排水性沥青路面封水粘结层材料对比试验研究

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  摘要在材料技术指标检验和路用性能对比试验的基础上,筛选适用于排水性沥青路面的封层材料,并通过试验段铺筑进行验证,选择合理可行的封层材料。
  关键词排水性路面;封层;SBS;SBR改性乳化沥青
  中图分类号U4 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)032-0074-02
  
  西安咸阳国际机场专用高速公路沥青路面结构层,原设计为厚5cm SMA-13上面层、厚6cm AC-20中面层、厚12cm ATB-30下面层。沥青结构层之间采用SBR改性乳化沥青作为粘结层。为了提高路面的抗滑性能,2008年3月,上面层设计变更为5cm厚排水性沥青路面(OGFC-13),设计单位提出采用1cm厚沥青砂作为上、中面层之间的封水粘结层。由于排水性沥青路面的透水特性,封水粘结层对道路的使用功能,使用寿命有着重要的影响。为了选择合理的封水粘结层材料,建设单位在多方咨询专家和调查研究的基础上,组织各参建单位开展了专题研究、试验工作。
  1拟选封水粘结层材料
  按照设计单位、施工单位、技术支持单位等方面提供的意见,并借鉴既往工程经验,初步选择下列材料作为封水粘结层备选材料,以总监办中心试验室和施工单位工地试验室为主,进行室内试验。
  1)橡胶沥青碎石封层。采用25目橡胶粉和克拉玛依A-70#道路石油沥青加工的橡胶沥青,碎石采用4.75-9.5mm石灰岩碎石。
  2)氯丁橡胶乳化沥青。
  3)路桥专用防水涂料。
  4)SBR改性乳化沥青。选择西安四个厂家生产的SBR改性乳化沥青进行技术指标对比试验。
  5)SBS改性乳化沥青。采用壳牌(西安)沥青有限公司生产的SBS改性乳化沥青。
  6)微表处。采用SBR改性乳化沥青微表处材料。
  7)沥青砂。采用SBS改性沥青和石灰岩集料拌制的沥青砂,进行相关路用性能试验。
  2力学和路用性能试验
  经过原材料试验和初步筛选,选择采用四种SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青继续进行拉拔试验、剪切试验、车辙试验等力学和路用性能试验,并以橡胶沥青碎石、橡胶乳化沥青、沥青砂和微表处等其它材料进行对比试验,从而进一步进行验证、筛选。
  2.1试件的制作
  按照规范方法制作AC-20沥青砼中面层车辙板,厚5cm。冷却6-8小时后备用。
  在AC-20车辙板上,分别涂刷四种SBR和SBS改性乳化沥青,至试件表面均匀、无露白,无明显空隙,模拟测定改性乳化沥青封水粘结层洒布量,经多次试验,测得改性乳化沥青用量为0.7kg/m2。
  采用不同改性乳化沥青材料,按拟定洒布量(0.7kg/m2),在AC-20车辙板上模拟涂刷封水粘结层,在18-25℃室温下经6-8小时破乳、挥发,然后在其上再成型排水行沥青混合料(OGFC-13)车辙板,成为复合型(双层)车辙板,一部分车辙板钻取芯样进行旋转剪切试验。一部分车辙板单层钻芯进行拉拔试验,一部分车辙板用于车辙试验。每种粘结层材料、每个检测项目、每组试件数量不少于3件。
  在AC-20车辙板上,采用SBR阳离子改性乳化沥青微表处材料,按照规定单位面积用量,成型微表处层,破乳成型后厚度为5mm,然后再在其上成型排水性上面层车辙板(厚50mm)。
  2.2拉拔试验
  试件成型后冷却12小时以上,在复合车辙板上用Φ10cm钻芯机进行单层钻芯(即将排水性上面层车辙板钻透),采用SW40型多功能强度检测仪进行拉拔试验,以检测其层间粘结力。在完成部分材料芯样拉拔试验后,因拉拔仪损坏,没有继续完成其它试件的拉拔试验。已完成的试验结果见表1:
  2.3沥青砂的路用性能试验
  为了验证沥青砂作为一个功能层置于中上面层之间的路用性能,参照其他项目经验设计沥青砂配合比,成型车辙板进行车辙试验,同时在另一组沥青砂车辙板上成型排水性混合料车辙板进行复合车辙板试验,以检测沥青砂的路用性能。
  1)沥青砂混合料原材料及配合比。
  沥青:使用壳牌(西安)沥青有限公司生产的SBS(I-C)改性沥青。
  矿料:粗集料采用泾阳自采石料厂生产的2.36-4.75mm石灰岩碎石。
  细集料:采用泾阳口镇宇泽机制砂厂生产的机制砂和高陵天河砂场生产的天然砂(中砂)。
  填料:采用泾阳口镇矿粉厂生产的石灰岩矿粉。沥青砂配合比见表2:
  2)采用上述材料和配合比按7.7%油石比拌制沥青砂,在实验室成型50mm厚车辙板2组,并在其中一组车辙板上再成型50mm排水性混合料OGFC-13车辙板。
  3)车辙试验。沥青砂车辙板、OGFC-13与沥青砂复合车辙板,以及其他结构层车辙试验结果见表3。
  试验结果表明,沥青砂的路用性能低于AC-20、OGFC-13等结构层。沥青砂应用于排水性沥青上面层(OGFC-13)以下时,使排水性上面层的路用性能显著降低。
  4)剪切试验。在前述大量试验的基础上,经综合比选,选择以SBR、SBS改性乳化沥青为粘结材料的车辙板,进行剪切试验,并以微表处材料进行对比验证。方法是:在复合车辙板上采用Φ10cm钻芯机钻取(双层)芯样(每组不少于3个),在西安高远公路工程试验检测中心进行旋转剪切试验。试验结果见表4。
  3试验成果的综合比较与分析
  1)路用防水涂料的各项技术指标远低于参与试验的其他材料,不适合用做沥青路面层间粘结材料。
  2)橡胶沥青碎石封层中的碎石层,不利于层间粘结,还会降低排水性上面层的空隙率,影响和阻滞层间排水。较厚的沥青膜在高温季节会呈现弹性或柔性特征,可能会导致上面层拥包、推移,造成车辙等早期损坏。
  3)微表处适用于沥青路面的预防性养护和用作抗滑磨耗层,使用石屑、矿粉、水泥和拌和型乳化沥青冷拌后摊铺成型。微表处不能碾压,乳化沥青破乳后水分析出,层间存在细小空隙,强度较低,粘结力差,有透水现象,不宜用作排水性路面封水粘结层。
  4)沥青砂属于砂粒式热拌沥青混合料,用于沥青路面中、上面层之间作为封水粘结层,结构上不合理。车辙试验表明,使用沥青砂做为粘结层,会显著降低排水性路面的路用性能。
  5)橡胶乳化沥青各项技术指标均符合要求,也具有较好的路用性能,工厂化加工,质量稳定、可靠。但其加工基地远在华东地区,生产设备不能搬迁,成品运输距离过远,施工成本过高。
  6)SBR改性乳化沥青。西安地区四个主要沥青材料厂家生产的SBR改性乳化沥青样品,经检验,除R4号产品部分指标不符合要求外,其余几家产品均满足相关规范技术指标要求,并表现出较好的路用性能。但其蒸发后残留物粘韧性和韧性指标显著低于SBS改性乳化沥青。剪切试验表明,作为层间粘结材料,其性能明显低于SBS改性乳化沥青。
  7)SBS改性乳化沥青。西安某公司生产的SBS改性乳化沥青,经检验各项技术指标均满足规范要求。在相同固含量状态下,蒸发后残留物粘韧性和韧性均高出SBR改性乳化沥青,尤其是在剪切试验中表现出优良的路用性能。
  8)经过对原材料技术指标、施工难易程度、路用性能试验和工程成本等方面进行全面分析、比较,初步确定SBS改性乳化沥青用作排水性路面(OGFC—13)的封水粘结层材料,并选R2号SBR改性乳化沥青作为对比试验材料,在机场专用高速公路渭河特大桥桥面铺筑试验段,进行施工验证。
  4试验段
  封水粘结层试验段选择在机场专用高速公路渭河特大桥左幅北端K6+653-K7+434实施。其中R2# SBR改性乳化沥青试验段桩号为K6+653-K6+924,长271m。SBS改性乳化沥青试验段桩号为K6+924-K7+434,长510m。
  4.1施工
  桥面经严格清扫、冲洗、晾干后,SBS改性乳化沥青封水粘结层试验段于2009年4月1日下午洒布,洒布时气温10℃左右,材料喷洒温度55℃。SBR改性乳化沥青于2009年4月2日下午洒布,洒布时气温6℃,材料洒布温度25℃。洒布均匀,无露白。破乳后,现场检查沥青膜厚度约为0.5mm,两种材料试验段外观无差异。
  4.2渗水试验
  粘层沥青洒布后5小时分别进行了渗水试验。试验采用标准渗水仪,在两段封水粘结层上各做了6次检测,渗水系数全部为“0”,证明两种材料在0.7kg/m2洒布量下完全不透水,达到了预期效果。
  4.3刹车试验
  4月2日下午,采用后轴载重为50KN的标准车以行驶速度60km/h在试验段进行了刹车试验。在SBS改性乳化沥青粘结层上刹车距离为15m,刹车段沥青膜无破坏,在停车处发生粘轮。施工人员行走时粘鞋现象严重。
  在SBR改性乳化沥青粘结层上刹车距离为17m,刹车轮迹沥青膜无明显破坏,行走时无明显粘鞋现象。
  4.4排水性上面层试验段铺筑
  4月3日,在封水粘结层试验段进行了排水性沥青上面层(OGFC-13)试验段铺筑。当日白天为晴天,气温10-17℃。上午气温较低时,SBR改性乳化沥青试验段铺筑,铺筑过程正常,中午气温上升后(约15℃以上),运料车在SBS改性乳化沥青试验段喂料时发生严重粘轮和沥青膜脱落现象,摊铺机打滑现象严重。
  4.5剪切试验
  排水性沥青上面层(OGFC-13)铺筑后,于4月5日在两种封水粘结层材料试验段,取样进行剪切试验。在SBR改性乳化沥青试验段取芯时相对较容易,6个芯样中有2个从封水粘结层界面处断裂,有4个取出了上下面层粘结完好的完整芯样。
  而在SBS改性乳化沥青试验段取芯时非常困难,封水粘结层粘结牢固,取芯时曾将辅助工具扳坏,但封水粘结层界面毫发无损。
  两种材料试验段各钻取沥青上、下面层整体芯样4个,进行剪切试验。试验时SBR改性乳化沥青试件全部从粘结层界面断开,而SBS改性乳化沥青试件多数在上面层试件上发生破坏,无一在粘结层界面断裂。
  4.6试验段小结
  经过试验段试铺,并进行渗水试验,证明两种材料在0.7 kg/m2洒布量下,都具有良好的封水效果。而剪切试验表明,SBS改性乳化沥青作为粘结层,其层间粘结力较SBR改性乳化沥青平均高出29.55%。针对试验段施工时出现的粘轮、脱皮、摊铺机打滑等现象,以及洒布后外观检查,综合分析有以下原因:
  1)一次洒布量过大,使下层乳化沥青与空气隔绝,破乳速度受到影响,加之洒布时气温低(10℃左右),破乳速度减慢,是造成粘轮的主要原因。
  2)洒布量偏大,沥青膜偏厚,导致摊铺机打滑。
  3)洒布时气温偏低,材料温度偏低,影响破乳速度。
  按照上述分析意见,4月8日在渭河特大桥右幅南端K0+525.8-K1+600段再次按照0.5kg/m2和0.4+0.3kg/m3(两次洒布)洒布量进行两种改性乳化沥青封水粘结层试洒(当日晴天,气温12-25℃),洒布后4-6小时进行刹车试验。两种材料、两种洒布量,刹车距离均在17-20m之间,刹车轮迹下粘结层无破坏,沥青膜明显偏厚,停车处有轻度粘轮。0.7kg/m2洒布段SBS改性沥青段粘鞋现象严重。渗水试验时,两种材料、两种洒布量路段均无渗水。
  4月10日,排水性沥青上面层OGFC-13在渭河特大桥右幅南端再次试铺。摊铺时,运料车在SBS改性乳化沥青洒布量为0.5kg/m2无明显粘轮,摊铺机无打滑现象。洒布量为0.7kg/m2路段,有轻度粘轮,且拉丝很长,但封层沥青与下面层粘结牢固,无脱落、起皮。
  5结论
  经过大量材料技术指标试验、力学试验以及路用性能试验、筛选,并经过试验段铺筑、验证和技术经济比较,证明SBS改性乳化沥青具有优良的路用品质,是适用于排水性沥青路面的优良封水粘结层材料。经过专家会评审、咨询,本项目决定采用SBS改性乳化沥青作为封水粘结层材料,并将洒布量调整为0.6kg/m2。在气温偏低季节,宜分两次(0.3kg×2)洒布,每次间隔时间6-12小时。气温较高时可一次性洒布,洒布时材料温度为60-80℃,气温偏低时,材料宜采用较高温度;气温较高时,材料温度宜靠近下限。为使改性乳化沥青充分破乳,水分充分发挥,并与下承层实现良好粘结,避免发生粘轮、脱皮封水粘结层宜在沥青上面层铺筑两天前洒布。
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