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【摘 要】通过深汕西大修工程中AC-13C抗滑表层配合比设计和加速加载试验研究,结果表明当油石比为5.0%时,设计空隙率为4.9%,对应饱和度为67.0%,马歇尔稳定度为12.0kN,流值为2.4(mm);在设计级配和油石比情况下,沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、摩擦系数和构造深度等指标均符合设计文件及相关规范要求。
【关键词】沥青路面;抗滑表层;摩擦系数;构造深度;车辙
Application of AC-13C Anti-sliding layer in Shenshanxi repairment
Zhong Ke-chang
(Guangdong Jingtong Highway Engineering Construction Group Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510635)
【Abstract】Major repair works in the Shenzhen-Shantou West section, AC-13C Anti-sliding layer mix design and accelerated loading tests, the results show that when the aggregate ratio of 5.0%, the design air voids of 4.9%, corresponding to 67.0% saturation, Marshall stability is 12.0kN, flow is 2.4 (mm); in the design gradation and aggregate ratio case, the high temperature stability of asphalt mixture, water stability, friction coefficient and the texture depth and other indicators are in line with the design documents and related specifications requirements.
【Key words】Asphalt pavement; Anti-sliding layer; Friction coefficient; Structural depth; Rut
1. 引言
高速公路沥青路面抗滑表层直接承受车辆荷载与外界环境的作用,为用户提供舒适、安全的行车条件,因此要求具备良好的力学性能和功能特性,不仅要求具有优良的高温抗车辙能力、低温抗裂与抗水损害特性,而且应具有优良的抗滑、耐磨功能,适当的抗滑将能够保证路面和车轮有良好的附着特性,并可在较短的时间内制动,从而增强行车的安全性。抗滑性能良好的沥青面层应该包含两方面的品质:(1)路面建成初期良好的抗滑指标值;(2)在路面使用寿命年限内该指标值能在某一个允许的范围内波动而不致衰减太多。大量研究表明,修筑抗滑表层是提高沥青路面抗滑能力、减少高速公路交通事故最有效、最直接的一种方法。
本文以深汕西高速公路大修工程改性沥青路面工程项目为依托, 通过实际施工中对AC-13C 抗滑表层混合料配合比设计、沥青混合料路用性能检测以及通车一年后抗滑表层的擦系数和构造深度来探讨AC-13C在广东地区炎热、多雨气候条件下的适用性。
2. 材料物理力学特性
2.1 原材料技术指标。
2.1.1 沥青。广东大部分地区夏季炎热,气候分区为1-4-1,因此在沥青型号选择上选用针入度低,粘度高的沥青。普通沥青采用70号A级道路石油沥青,根据工程地域气候需要,要求针入度范围为60～70,SHRP性能等级达到PG64-22。改性沥青采用70号A级道路石油沥青作为基质沥青,改性剂采用I-D级SBS聚合物。
2.1.2 集料。
(1)集料物理特性。本文采用的集料为石灰岩,主要来自于深汕西高速公路沿线的料场,石灰岩又简称灰岩。主要化学成分是CaCO3,其矿物成分以方解石为主,其次含有少量的白云石和粘土矿物,集料物理技术指标如表1所示。
(2)集料力学特性。集料力学特性见表2和表3所示。
3. AC-13目标配合比设计
3.1 AC-13C沥青混合料目标配合比设计。沥青混合料在很大程度上决定着沥青路面的构造特征,良好的路面构造能提高潮湿状态下路面与车轮间的排水能力,减少容易引起滑溜事故的弹性水动力润滑型摩擦的发生。目前国内最为广泛的沥青混合料设计方法为马歇尔法,其主要优点在于:该方法的试件成型装置较简便、成本低且携带方便, 较易在现场和实验室里成型试件。在做AC-13C沥青混合料目标配合比设计时,设计成C、M和F三种不同粗细程度的级配结构,配合比初步设计结果见表4所示。
根据以往工程经验,确定本配比设计中的初始沥青用量(油石比)采用5.1%,用油量为5.1%时,F、M、C三级配的沥青混合料的空隙率和矿料间隙率见表5。
从图1-图6上,密度最大值对应的沥青用量a1=5.08%,稳定度最大值对应的沥青用量a2=5.16%,目标空隙率范围(4～6%)中值(5.0%)对应的沥青用量a3=4.95%,沥青饱和度范围(65%～75%)中值(70%)对应的沥青用量a4=5.4%,因此,OAC1=(5.08%+5.16%+4.95%+5.4%)/4=5.15%。
各项指标都符合沥青混合料技术标准要求的沥青用量范围为4.80%~5.62%,即OACmin=4.80%,OACmax=5.62%,所以沥青用量范围中值OAC2=(4.80+5.62)/2=5.20%。最佳沥青用量OAC取OAC1和OAC2中值,即OAC=(5.15+5.20)/2=5.18%。考虑到工程所处路段夏季路表温度偏高,根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中附录B的B.6.6.2条 对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段,山区公路的长大坡度路段,预计有可能产生较大车辙时,宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.1%～0.5%作为设计沥青用量,这里取5.0%的沥青用量作为设计值。
综上所述:设计沥青用量(油石比)5.0%,对应马歇尔标准相对密度2.402,设计空隙率4.9%,理论最大相对密度为2.526,饱和度67.0%,马歇尔稳定度12.0kN,流值2.4(mm),各项指标符合设计文件的要求。按照表6的要求,4.9%空隙率时的VMA最小值为14.9%, 而设计混合料的矿料间隙率VMA=15.2%,满足设计文件的要求。
3.3 水稳定性检验
3.3.1 残留稳定度。按JTJ 052-2000 中T 0709-2000,即沥青混合料马歇尔稳定度试验来验证设计混合料的水稳性,具体试验结果见表7所示。
表7 计沥青混合料残留稳定度试验
浸水马歇尔稳定度,KN10.9
标准马歇尔稳定度,KN12.0
残留稳定度,%90.8
3.3.2 冻融劈裂试验。按JTJ 052-2000 中T 0729-2000,即沥青混合料冻融劈裂试验来验证混合料的水稳性,采用马歇尔试件双面各击实50次成型;试验温度:25℃,加载速率50mm/min;将共12个试件分成两组:1、3、5、8、10和12作为第一组,其他作为第二组,将第一组进行真空饱水、冻融循环。具体试验结果见表8所示。
表8 沥青混合料AC-13C冻融劈裂试验
冻融循环后试件劈裂抗拉强度(MPa)0.798
未冻融循环试件劈裂抗拉强度(MPa)0.862
冻融劈裂抗拉强度比TSR,%92.6
3.4 高温稳定性检验。
按JTJ 052-2000 中T 0719-1993,即沥青混合料车辙试验检测设计混合料的高温稳定性,试件成型方法采用轮碾成型,试件尺寸为300mm×300mm×50mm;试验温度:60℃,试验轮接地压强:0.7MPa;具体试验结果见附表9所示。
表9 青混合料AC-13C车辙检验结果
试件编号毛体积相对密度空隙率,%动稳定度 (次/mm)设计文件要求 (次/mm)
12.4034.9 6250>3000
22.3995.05980
32.4084.75625
4. AC-13C混合料室内加速加载试验
为了对设计的抗滑表层AC-13C型混合料长期路用性能进行评价,采用室内成型车辙板试件,进行小型的加速加载试验。试验结果如下:
试验一共成形了四块车辙试件,其最终平均结果见表10和图7~8所示。
由图7和图8得到以下结论:
(1)随着荷载作用时间的增加,摩擦系数的总体趋势是逐渐减小;在整个试验过程中混合料摩擦系数均满足规范要求(>45BPN);
(2)随磨耗时间的增加,混合料的构造深度总体变化趋势是减小,在整个试验过程混合料的构造深度均满足规范要求(>0.55mm);
根据《公路沥青路面设计规范》的规定,高速公路在竣工后第一个夏季应对横向力系数、路面的宏观构造深度进行测定,其验收标准如表11所示。本项目沥青表面层施工完成后,相关部门对路面的构造深度和摩擦系数进行了测定,其摩擦系数为65(BPN),构造深度为0.8mm,满足规范要求。
5. 结论
通过AC-13C 型抗滑表层沥青混合料的配合比设计和室内加速加载试验,结果表明:
(1)设计沥青用量(油石比)5.0%,对应马歇尔标准相对密度2.402,设计空隙率4.9%,理论最大相对密度为2.526,饱和度67.0%,马歇尔稳定度12.0KN,流值2.4(mm),各项指标符合设计文件的要求,混合料高温稳定性和水稳定性满足相关要求。
(2)摩擦系数和构造深度随着荷载作用时间的增加,总体趋势都是逐渐减小;荷载作用初期其减小速度比较快,后期逐渐趋于稳定。
(3)在整个试验过程,摩擦系数均>45(BPN),构造深度均>0.55mm,符合设计文件及规范要求。
[文章编号]1006-7619(2010)09-03-804
[作者简介] 钟科昶(1979.11-),广东梅州人,工程师,研究方向:路桥施工技术。
【关键词】沥青路面;抗滑表层;摩擦系数;构造深度;车辙
Application of AC-13C Anti-sliding layer in Shenshanxi repairment
Zhong Ke-chang
(Guangdong Jingtong Highway Engineering Construction Group Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510635)
【Abstract】Major repair works in the Shenzhen-Shantou West section, AC-13C Anti-sliding layer mix design and accelerated loading tests, the results show that when the aggregate ratio of 5.0%, the design air voids of 4.9%, corresponding to 67.0% saturation, Marshall stability is 12.0kN, flow is 2.4 (mm); in the design gradation and aggregate ratio case, the high temperature stability of asphalt mixture, water stability, friction coefficient and the texture depth and other indicators are in line with the design documents and related specifications requirements.
【Key words】Asphalt pavement; Anti-sliding layer; Friction coefficient; Structural depth; Rut
1. 引言
高速公路沥青路面抗滑表层直接承受车辆荷载与外界环境的作用,为用户提供舒适、安全的行车条件,因此要求具备良好的力学性能和功能特性,不仅要求具有优良的高温抗车辙能力、低温抗裂与抗水损害特性,而且应具有优良的抗滑、耐磨功能,适当的抗滑将能够保证路面和车轮有良好的附着特性,并可在较短的时间内制动,从而增强行车的安全性。抗滑性能良好的沥青面层应该包含两方面的品质:(1)路面建成初期良好的抗滑指标值;(2)在路面使用寿命年限内该指标值能在某一个允许的范围内波动而不致衰减太多。大量研究表明,修筑抗滑表层是提高沥青路面抗滑能力、减少高速公路交通事故最有效、最直接的一种方法。
本文以深汕西高速公路大修工程改性沥青路面工程项目为依托, 通过实际施工中对AC-13C 抗滑表层混合料配合比设计、沥青混合料路用性能检测以及通车一年后抗滑表层的擦系数和构造深度来探讨AC-13C在广东地区炎热、多雨气候条件下的适用性。
2. 材料物理力学特性
2.1 原材料技术指标。
2.1.1 沥青。广东大部分地区夏季炎热,气候分区为1-4-1,因此在沥青型号选择上选用针入度低,粘度高的沥青。普通沥青采用70号A级道路石油沥青,根据工程地域气候需要,要求针入度范围为60～70,SHRP性能等级达到PG64-22。改性沥青采用70号A级道路石油沥青作为基质沥青,改性剂采用I-D级SBS聚合物。
2.1.2 集料。
(1)集料物理特性。本文采用的集料为石灰岩,主要来自于深汕西高速公路沿线的料场,石灰岩又简称灰岩。主要化学成分是CaCO3,其矿物成分以方解石为主,其次含有少量的白云石和粘土矿物,集料物理技术指标如表1所示。
(2)集料力学特性。集料力学特性见表2和表3所示。
3. AC-13目标配合比设计
3.1 AC-13C沥青混合料目标配合比设计。沥青混合料在很大程度上决定着沥青路面的构造特征,良好的路面构造能提高潮湿状态下路面与车轮间的排水能力,减少容易引起滑溜事故的弹性水动力润滑型摩擦的发生。目前国内最为广泛的沥青混合料设计方法为马歇尔法,其主要优点在于:该方法的试件成型装置较简便、成本低且携带方便, 较易在现场和实验室里成型试件。在做AC-13C沥青混合料目标配合比设计时,设计成C、M和F三种不同粗细程度的级配结构,配合比初步设计结果见表4所示。
根据以往工程经验,确定本配比设计中的初始沥青用量(油石比)采用5.1%,用油量为5.1%时,F、M、C三级配的沥青混合料的空隙率和矿料间隙率见表5。
从图1-图6上,密度最大值对应的沥青用量a1=5.08%,稳定度最大值对应的沥青用量a2=5.16%,目标空隙率范围(4～6%)中值(5.0%)对应的沥青用量a3=4.95%,沥青饱和度范围(65%～75%)中值(70%)对应的沥青用量a4=5.4%,因此,OAC1=(5.08%+5.16%+4.95%+5.4%)/4=5.15%。
各项指标都符合沥青混合料技术标准要求的沥青用量范围为4.80%~5.62%,即OACmin=4.80%,OACmax=5.62%,所以沥青用量范围中值OAC2=(4.80+5.62)/2=5.20%。最佳沥青用量OAC取OAC1和OAC2中值,即OAC=(5.15+5.20)/2=5.18%。考虑到工程所处路段夏季路表温度偏高,根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中附录B的B.6.6.2条 对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段,山区公路的长大坡度路段,预计有可能产生较大车辙时,宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.1%～0.5%作为设计沥青用量,这里取5.0%的沥青用量作为设计值。
综上所述:设计沥青用量(油石比)5.0%,对应马歇尔标准相对密度2.402,设计空隙率4.9%,理论最大相对密度为2.526,饱和度67.0%,马歇尔稳定度12.0kN,流值2.4(mm),各项指标符合设计文件的要求。按照表6的要求,4.9%空隙率时的VMA最小值为14.9%, 而设计混合料的矿料间隙率VMA=15.2%,满足设计文件的要求。
3.3 水稳定性检验
3.3.1 残留稳定度。按JTJ 052-2000 中T 0709-2000,即沥青混合料马歇尔稳定度试验来验证设计混合料的水稳性,具体试验结果见表7所示。
表7 计沥青混合料残留稳定度试验
浸水马歇尔稳定度,KN10.9
标准马歇尔稳定度,KN12.0
残留稳定度,%90.8
3.3.2 冻融劈裂试验。按JTJ 052-2000 中T 0729-2000,即沥青混合料冻融劈裂试验来验证混合料的水稳性,采用马歇尔试件双面各击实50次成型;试验温度:25℃,加载速率50mm/min;将共12个试件分成两组:1、3、5、8、10和12作为第一组,其他作为第二组,将第一组进行真空饱水、冻融循环。具体试验结果见表8所示。
表8 沥青混合料AC-13C冻融劈裂试验
冻融循环后试件劈裂抗拉强度(MPa)0.798
未冻融循环试件劈裂抗拉强度(MPa)0.862
冻融劈裂抗拉强度比TSR,%92.6
3.4 高温稳定性检验。
按JTJ 052-2000 中T 0719-1993,即沥青混合料车辙试验检测设计混合料的高温稳定性,试件成型方法采用轮碾成型,试件尺寸为300mm×300mm×50mm;试验温度:60℃,试验轮接地压强:0.7MPa;具体试验结果见附表9所示。
表9 青混合料AC-13C车辙检验结果
试件编号毛体积相对密度空隙率,%动稳定度 (次/mm)设计文件要求 (次/mm)
12.4034.9 6250>3000
22.3995.05980
32.4084.75625
4. AC-13C混合料室内加速加载试验
为了对设计的抗滑表层AC-13C型混合料长期路用性能进行评价,采用室内成型车辙板试件,进行小型的加速加载试验。试验结果如下:
试验一共成形了四块车辙试件,其最终平均结果见表10和图7~8所示。
由图7和图8得到以下结论:
(1)随着荷载作用时间的增加,摩擦系数的总体趋势是逐渐减小;在整个试验过程中混合料摩擦系数均满足规范要求(>45BPN);
(2)随磨耗时间的增加,混合料的构造深度总体变化趋势是减小,在整个试验过程混合料的构造深度均满足规范要求(>0.55mm);
根据《公路沥青路面设计规范》的规定,高速公路在竣工后第一个夏季应对横向力系数、路面的宏观构造深度进行测定,其验收标准如表11所示。本项目沥青表面层施工完成后,相关部门对路面的构造深度和摩擦系数进行了测定,其摩擦系数为65(BPN),构造深度为0.8mm,满足规范要求。
5. 结论
通过AC-13C 型抗滑表层沥青混合料的配合比设计和室内加速加载试验,结果表明:
(1)设计沥青用量(油石比)5.0%,对应马歇尔标准相对密度2.402,设计空隙率4.9%,理论最大相对密度为2.526,饱和度67.0%,马歇尔稳定度12.0KN,流值2.4(mm),各项指标符合设计文件的要求,混合料高温稳定性和水稳定性满足相关要求。
(2)摩擦系数和构造深度随着荷载作用时间的增加,总体趋势都是逐渐减小;荷载作用初期其减小速度比较快,后期逐渐趋于稳定。
(3)在整个试验过程,摩擦系数均>45(BPN),构造深度均>0.55mm,符合设计文件及规范要求。
[文章编号]1006-7619(2010)09-03-804
[作者简介] 钟科昶(1979.11-),广东梅州人,工程师,研究方向:路桥施工技术。