的一种开级配混合料。
(6)AK被称为抗滑表层,是早期我国为了满足路面表层抗滑性能及构造深度而设计的一种路面类型,是一种半开级配混合料。
(7)ATB属于骨架密实结构,称为沥青稳定碎石。在结构层次中一般被应用为上基层或下面层。
(8)ATPB属于骨架空隙结构,被称为大空隙排水式沥青碎石。空隙率大于18%可以用来作为排水基层或者是半刚性基层的隔离层。
2 使用性能比较
上述几种典型沥青混合料,在今天都大量使用改性沥青、纤维来提高其使用性能,因此材料差异不再是它们之间的区别。那么在集料特性完全一致,胶结料也采用Superpave性能等级胶结料规范中同-PG等级的沥青,添加同一类型纤维,排除施工因素时,它们的使用性能又是如何呢?
2.1 防水、排水性能
防止水损坏从结构设计上来说主要有两种方法,一种是提高密实度,一种是考虑沥青面层自身排水。原来我国早期使用的AK系列面层,由于一味提高粗集料含量,追求提高表面抗滑性能,空隙率处于6%-12%之间,在这个空隙率范围,水容易进入并滞留在混合料内部,不容易排走且易在荷载作用下产生很大动水压力,造成沥青混合料的水损坏,所以AK类路面最容易发生早期水损坏,现在基本上没有人采用它了。
2.2 抵抗车辙
AC现在有一种粗型级配,它要求通过关键筛孔的粗集料在某个水平以上。增加粗集料确实可以对抵抗车辙增加一定嵌挤作用,但是如果没有形成真正的骨架结构,这种作用是有限的。各级集料有可能被次级集料所隔开,不能直接靠拢而形成骨架,这个时候,其混合料强度仍然受沥青胶泥的黏结力所左右。而沥青的强度和劲度模量随着温度的升高而降低,当混合料的稳定度极限低于荷载应力时,沥青混合料将发生侧向流动变形。
SMA具有一种骨架结构,从材料力学看,这种骨架结构无疑拥有最大的稳定性。在这种结构状态下,混合料的粗集料相互之间的接触面很多,粗集料骨架承担了大部分压应力及剪应力载荷的作用。由于粗集料之间良好的嵌挤作用,沥青混合料产生了非常好的抵抗变形的能力。即使是在温度变高,沥青黏度下降的情况下,对混合料的抗剪强度影响也是有限的。同时SMA增加填料含量到10%以上,使它能吸附更多的沥青,更多的沥青胶泥意味着SMA混合料具有比其他混合料更好的抵抗变形或者回复变形的能力。骨架结构与空隙间较多的沥青胶泥决定了SMA的抗车辙能力是最好的。
SAC这种混合料结构介于AC与SMA之间,它的主体思想就是提高粗集料含量来增加嵌挤作用直至形成真正的骨架。沙庆林院士以VCA MIX与VCA DRC的关系为标准来判断它的结构是属于悬浮密实结构、一般骨架结构及骨架密实结构。一般骨架结构为悬浮密实结构与骨架密实结构的过渡类型。所以它的抗车辙能力也介于AC与SMA之间,但不超过SMA。Superpave级配曲线设置了限制区和控制点,它构成了Superpave级配的设计理念。因为级配设计本身就是一种体积设计,所以可以从级配的体积和密度来理解其物理本质。显然,穿过限制区的级配具有最大的密度,因而具有最小的集料空隙率;换句话说,混合料中的细集料(细砂)含量高,如果要形成集料嵌挤以保证抗车辙变形能力的话,沥青用量则必然最低。因此,限制区的顶点实际上也是划分集料性质的分水岭,从该顶点下方通过的级配以粗集料为主,也称之为粗型级配。如果粗集料太多的话,集料空隙率太大,不容易获得密实的混合料而易出现水损害,所以Superpave设置了下控制点。从限制区顶点上方通过的级配以细集料为主,也称之为细型级配,但如果细集料太多的话,集料间难以嵌挤而不利于抗车辙变形,所以Superpave设置了上控制点。为了提高混合料的抗车辙能力,它建议在限制区的下方通过。但是Superpave正式发布后,在美国的西部环道上试验时,只几个月就产生了严重的车辙,同时发现从限制区通过和限制区上方通过的级配性能都比从下方通过的级配要好,Superpave级配和限制区遭遇了是否必要存在的尴尬局面。分析从限制区下方通过的级配失败的原因:第一,对集料的棱角性有极高的要求;第二,矿料表面积太少,沥青用量少,以致不能提供足够的抗剪强度。
3 如何选择沥青混合料
在《沥青路面设计规范》中,根据对面层构造深度的要求,往往使用中粒式AC沥青混凝土来做高级公路路面表层,现在AC系列分为粗型和细型,选用粗型则表面构造深度有所提高,部分路面表层开始使用细粒式AC瀝青混凝土。而在某些行车超载超限较多的地区,应选用SMA做路面表层。中面层一般选用中粒式AC沥青混凝土,如果认为中面层受到的剪力比较大的情况下,可使用SMA做中面层。下面层一般使用粗粒式AC沥青混凝土,也可采用ATB来提高面层抗剪能力。
SAC、SUP由于成功的例子较少,没有在我国推广开来。而AK系列易产生早期水损坏,现在基本上被淘汰了。OGFC使用寿命较短,因此不可以使用在设计年限较长的高级公路上,不过可以使用在有特殊降噪要求的地方道路上;按《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)的说法,可用于年平均降雨量大于800mm地区的磨耗层和排水路面的表面层。ATPB在国外曾被用做柔性路面的基层,而在我国的半刚性路面中,由于它的耐久性太低,基本上没有高等级公路采用这种混合料做排水基层。
参考文献
[1]彭余华.沥青混合料离析特征判别与控制方法的研究[D].长安大学,2006.
关键词:沥青混合料;组成结构;S形级配空隙率
中图分类号:TB
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)09-0341-02
1 几种典型沥青混合料
依据沥青混合料组成结构理论,沥青混合料组成结构类型可主要分为悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构三种类型。这三种结构类型在现今被人们所熟知的有:AC、SMA、SAC、Superpave混合料、OGFC、ATB、AK、ATPB等等。几种混合料的级配见表1。
(1)AC是传统连续密级配沥青混凝土,在《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97)中属于悬浮密实结构。在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中这种沥青混合料舍弃了原来II型级配混合料,通过对关键筛孔通过率的控制分为粗型和细型。粗型实际上是AK系列A型的调整型,加强压实度的控制,减小空隙率,级配向骨架密实型靠近。
(2)SMA在我国被称为沥青玛蹄脂碎石混合料,属于骨架密实结构。它由大比例碎石构成坚固的骨架结构,并由丰富的沥青玛蹄脂填充骨架空隙进行稳定。
(3)SAC为我国自主开发的沥青混合料结构类型,因SAC-16矿料中大于4.75mm的颗粒含量为59%(范围中值),比《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97)的AC-16I矿料中大于4.75mm的颗粒含量42.5%多16.5%,故命名为多碎石沥青混凝土。4.75mm以上碎石含量小于60%的SAC,属于悬浮密实结构;4.75mm以上碎石含量在70%左右,属于骨架密实结构。
(4)Superpave是一种沥青混合料设计法,是美国为寻找一个新的设计体系来克服马歇尔和维姆设计体系造成路面存在的车辙和裂缝这一普遍问题而提出的公路研究计划(SHRP)的一个重要成果。以Superpave设计法设计的沥青混合料在这里简称为SUP,属于悬浮密实结构与骨架密实结构的过渡类型。
(5)OGFC是一种特殊用途的沥青混合料,属于骨架空隙结构。空隙率达15%-25%,《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求空隙率大于18%,是为了提高遇雨行车的安全与舒适性及降低行车噪声而开发的一种开级配混合料。
(6)AK被称为抗滑表层,是早期我国为了满足路面表层抗滑性能及构造深度而设计的一种路面类型,是一种半开级配混合料。
(7)ATB属于骨架密实结构,称为沥青稳定碎石。在结构层次中一般被应用为上基层或下面层。
(8)ATPB属于骨架空隙结构,被称为大空隙排水式沥青碎石。空隙率大于18%可以用来作为排水基层或者是半刚性基层的隔离层。
2 使用性能比较
上述几种典型沥青混合料,在今天都大量使用改性沥青、纤维来提高其使用性能,因此材料差异不再是它们之间的区别。那么在集料特性完全一致,胶结料也采用Superpave性能等级胶结料规范中同-PG等级的沥青,添加同一类型纤维,排除施工因素时,它们的使用性能又是如何呢?
2.1 防水、排水性能
防止水损坏从结构设计上来说主要有两种方法,一种是提高密实度,一种是考虑沥青面层自身排水。原来我国早期使用的AK系列面层,由于一味提高粗集料含量,追求提高表面抗滑性能,空隙率处于6%-12%之间,在这个空隙率范围,水容易进入并滞留在混合料内部,不容易排走且易在荷载作用下产生很大动水压力,造成沥青混合料的水损坏,所以AK类路面最容易发生早期水损坏,现在基本上没有人采用它了。
2.2 抵抗车辙
AC现在有一种粗型级配,它要求通过关键筛孔的粗集料在某个水平以上。增加粗集料确实可以对抵抗车辙增加一定嵌挤作用,但是如果没有形成真正的骨架结构,这种作用是有限的。各级集料有可能被次级集料所隔开,不能直接靠拢而形成骨架,这个时候,其混合料强度仍然受沥青胶泥的黏结力所左右。而沥青的强度和劲度模量随着温度的升高而降低,当混合料的稳定度极限低于荷载应力时,沥青混合料将发生侧向流动变形。
SMA具有一种骨架结构,从材料力学看,这种骨架结构无疑拥有最大的稳定性。在这种结构状态下,混合料的粗集料相互之间的接触面很多,粗集料骨架承担了大部分压应力及剪应力载荷的作用。由于粗集料之间良好的嵌挤作用,沥青混合料产生了非常好的抵抗变形的能力。即使是在温度变高,沥青黏度下降的情况下,对混合料的抗剪强度影响也是有限的。同时SMA增加填料含量到10%以上,使它能吸附更多的沥青,更多的沥青胶泥意味着SMA混合料具有比其他混合料更好的抵抗变形或者回复变形的能力。骨架结构与空隙间较多的沥青胶泥决定了SMA的抗车辙能力是最好的。
SAC这种混合料结构介于AC与SMA之间,它的主体思想就是提高粗集料含量来增加嵌挤作用直至形成真正的骨架。沙庆林院士以VCA MIX与VCA DRC的关系为标准来判断它的结构是属于悬浮密实结构、一般骨架结构及骨架密实结构。一般骨架结构为悬浮密实结构与骨架密实结构的过渡类型。所以它的抗车辙能力也介于AC与SMA之间,但不超过SMA。Superpave级配曲线设置了限制区和控制点,它构成了Superpave级配的设计理念。因为级配设计本身就是一种体积设计,所以可以从级配的体积和密度来理解其物理本质。显然,穿过限制区的级配具有最大的密度,因而具有最小的集料空隙率;换句话说,混合料中的细集料(细砂)含量高,如果要形成集料嵌挤以保证抗车辙变形能力的话,沥青用量则必然最低。因此,限制区的顶点实际上也是划分集料性质的分水岭,从该顶点下方通过的级配以粗集料为主,也称之为粗型级配。如果粗集料太多的话,集料空隙率太大,不容易获得密实的混合料而易出现水损害,所以Superpave设置了下控制点。从限制区顶点上方通过的级配以细集料为主,也称之为细型级配,但如果细集料太多的话,集料间难以嵌挤而不利于抗车辙变形,所以Superpave设置了上控制点。为了提高混合料的抗车辙能力,它建议在限制区的下方通过。但是Superpave正式发布后,在美国的西部环道上试验时,只几个月就产生了严重的车辙,同时发现从限制区通过和限制区上方通过的级配性能都比从下方通过的级配要好,Superpave级配和限制区遭遇了是否必要存在的尴尬局面。分析从限制区下方通过的级配失败的原因:第一,对集料的棱角性有极高的要求;第二,矿料表面积太少,沥青用量少,以致不能提供足够的抗剪强度。
3 如何选择沥青混合料
在《沥青路面设计规范》中,根据对面层构造深度的要求,往往使用中粒式AC沥青混凝土来做高级公路路面表层,现在AC系列分为粗型和细型,选用粗型则表面构造深度有所提高,部分路面表层开始使用细粒式AC瀝青混凝土。而在某些行车超载超限较多的地区,应选用SMA做路面表层。中面层一般选用中粒式AC沥青混凝土,如果认为中面层受到的剪力比较大的情况下,可使用SMA做中面层。下面层一般使用粗粒式AC沥青混凝土,也可采用ATB来提高面层抗剪能力。
SAC、SUP由于成功的例子较少,没有在我国推广开来。而AK系列易产生早期水损坏,现在基本上被淘汰了。OGFC使用寿命较短,因此不可以使用在设计年限较长的高级公路上,不过可以使用在有特殊降噪要求的地方道路上;按《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)的说法,可用于年平均降雨量大于800mm地区的磨耗层和排水路面的表面层。ATPB在国外曾被用做柔性路面的基层,而在我国的半刚性路面中,由于它的耐久性太低,基本上没有高等级公路采用这种混合料做排水基层。
参考文献
[1]彭余华.沥青混合料离析特征判别与控制方法的研究[D].长安大学,2006.