瀝青混凝土

瀝青混凝土

瀝青混凝土(bituminous concrete)俗稱瀝青砼,人工選配具有一定級配組成的礦料,碎石或軋碎礫石、石屑或砂、礦粉等;與一定比例的路用瀝青材料,在嚴格控制條件下拌制而成的混合料。按混合料的密實程度不同,可分為密級配、半開級配和開級配等數類,開級配混合料也稱瀝青碎石。其中熱拌熱鋪的密級配碎石混合料經久耐用,強度高,整體性好,是修築高級瀝青路面的代表性材料,套用得最廣。

基本信息

基本配料

瀝青混合料的強度主要表現在兩個方面。一是瀝青與礦粉形成的膠結料的粘結力;另一是集料顆粒間的內摩阻力和鎖結力。礦粉細顆粒(大多小於0.075毫米)的巨大表面積使瀝青材料形成薄膜,從而提高了瀝青材料的粘結強度和溫度穩定性;而鎖結力則主要在粗集料顆粒之間產生。選擇瀝青混凝土礦料級配時要兼顧兩者,以達到加入適量瀝青後混合料能形成密實、穩定、粗糙度適宜、經久耐用的路面。配合礦料有多種方法,可以用公式計算,也可以憑經驗規定級配範圍,中國目前採用經驗曲線的級配範圍。瀝青混合料中的瀝青適宜用量,應以試驗室試驗結果和工地實用情況來確定,一般在有關規範內均列有可資參考的瀝青用量範圍作為試配的指導。當礦料品種、級配範圍、瀝青稠度和種類、拌和設施、地區氣候及交通特徵較固定時,也可採用經驗公式估算。

結構形式

1 傳統的瀝青混凝土面層(AC) ps:普通密級配瀝青混凝土

《公路瀝青路面設計規範》JTJ014—97,根據“七五”國家科技攻關研究及修訂該規範的專題研究,統一將瀝青混合料中集料粒徑標準由圓孔篩標準改為方孔篩標準。

其主要原因為:①計量標準向ISO國際標準靠近;②便於參考國外同類結構形式的級配標準;③世行項目增多,便於國際招標、監理及質量檢驗;④許多國外拌和設備均以方孔篩為標準。瀝青混凝土的符號由原LH改為AC。

1.1 按瀝青混合料集料的粒徑分類

1.1.1 細粒式瀝青混凝土:AC—9.5mm或AC—13.2mm。

1.1.2 中粒式瀝青混凝土:AC—16mm或AC—19mm。

1.1.3 粗粒式瀝青混凝土:AC—26.5mm或AC—31.5mm。

其組合原則是:瀝青面層集料的最大粒徑宜從上層至下層逐漸增大。上層宜使用中粒式及細粒式,且上面層瀝青混合料集料的最大粒徑不宜超過層厚1/2,中、下面層集料的最大粒徑不宜超過層厚的2/3。

1.2 按瀝青混合料壓實後的孔隙率大小分類

1.2.1 Ⅰ型密級配瀝青混凝土:孔隙率為(3%~6%)

1.2.2 Ⅱ型密級配瀝青混凝土:孔隙率為(4%~10%)

c、AM型開級配熱拌瀝青碎石:孔隙率為(大於10%)

其組合原則是:瀝青面層至少有一層是Ⅰ型密級配瀝青混凝土,以防水下滲。若上面層採用Ⅱ型瀝青混凝土,中面層須採用Ⅰ型瀝青混凝土,AM型開級配瀝青碎石不宜作面層,僅可做聯結層。

2 多碎石瀝青混凝土面層(SAC)

2.1 產生背景

較大流量的車輛在高速公路上安全、舒適高速地通行,瀝青面層必須具有良好的抗滑性能。這就要求瀝青面層不但要有較大的磨擦係數,而且要有較深的表面構造深度(構造深度是高速行車減低噪音和減少水〖LM〗漂、濺水影響司機視線的主要因素)。近年來的研究成果表明:“瀝青面層的抗滑性能是由面層結構的微觀構造和巨觀構造兩部分形成。其中巨觀構造來源於瀝青混合料的配合比,主要由骨料的粗細、級配形式決定”。

80年代中期我國開始修築高等級公路,從瀝青面層的結構形式來看:Ⅰ型瀝青混凝土,空隙率3%~6%,透水性小,耐久性好,表面層的摩擦係數能達到要求,但表面構造深度較小,遠不能達到要求。Ⅱ型瀝青混凝土空隙率6%~10%,表面構造深,抗變形能力較強,但其透水性、耐久性較差。為了解決瀝青面層的抗滑性能(特別是表面層在構造深度較大的情況下,又具有良好的防水性的結構形式),多碎石瀝青混凝土面層被加以研究和使用。

2.2 多碎石瀝青混凝土面層的特點

多碎石瀝青混合料是採用較多的粗碎石形成骨架,瀝青砂膠填充骨架中的孔隙並使骨架膠合在一起而形成的瀝青混合料形式。具體組成為:粗集料含量69%~78%,礦粉6%~10%,油石比5%左右。經幾條高等公路的實踐證明,多碎石瀝青混凝土面層既能提供較深的表面構造,又具有傳統Ⅰ型瀝青混凝土那樣的較小空隙及較小透水性,同時又具有較好的抗形變能力(動穩定度較高)。換言之,“多碎石瀝青混凝土既具有傳統Ⅰ型瀝青混凝土的優點,又具有Ⅱ型瀝青混凝土的優點,同時又避免了兩種傳統瀝青混凝土結構形式的不足。”

3 瀝青瑪蹄脂碎石混合料面層(SMA)

3.1 形成背景

60年代的德國交通十分發達,根據本國的氣候特點(夏季氣溫20℃左右,冬季不太冷),習慣修築“澆築式瀝青混凝土”路面。這種結構中瀝青含量12%左右,礦粉含量高。使用中發現路面的車轍十分嚴重,另外當時該國家的汽車為了防滑的需要,經常使用帶釘的輪胎(包括歐洲一些國家亦如此),其結果是路面磨耗十分嚴重(1年可減薄4cm左右)。為了克服日益嚴重的車轍,減少路面的磨耗,公路工作者對瀝青混合料的配合比進行調整,增大粗集料的比例,添加纖維穩定劑,形成了SMA結構的初形。1984年德國交通部門正式制定了一個SMA路面的設計及施工規範,SMA路面結構形式基本得以完善。這種新型的路面結構先後在德國、歐洲一些國家逐漸被推廣、運用。90年代初,美國公路界認為其公路路面質量不如歐洲國家的路面質量好。經考察發現存在兩個方面的差距:①在改性瀝青的運用上;②在路面的結構形式上(即SMA)。1991、1992年開始加以研究、推廣SMA這種結構形式,最典型的是:1995年亞特蘭大市為舉辦奧運會對公路網進行改建和新建,全部採用了SMA這種結構形式做路面。

3.2 瀝青瑪蹄脂碎石混合料路面(SMA)的組成原理及特點

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)是一種以瀝青、礦粉及纖維穩定劑組成的瀝青瑪蹄脂結合料,填充於間斷級配的礦料骨架中,所形成的混合料。其組成特徵主要包括兩個方面:①含量較多的粗集料互相嵌鎖組成高穩定性(抗變形能力強)的結構骨架;②細集料礦粉、瀝青和纖維穩定劑組成的瀝青瑪蹄脂將骨架膠結一起,並填充骨架空隙,使混合料有較好的柔性及耐久性。

SMA的結構組成可概括為“三多一少,即:粗集料多、礦粉多、瀝青多、細集料少”。具體講:①SMA是一種間斷級配的瀝青混合料,5mm以上的粗集料比例高達70%~80%,礦粉的用量達7%~13%,(“粉膠比”超出通常值1.2的限制)。由此形成的間斷級配,很少使用細集料;②為加入較多的瀝青,一方面增加礦粉用量,同時使用纖維作為穩定劑;③瀝青用量較多,高達6.5%~7%,粘結性要求高,並希望選用針入度小、軟化點高、溫度穩定性好的瀝青(最好採用改性瀝青)

SMA的特點:瀝青瑪蹄脂碎石混合料是當前國際上公認(使用較多)的一種抗變形能力強,耐久性較好的瀝青面層混合料。由於粗集料的良好嵌擠,混合料有非常好的高溫抗車轍能力,同時由於瀝青瑪蹄脂的粘結作用,低溫變形性能和水穩定性也有較多的改善。添加纖維穩定劑,使瀝青結合料保持高粘度,其攤鋪和壓實效果較好。間斷級配在表面形成大孔隙,構造深度大,抗滑性能好。同時混合料的空隙又很小,耐老化性能及耐久性都很好,從而全面提高了瀝青混合料的路面性能。

4 橡膠瀝青(AR)

橡膠瀝青是先將廢舊輪胎原質加工成為橡膠粉粒,再按一定的粗細級配比例進行組合,同時添加多種高聚合物改性劑,並在充分拌合的高溫條件下(180℃以上),與基質瀝青充分熔脹反應後形成的改性瀝青膠結材料。橡膠瀝青具有高溫穩定性、低溫柔韌性、抗老化性、抗疲勞性、抗水損壞性等性能,是較為理想的環保型路面材料,目前主要套用於道路結構中的應力吸收層和表面層中。

橡膠瀝青經過50年的套用,形成了兩個成熟的級配混合料產品系列。與常規瀝青混合料相比,橡膠瀝青混合料擁有較高的瀝青用量(7.5%左右)。

(1)開級配混合料(AR-OGFC):由高用量橡膠瀝青(9-10%)與單一粒徑碎石為主的集料拌合而成。

特點及套用:開級配混合料具有良好的抗滑、防濺水、降噪音和持久穩定性,是高速公路和城市快速道路的理想表面層材料。同時開級配混合料突出的抗反射裂縫能力,被廣泛用於水泥路面超薄罩面。

(2)間斷級配混合料(AR-GAP):由中間粒徑間斷級配與橡膠瀝青拌合而成。動穩定度達到3000以上,凍融劈裂值達到80以上。

特點及套用:由於具備較好的表面構造、密水性、抗剪下穩定性,間斷級配和混合料被普遍用於交叉和變速較多的城市道路面層和補強結構。

橡膠瀝青路面的性能優勢:

· 優異的抗疲勞性提高路面的耐久性能;

· 由於膠結料含量高、彈性好,提高了路面對疲勞裂縫、反射裂縫的抵抗能力;

· 較強的低溫柔韌性減輕了路面的溫度敏感性;

· 因為膠結料含量高、油膜厚以及輪胎中含有抗氧化劑,故提高了道路抗老化、抗氧化能力;

·優異的抗車轍、抗永久變形能力;

· 由於道路的耐久性得到提高,使得道路的養護費用顯著降低;

· 大量使用廢舊輪胎,既節約了能源,也有利於環境保護;

·橡膠中的炭黑能夠使路面黑色長期保存,與標線的對比度高,提高了道路的安全性;

· 橡膠瀝青用於瀝青混合料時,由於施工厚度薄,施工迅速,縮短了施工時間。

5 Superpave瀝青混合料(SUP)

Superpave瀝青混合料是美國戰略公路研究計畫(SHRP)的研究成果之一。 Superpave是Superior Performing Asphalt Pavement的縮寫,中文意思就是“高性能瀝青路面”Superpave瀝青混合料設計法是一種全新的瀝青混合料設計法,包含瀝青結合料規範,瀝青混合料體積設計方法,計算機軟體及相關的使用設備、試驗方法和標準。Sperpave混合料設計分為三個水準: 混合料體積設計也稱水準I設計,使用鏇轉壓實機(SGC)並根據體積設計要求選擇瀝青用量。 混合料中等路面性能水平設計也稱水準II設計,以混合料體積設計為基礎,附加一組SST和IDT試驗以達到一系列性能預測。 混合料最高路面性能水平設計也稱水準III設計,以混合料體積設計為基礎,附加的SST和IDT試驗是在一個較寬溫度變化範圍內進行試驗。由於包含了更廣泛的試驗範圍和結果,完全分析可提供更可靠的性能預測水平。 Superpave瀝青混合料設計系統是根據項目所在地的氣候和設計交通量,把材料選擇與混合料設計都集中在體積設計法中,該方法要求在設計瀝青路面時,充分考慮在服務期內溫度對路面地影響,要求路面在最高設計溫度時能滿足高溫性能地要求,不產生過量地車轍;在路面最低溫度時,能滿足低溫性能地要求,避免或減少低溫開裂;在常溫範圍內控制疲勞開裂。對於瀝青結合料,採用鏇轉薄膜烘箱試驗來模擬瀝青混合料在拌和和攤鋪工程中的老化;採用壓力老化容器模擬瀝青在路面使用工程中的老化。對於集料,在進行混合料級配設計時,採用控制點和限制區的概念來限定,優選試驗級配設計。對於瀝青混合料,在拌好後,採用短期老化來模擬瀝青混合料在拌和攤鋪壓實過程中的老化,瀝青混合料試件採用鏇轉壓實儀準備。試件壓實過程中,記錄鏇轉壓實次數與試件高度的關係,從而對瀝青混合料體積特性進行評價。 所謂Superpave混合料體積設計是根據瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青填隙率等體積特性進行熱拌瀝青混合料設計的,方法主要有設計材料選擇、瀝青混合料拌和、瀝青混合料體積分析以及混合料驗證,包括體積性質和水敏感性。瀝青混合料體積設計過程主要由四部分組成:①材料選擇;②集料級配選擇;③確定瀝青混合料最佳瀝青含量;④評估瀝青混合料的驗證,包括體積性質和水敏感性。 Suerpave瀝青混合料體積設計法對材料、集料級配、混合料均有嚴格的規定,並制定了相應的嚴格規範要求,包括膠結料規範、集料規範、混合料規範。

6 SBS改性瀝青混凝土(SBS)

SBS改性瀝青是在原有基質瀝青的基礎上,摻加2.5%、3.0%、4.0%的SBS改性劑,改性後的瀝青,與原瀝青相比,其高溫粘度增大,軟化點升高。在良好的設計配合比和施工條件下,瀝青路面的耐久性和高溫穩定性明顯提高。

改性瀝青及其效果評價指標

所謂改性瀝青,也包括改性瀝青混合料,是指“摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細的橡膠粉或其他填料等外摻劑(改性劑),或採取對瀝青輕度氧化加工等措施,使瀝青或瀝青混合料的性能得以改善而製成的瀝青結合料”。改性劑是指“在瀝青或瀝青混合料中加入的天然的或人工的有機或無機材料,可熔融、分散在瀝青中,改善或提高瀝青路面性能(與瀝青發生反應或裹復在集料表面上)的材料”。改性效果的好壞,主要用改性瀝青指標來進行評價,改性瀝青的評價指標為:(1)感溫性指標:針入度指數(針入度)。(2)低溫性能指標:5℃延度和當量脆點。(3)高溫性能指標:60℃粘度、軟化點與當量軟化點。(4)熱穩定性(耐老化)指標:鏇轉薄膜烘箱試驗。(5)瀝青粘彈效應指標:彈性恢復。⑥瀝青與集料握裹力指標:粘韌性試驗。⑦施工及安全指標:閃點、135℃運動粘度。⑧離析指標:軟化點差。

7 熱壓式瀝青混凝土(HRA)

熱壓式瀝青混凝土路面(Hot Rolled Asphalt Pavement,HRA)作為一種獨特的瀝青混凝土路面形式,在英國得到了廣泛的套用。

混凝土的不同種類

混凝土,簡稱為“砼(tóng)”:是指由膠凝材料將集料膠結成整體的工程複合材料的統稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料,砂、石作集料;與水(加或不加外加劑和摻合料)按一定比例配合,經攪拌、成型、養護而得的水泥混凝土,也稱普通混凝土,它廣泛套用於土木工程。

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