市政工程新型材料桥梁道路面层.docx
- 文档编号:12830698
- 上传时间:2023-06-08
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:440.43KB
市政工程新型材料桥梁道路面层.docx
《市政工程新型材料桥梁道路面层.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《市政工程新型材料桥梁道路面层.docx(37页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
市政工程新型材料桥梁道路面层
SMA 沥青路面
九江长江大桥公路桥管理局 裴庆红
一、工程概况:
九江长江大桥公路桥于 1993 年元月建成通车,随着时
间的推移,公路桥面因各种原因(特别是超限车辆的作用)
出现不同程度的缺陷和病害,针对这些缺陷和病害,九江长
江大桥管委会和九江长江大桥公路桥管理局采取了一些相关
措施来进行维修和修复,但是未能根本解决问题。
由于九江
长江大桥铁路桥是京九大动脉的重大、特大桥梁,而公路桥
又是 105 国道的咽喉要道,所以其重要性不言而喻。
如何保
证既维修好公路桥面又确保车辆正常通行而且尽可能地延长
桥面使用寿命就成为大桥管理者光荣而又艰巨的任务。
2000 年在对九江长江大桥公路正桥进行大修时,将原
桥面铺装(原桥面铺装为 5CM 的水泥砼+2CM 的沥青砂)全
部铲除,改为 5CM 的粗粒式沥青砼+4CM 的中粒式沥青砼
+3CM 的细粒式沥青砼,经过将近四年的通车运行,总体情
况良好,但是正桥面全桥范围内出现大量的纵向裂缝,局
部桥面出现了龟状裂缝,因此公路正桥桥面铺装的大修并
不十分成功。
2003 年,九江长大桥公路引桥桥面也出现了
不同程度的病害:
北岸公路引桥第 6、7、11 跨铺装层在桥
梁中心线附近靠近曲线内侧存在多条顺桥向的不规则纵向
裂缝,铺装层大部裂穿,并且伴有破碎现象,深度大约为
20cm 左右,部分 T 梁上翼缘已经有裂缝,深度 1~5cm 不等,
且全部为顺桥向的纵向裂缝;大部分的 T 梁顶板底面有纵
向裂缝,并且在桥中心线附近的几片梁上裂缝出现较多。
对每一孔而言,这些纵向断续裂缝绝大部分距离湿接头
10~20cm 左右,位于曲线内侧方向,另外还有部分蜂窝麻面
以及在湿接头附近存在由于渗水引起的锈迹。
因此,引桥
桥面铺装层的大修也就提上了议事日程。
采用何种材料,
经过多方案比较、技术咨询和资料查找,最终决定采用 SMA
沥青砼来重修引桥桥面铺装层。
二、 SMA 沥青砼技术研究
回顾我国公路沥青路面的发展史,可以看出,沥青路面
的发展和变革,实际上是路面材料变革的历史。
现在沥青路
面的差距最主要是材料上的差距,包括原材料和沥青混合料
的差距。
改革开放以后,以京津塘高速公路建设为契机,我国开
始进入了高等级公路建设的新时期。
随着国外高质量沥青
的进入,各种改性沥青砼路面成为高等级公路工程崭新的
结构形式。
在这个阶段,国家“七五”、“八五”科技攻关,
对沥青路面材料、结构、施工工艺、质量控制的研究,得
到前所未有的深入。
现在,我国的公路建设又进入了一个新的时期,对沥
青和集料都提出了更高的要求。
这是相对于目前采用重交
通道路沥青和密级配沥青混合料而言的。
那就是沥青开始
采用改性沥青,沥青混合料采用沥青玛蹄脂碎石混合料即
SMA。
为什么要采用 SMA?
这是因为严酷的自然环境对沥青
路面有了更高的要求。
随着经济的发展,重载、超载现象
严重,交通流量也增长得特别快,使有些路段超负荷运转,
采用普通的沥青砼路面已经不能满足要求。
SMA 是 20 世纪 60 年代中期前联邦德国开发的新型沥青
混合料。
其级配类型为断级配骨架型密实混合料。
SMA 中由
粗集料构建的坚固的骨架结构具有优异的抵抗永久变形能
力,而充填粗集料骨架孔隙的丰富沥青玛蹄脂则赋予 SMA
高度的耐久性,其粗糙的表面构造使路面具有优良的抗滑
性和较低的交通噪声。
SMA 对材料和工艺的要求较高,但其
使用寿命较长,铺筑厚度较薄,养护工作量小,具有可持
续的社会和经济效益。
由于 SMA 路面具有优异的面层功能特性和良好的技术
经济效益,所以 SMA 一般只考虑在气候条件恶劣、交通量
特别繁重,或者政治经济地位特别重要的路段上采用,使
路面既能满足使用需要,保持良好的水平,又能完好地使
用较长的时间,同时也能取得长远的经济效益。
三、 SMA 的技术特点
SMA 是一种热拌热铺的断级配骨架型密实沥青混合料。
它由大比例碎石(粗集料)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。
在 SMA 混合料中,
粗集料提供骨架结构,而细集料作为玛蹄脂的一部分,基
本上不参与构建集料结构的作用。
而常规 AC 密级配沥青混
合料中粗集料基本处于悬浮状态,少有石料与石料的相互
接触。
SMA 路面具有如下特点:
(1)高度的稳定性和抗车辙能力。
原因为高品质碎石
及碎石与碎石的嵌锁;
(2)优良的抗滑性。
原因为高品质的碎石和 SMA 的表
面构造;
(3)降低交通噪声。
原因是 SMA 的表面构造及高结合
料含量;
(4)增加耐久性。
原因是优质集料与高结合料含量;
(5)改进低温性能。
原因是高结合料含量与结合料改
性;
(6)改进老化特性。
原因是高结合料含量与低空隙特
性;
(7)减少水雾。
原因为 SMA 的表面构造与排水。
此外,SMA 是使用高比例粗颗粒骨料所形成的断级配沥青砼,
除了骨材外,主要材料还有添加的矿物纤维,其作用是稳
定拌合料中所含高量沥青胶泥,藉以增加 SMA 沥青砼的耐
久性,使其比传统的沥青砼有较佳的抗车辙及变形的能力
和在施工时不会产生滴油垂流之现象。
四、研究的目的
路面是高等级公路的重要组成部分,公路路面相对于
路基而言只是薄薄的一层,但其工程造价却占到了公路工
程总造价的 15%~25%。
路面作为道路直接与行车发生关系的
“界面”,其工程质量具有特殊重要的意义。
目前,在我国
已建成的高速公路中,约 75%采用了沥青砼路面。
随着国外
技术的引进和消化吸收,我国在公路沥青路面修筑,特别
是高速公路的沥青路面修筑方面形成了以路面结构、材料、
设计、施工和检测为核心的成套技术,基层和面层的工艺
水平都有了明显提高。
但是随着高速公路里程的逐年增长,沥青路面普遍存
在的技术和质量问题也逐渐暴露出来,其主要表现在两个
方面,即沥青路面的耐久性(使用寿命)和路面的早期破
坏。
一方面,现有道路的实际使用寿命(5~8 年)普遍短于
设计使用寿命(15~20 年);另一方面,随着交通流量的迅
速增长,车辆大型化和严重超载,使路面质量面临新的严
峻考验。
在新路开放交通一二年内就出现了坑槽、开裂、
车辙、抗滑性能不足等早期破坏现象已十分普遍,个别路
段早期破坏现象甚至十分严重,不得不过早地进行修复,
由此带来巨大的直接和间接的经济损失。
因此,在一些气候条件恶劣和交通负荷特别大的路段
(包括桥梁)或一些政治经济特别重要的路段(尤其是桥
梁),在使用通常的道路沥青砼仍不能满足使用要求时,为
使沥青砼路面达到更长的使用寿命,可以考虑采用 SMA 路
面。
所以研究的目的是:
通过深入分析 SMA 路面材料组成
和特性及 SMA 路面的结构特性和受力特点,对 SMA 具有抗
车辙、抗裂、抗滑、泌水和耐久的优点进行全面阐述,同
时,结合实际工程(九江长江大桥公路桥桥面改造),详细
论述 SMA 沥青砼路面施工技术和施工工艺。
SMA 是一种较新型的沥青砼材料,有其优点和长处,但
其卓越品质与性能的代价主要表现在以下三个方面:
①较高的材料成本。
因其采用了优质集料和添加剂
(矿物纤维、改性剂);
②较高的生产成本。
表现为较低的生产率(生产复杂
性增加);严格的温度控制和混合料控制;
③要获得 SMA 路面的最佳性能并减少养护工作量,SMA
混合料须精心设计,并做到精心生产和精心铺筑。
五、SMA 材料
采用 SMA 沥青砼这种新型材料,直接影响其质量的关
键因素是 SMA 沥青砼的组成材料和材料的性能。
所以,下
面分别对沥青、集料和矿物纤维进行研究。
25℃针入度/0.1mm
5℃延度/mm
软化点/℃
51
30
75
沥青三大技术指标 表 1
最终选定的沥青为鄂州科氏沥青产品有限公司生产的
1.沥青和改性沥青
尽管各国沥青结合料的规范有着明显差别,但都是以
针
入度或粘度来划分沥青等级的,再以软化点、不同温度粘
度、针入度指数、法拉斯脆点来确定温度敏感性,并经过
老化试验,保证上述特性在容许限度的范围内。
世界上大多数国家,包括我国、欧洲各国、日本均采
用 25℃针入度指标进行沥青结合料分级。
SMA 混合料需要
采用比常规 AC 混合料粘度(稠度)更大的沥青结合料,而
且选择改性沥青的越来越多。
SMA 沥青结合料的质量必须满足沥青玛蹄脂的性能需要,
要有较高的粘度,符合一定的要求,以保证有足够的高温
稳定性和低温韧性。
根据设计要求,九江长江大桥公路桥桥面改造所采用的
沥青其三大技术指标如表 1 所示,且该沥青须符合”重交通
道路沥青技术要求”(应用于炎热地区)。
项 目
单位
检测结果
要求
针入度,25℃,100g,5s
mm
65
≥40
针入度指数,PI
0.4
≥0.2
延度,5cm/min,5℃
cm
40
≥20
软化点(R&B)
℃
86
≥60
闪点(COC)
℃
315
≥230
离析试验,软化点差
℃
0
≤2.5
弹性恢复,(25℃,10cm,60min)
%
98
≥70
旋转粘度,135℃
Pa.s
1.7
≤3
溶解度(三氯乙烯)
%
99.5
≥99
旋转薄膜烘箱后残留物
质量损失
%
0.01
≤1.0
延度,5cm/min,5℃
cm
25
≥15
针入度比,25℃,100g,5s
%
80
≥65
改性沥青,其主要技术指标如表 2:
沥青(聚合物改性沥青)主要指标 表 2
2.集料
由于 SMA 沥青砼路面(桥面)优良的抗车辙性能主要来
源于集料体高度的内摩阻力,故对粗细集料提出了比常规沥
检验项目
计量单位
检验结果
检验项目
计量单位
检验结果
表观密度
g/cm³
2.912
针片状颗
粒含量
%
7.6
堆积密度
g/cm³
1.501
压碎指标
值
%
28.7
紧密密度
g/cm³
1.643
坚固性
%
含泥量
%
1.78
有机物含
量
泥块含量
%
1.4
岩石强度
Mpa
97.2
含水量
%
1.6
SO3 含量
吸水率
%
2.21
碱活性
湖北阳新玄武岩碎石试验结果 表 3
青砼更高的要求。
粗集料:
粗集料是构成 SMA 混合料骨架结构的主体材
料。
要求选用质地坚硬、表面粗糙、抗磨耗、形状接近立
方体的碎石料。
SMA 混合料不得使用易磨光或相对纯的碳酸
盐集料。
采用的集料可为花岗岩、玄武岩、片麻岩和石英
岩等,即要求集料要有足够的硬度和耐久性,最终选定采
用玄武岩碎石作为粗集料。
针对上述要求,选择了两处料场的碎石进行对比试验,
这两处料场分别是湖北阳新和江苏花山,其碎石均为玄武
岩。
经检验,两处玄武岩碎石试验结果及对比如下表 3、表
4 和表 5 所示:
检验项目
计量单位
检验结果
检验项目
计量单位
检验结果
表观密度
g/cm³
针片状颗粒
含量
%
堆积密度
g/cm³
压碎指标值
%
12.5
紧密密度
g/cm³
坚固性
%
含泥量
%
有机物含量
泥块含量
%
岩石强度
Mpa
172
含水量
%
磨耗率
%
13.6
吸水率
%
0.8
碱活性
项 目
技术规范要求
湖北阳新产
江苏花山产
岩石强度
>120MPa
97.2
172
压碎值指标
≤28%
28.7
12.5
吸水率
≤2%
2.21
0.8
磨耗率
<30%
--
13.6
江苏花山玄武岩碎石试验结果 表 4
玄武岩碎石主要力学性能对照表 表 5
通过试验检测和对比,最终选定采用江苏花山生产的
玄武岩碎石。
其集料筛分试验数据如表 6~9 所示:
集料名称:
玄武岩
集料规格:
16.0~9.5
集料试验前干燥质量
m1(g)
2000
集料水洗后干燥
质量 m2(g)
1994.0
P0.075
(%)
0.3
干
筛
法
筛
分
结
果
筛号
(mm)
各号筛上的
筛余量
(%)
分计筛
余(%)
累计筛
余(%)
通过
量
(%)
筛分曲线图
19.0
0
0
O
100
通过量%
16.0
16.8
0.7
0.7
99.3
13.2
445.0
17.4
18.1
81.9
9.5
1887.0
73.8
91.9
8.1
4.5
194.8
7.6
99.5
0.5
筛底
4.6
0.2
99.7
0.3
集料名称:
玄武岩
集料规格:
9.5~4.75
集料试验前干燥质量
m1(g)
2000
集料水洗后干燥
质量 m2(g)
1994.1
P0.075
(%)
0.3
干
筛
法
筛
分
结
果
筛号
(mm)
各号筛上的
筛余量
(%)
分计筛
余(%)
累计筛
余(%)
通过
量
(%)
筛分曲线图
19.0
0
0
O
100
通过量%
16.0
0
0
0
100
13.2
385.3
19.2
19.2
80.8
9.5
1512.2
75.4
94.6
5.4
4.5
96.6
4.8
99.4
0.6
筛底
5.3
0.3
99.7
0.3
江苏花山玄武岩碎石集料筛分试验记录 表 6
玄武岩碎石集料筛分试验记录 表 7
集料名称:
玄武岩
集料规格 2.36~1.18
集料试验前干燥质量
m1(g)
1000
集料水洗后干燥
质量 m2(g)
1000
P0.075
(%)
0.3
干
筛
法
筛
分
结
果
筛号
(mm)
各号筛上的
筛余量
(%)
分计筛
余(%)
累计筛
余(%)
通过
量
(%)
筛分曲线图
9.5
0
0
O
100
通过量%
4.75
27.3
2.7
2.7
97.3
2.36
914.1
91.1
93.8
6.2
1.18
54.4
5.4
99.2
0.8
0.6
1.1
0.1
99.3
0.7
0.3
0
0
99.3
0.7
0.15
0
0
99.3
0.7
筛底
2.9
0.3
99.6
0.4
集料名称:
玄武岩
集料规格:
4.75~2.36
集料试验前干燥质量
m1(g)
2000
集料水洗后干燥
质量 m2(g)
1996
P0.075
(%)
0.2
干
筛
法
筛
分
结
果
筛号
(mm)
各号筛上的
筛余量
(%)
分计筛
余(%)
累计筛
余(%)
通过
量
(%)
筛分曲线图
13.2
0
0
O
100
通过量%
9.5
8.8
0.4
0.4
99.6
4.75
1892.1
94.4
94.8
5.2
2.36
96.1
4.8
99.6
0.4
筛底
3.0
0.2
99.8
0.2
玄武岩碎石集料筛分试验记录 表 8
玄武岩碎石集料筛分试验记录 表 9
集料名称:
玄武岩
集料规格:
2.36~0.075
试
验
次
数
集料试验前干燥
质量 m1(g)
集料水洗后干
燥质量 m2(g)
P0.075(%)
P0.075(%)
平均值
细度
模数
Mx
平均细度模数
Mx
1
500
448.7
10.3
10.5
2.47
2.47
2
500
446.6
10.7
2.46
水
洗
法
筛
分
结
果
筛号
(mm)
筛余量(g)
分计筛余
(%)
累计筛余%)
通过
量
(%)
筛分曲线图
1
2
1
2
1
2
平均值
4.75
0
0
0
0
0
0
0
100
100.0
90.0
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
2.36
10.7
15.6
2.1
3.1
2.1
3.1
2.6
97.4
1.18
154.3
150.0
30.9
30.0
33.0
33.1
33.1
66.9
0.6
110.4
104.6
22.1
20.9
55.1
54.0
54.6
45.4
0.3
91.5
92.3
18.3
18.5
73.4
72.5
73.0
27.0
0.15
52.0
53.1
10.4
10.6
83.8
83.1
83.5
16.5
0.075
29.6
30.8
5.9
6.2
89.7
89.3
89.5
10.5
3.细集料
细集料是指 2.36mm 筛孔以下的集料。
细集料应采用专
门制砂机生产的机制砂。
当采用普通石屑代替时,宜采用
与沥青粘附性好的石灰岩石屑,且不得含有泥土、杂物。
本次 SMA 沥青砼采用的是玄武岩细集料,其筛分试验结果
如表 10:
表 10
4.填料
磨细天然石灰岩粉末,是各国 SMA 沥青砼混合料最通
常采用的填料。
本次 SMA 沥青砼采用的填料为由石灰石等
碱性岩石磨细的矿粉。
作填料的矿粉必须保持干燥,能从
石粉仓自由流出,其技术要求如下所示:
指标
单位
技术要求
视密度
t/m³
≥2.50
含水量
%
≤1
粒度
范围
<0.6
%
100
<0.15
90~100
<0.075
75~10
外观
无团粒,不结块
亲水系数
%
≤1
塑性指数
%
≤4
表 11
5.稳定剂
与传统的沥青砼相比,SMA 沥青砼通常具有较高的沥青含
量和较多的粗集料.因此,SMA 混合料必须含有适当类型和数
量的稳定剂,以便在混合料的储存、运输和摊铺过程中保持
住沥青结合料,防止其发生析漏。
稳定剂通常是指外掺的
纤维,主要有木质纤维和矿物纤维,本次 SMA 沥青砼采用
的稳定剂为 Fiberand 矿物纤维。
(1)Fiberand 矿物纤维
Fiberand 矿物纤维系采用玄武岩和石灰岩在 1600℃高
温熔融、编纺抽丝、并经表面上胶而成。
纤维直径约
5μm,纤维长度平均为 6mm,通过 250μm 筛为 95%及通过
63μm 筛为 65%。
Fiberand 矿物纤维特性(和木质纤维相比)
①扩散快速,使矿物纤维能够均匀混合于沥青料中;
②混合于沥青料中具有 100%资源回收能力;
③矿物纤维较任何其它添加剂具有更佳耐高温性能;
④矿物纤维不吸收沥青;
⑤矿物纤维混合搅拌于沥青料中不论用现场搅拌机具
或工厂拌合均可;
⑥矿物纤维本身具有高温不易软化,低温不易硬化龟
裂性能;
1、矿物纤维不会受发霉、潮湿、腐蚀及虫害影响。
Fiberand 矿物纤维功能
①增加沥青胶泥的黏滞度,增加其韧性、耐久性,具
有提高沥青砼的劲度、耐磨性;
②提升路面的透水能力,确保路面的抗摩擦能力,提
高行车安全;
③加入矿物纤维的沥青砼,因其透水性能良好,故不
易发生路面积水、水花四溅及形成雾状的现象,能够提高
行车安全度;
④矿物纤维与沥青混合后,在粒料表层形成较厚的沥
青膜,使水份不易侵入骨料,减低路面粒料剥脱分离;
⑤矿物纤维不溶于沥青,但可利用其高度的黏贴性,
可吸住沥青使其黏贴于骨料,防止因高温所造成的垂流和
流失,可相对提高沥青含油量,可减低路面氧化、老化,
增加路面稳定性及增加使用寿命。
6.聚炳烯纤维
根据设计要求,在弯道处采用增强 SMA 沥青砼,增强
材料采用聚炳烯纤维,其目的是防止沥青砼出现裂纹。
本
次 SMA 沥青砼采用的聚炳烯纤维为美国杜拉纤维。
技术指标
试验结果
规范要求
1#料视密度
(g/cm³)
2.989
≥2.50
2#料视密度
(g/cm³)
3.006
≥2.50
3#料视密度
(g/cm³)
2.936
≥2.50
表 12
杜拉纤维是一种新型的砼防裂纤维,也被称为“次要
增强筋”,其主要功能是抑制沥青砼的路面(桥面)塑性裂
缝的产生。
六、 SMA 沥青砼混合料配合比设计
SMA 沥青砼混合料配合比设计,根据交通部颁布的
JTJ032-94《公路沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青
混合料配合比设计的规定,热拌沥青混合料配合比设计应
分三个阶段,分别是目标配合比、生产配合比和验证配合
比。
(1)目标配合比
目标配合比委托东南大学交通学院试验室设计。
具体
试验结果如下:
(2)原材料试验
1、矿料:
(1)集料 1#、2#、3#料为江苏花山产玄武岩,4#为石灰
石机制砂。
(2)各矿料试验结果见表 12:
名称
通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率(%)
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
1#料
100
99.1
68.5
6.9
0
2#料
100
98.5
13.6
0
3#料
100
2.7
0
4#料
93.4
45
28.8
18.8
12.1
6.3
矿粉
100
90
SMA-16
100
100
92
72
38
31
26
22
17
15
11
4#料视密度
(g/cm³)
2.705
≥2.50
矿粉视密度
(g/cm³)
2.705
≥2.50
名
称
通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率(%)
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
1#料
100
99.1
68.5
6.9
0
2#料
100
98.5
13.6
0
3#料
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 市政工程 新型材料 桥梁 道路 面层