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瀝青路麵不同結構層瀝青選型優化方法研究

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瀝青路麵不同結構層瀝青選型優化方法研究

發布日期:2016-01-15 11:27 來源:http://www.cn-kdkj.com 點擊:

我國現有的瀝青分級是以針入度為分級標準的,在選擇瀝青標號及品種時一般是根據經驗取舍瀝青路麵承建。現行規範對瀝青標號的選擇主要依據氣候分區進行。例如,對於夏季炎熱的地區要求瀝青的高溫性能好,選擇針入度較小的低標號瀝青;對於北方寒冷地區要求低溫抗裂性能好,選擇針入度較大的高標號瀝青;同時,對於降雨量大的地區要求瀝青與集料的黏附性要好。但實踐表明,在一些工程上對瀝青標號、品種選擇不當,尤其是對瀝青路麵不同結構層瀝青選擇不合理,不僅造成公路路麵出現了不同程度的破壞現象,降低了瀝青路麵的使用壽命,而且會造成經濟成本的增加。因而,本文以西寧南繞城高速公路項目為例,針對瀝青路麵不同結構層瀝青選型優化的方法進行研究。


西寧南繞城高速公路項目,路線全長為60.949km,起於曹家堡互通立交,止於湟中縣紮麻隆村,路線在西寧市南側自東向西貫穿西寧市,與蘭西高速、平阿高速、西塔高速、西湟一級公路4條高等級公路連接,與新建成的西寧西過境高速公路共同組成西寧市繞城高速環線。項目屬於III3區,屬大陸性高原半幹旱氣候,春季幹旱多風,氣溫上升緩慢;夏季涼爽不熱,秋涼短暫,冬寒漫長;具有氣壓低,寒長暑短,多風少雨,蒸發量大,晝夜溫差大,日照時間長,四季不分明等氣候特征。項目全線采用瀝青混凝土路麵,瀝青路麵分為上、中、下3層。


基質瀝青選型理論


基於JTGF40-2004規範的瀝青標號選型


西寧南繞城項目區域內年平均氣溫8℃,最冷為1月份,統計1992年~2011年連續20年的氣溫數據得知,近20年內年最熱月的平均日最高氣溫的平均值為25.1℃,近20年內的極端最低氣溫為-23.8℃,降雨量357.1mm。依據我國《公路瀝青路麵施工技術規範》。


項目區域氣候分區為2-2-3,參考國內現有規範的建議及區域已有工程應用經驗(采用110號瀝青將會導致較嚴重車轍病害),同時考慮項目區域的交通量特征(從預測交通量看,重車比例(貨車及大客)達到了38%,重載車輛較多),故區域內推薦選用90號或70號基質瀝青。


基於AASHTO規範的瀝青PG等級選型


針對西寧南繞城高速公路項目區域的氣候特征,按照Superpave方法。依據AASHTO規範M320-03。


基於溫度場模型的瀝青選型


本文采用Abaqus10.0有限元分析軟件進行了項目區域瀝青路麵結構的溫度場模擬,根據所列AASHTO規範M320-03所推薦的瀝青PG等級。


根據溫度場模型有限元分析結果,可推薦中麵層瀝青采用PG52~22。同理,按照Superpave方法選取高溫性能,則上麵層瀝青可以選取PG52,考慮到最熱月份路麵最高溫度>52℃,因此可以選取PG58,以保證高溫使用性能;同時考慮到最冷月份最低氣溫<-22℃,因此參照SHRP研究保守選取PG28,以保證低溫使用性能。即上麵層瀝青選型為PG58~28,這與采用Superpave方法得到的結果一致。


另外,參照Superpave方法可知,下麵層瀝青選型為PG46~34、PG52~16均能滿足要求,故可以從經濟角度考慮,最終確定選型。考慮到中麵層瀝青采用PG52~22,若中、下麵層使用同一瀝青等級可以降低成本,且下麵層使用PG52~22亦滿足要求,因此,依據溫度場模擬分析結果和AASHTO規範,從瀝青PG分級角度考慮,上麵層可選擇PG58~28,中、下麵層可選擇PG52~22。


瀝青PG等級驗證及優化


為了進一步驗證前述理論分析研究結果,以中麵層瀝青PG52~22為例,室內試驗初步選擇克拉瑪依70號、90號,西石化70號基質瀝青等3種瀝青,通過彎曲梁流變BBR試驗和動態剪切流變DSR試驗進行瀝青品質和質量評價。瀝青路麵承建


彎曲梁流變BBR試驗


SHRP試驗中蠕變勁度是在最低路麵設計溫度2h加載後的勁度,考慮到彎曲梁流變BBR試驗溫度提高10℃,在60s加載後可以獲得相同的勁度,能夠很好地模擬瀝青的性狀,因此針對本項目采用-12℃為試驗低溫溫度。同時兼顧上麵層路麵溫度,考慮到安全係數和保證率,以提高瀝青低溫一個等級-18℃為對比研究。


根據SHRP要求,瀝青結合料的蠕變勁度S不大於300MPa,蠕變速率M不小於0.3,采用M值來控製低溫下膠結料勁度隨時間變化的速率。在相同的條件下,要求S值盡可能小,M值盡可能大,這樣的瀝青結合料具有良好的低溫抗裂性能。


因此,從低溫性能考慮,可得到以下結論:(1)70號和90號基質瀝青均能滿足PG22和PG28分級要求;(2)90號基質瀝青性能優於70號基質瀝青;(3)對於70號基質瀝青,克拉瑪依瀝青性能優於西石化瀝青。


動態剪切流變DSR試驗


為了兼顧各結構層路麵設計溫度,針對本項目采用58℃為試驗高溫溫度。同時考慮到安全係數和保證率,以提高瀝青高溫一個等級64℃為對比研究。


Superpave規範定義和設置了一個車轍因子,代表總膠結料勁度的高溫黏性部分。原樣瀝青至少須1.00kPa,在旋轉薄膜烘箱中老化後最小值為2.20kPa,否則膠結料會太軟,不能抵抗永久變形。


因此,從高溫性能考慮可得到以下結論:(1)70號和90號基質瀝青均能滿足PG58分級要求,亦能滿足PG52分級要求;(2)70號基質瀝青性能優於90號基質瀝青;(3)對於70號基質瀝青,克拉瑪依瀝青性能優於西石化瀝青。


綜上,結合BBR和DSR試驗結果,為了擁有良好的路用性能,本項目瀝青路麵基質瀝青標號選擇如下:(1)上麵層在兼顧高低溫性能的情況下,應優選90號基質瀝青;(2)中、下麵層重點考慮高溫性能,應優選70號基質瀝青。


基於動穩定度指標的瀝青選型優化


通過對項目區域已有高速公路使用現狀的調查可知,車轍病害為項目區域瀝青路麵的主要病害形式之一,而提高瀝青路麵的高溫穩定性已成為國內外瀝青混合料設計研究的重要內容之一。為了便於工程應用及施工質量控製,本項目對於高溫性能的評價采用動穩定度指標。


工程要求的動穩定度


結合已有研究結論可知,瀝青層永久變形量為各分層永久變形量之和。


瀝青層的分層原則為:(1)表麵層,采用10~20mm為1個分層厚度進行劃分;(2)第二層瀝青層,采用20~25mm為1個分層厚度進行劃分;(3)第三層瀝青層,其厚度不大於100mm時,作為1個分層,大於100mm時等分為2個分層;(4)第四層及其以下的瀝青層,作為1個分層。


對於本項目而言,瀝青麵層結構為4cmAC-13+6cmAC-20+8cmATB-25,故根據瀝青層分層原則,將本項目瀝青麵層劃分如下:上麵層按照20mm為1個分層厚度劃分為2個分層;中麵層按照20mm為1個分層厚度劃分為3個分層;下麵層厚度不大於100mm,故作為1個分層。


結合已有研究結論,高速公路瀝青層的容許永久變形即容許車轍深度應不大於15mm,且瀝青路麵的中麵層永久變形所占的比重最大,上麵層次之,下麵層最小。假定上、中、下永久變形所占的比重分別為25%、60%和15%,瀝青層各分層的永久變形假定均分該瀝青層的永久變形量。因此,先采用BISAR3.0軟件進行瀝青層分層頂麵豎向壓應力的計算,然後根據公式反算得知:本項目瀝青上麵層的動穩定度水平應≥2901次/mm,中麵層的動穩定度水平應≥1529次/mm,下麵層的動穩定度水平應≥153次/mm。


設計要求的動穩定度


參照對瀝青混合料高溫性能評價指標的可靠度研究結論,本項目高溫性能的可靠度要求應為95%,對應的可靠度指標為1.645。一般情況下,AC-13混合料施工質量較好控製,可選路麵的施工水平為低等變異水平;AC-20混合料施工質量較難控製,可選路麵的施工水平為中等變異水平;ATB-25混合料施工質量控製難度相對中上麵層大,為保證施工質量,滿足高溫性能的需求,選擇下麵層的施工水平為高等變異水平。因此,參照已有研究結論,本項目上麵層混合料動穩定度的可靠度係數K取為1.0476,中麵層混合料動穩定度的可靠度係數K取1.0977,下麵層混合料動穩定度的可靠度係數K取為1.1504。則:


(1)上麵層,1.0476×ln2901=8.3523,故e8.3523≈4240;


(2)中麵層,1.0977×ln1529=8.0487,故e8.0487≈3130;


(3)下麵層,1.1504×ln153=5.787,故e5.787≈326。


因此,假定下、中、上麵層的施工變異水平分別為高等、中等和低等水平,為滿足本項目下、中、上麵層動穩定度分別為153次/mm、1529次/mm和2901次/mm的要求,瀝青混合料設計動穩定度的標準應為:下麵層≥326次/mm,中麵層≥3130次/mm,上麵層≥4240次/mm。


結合我國現有規範《公路瀝青路麵施工技術規範》及本項目設計文件的要求,可擬定本項目瀝青混合料動穩定度設計標準為:下麵層≥1500次/mm、中麵層≥3130次/mm、上麵層≥4240次/mm。


參照我國已有工程的成熟經驗,同時考慮項目所用原材料及施工質量控製水平等因素,建議本項目下、中、上麵層混合料動穩定度設計標準分別不小於2000次/mm、3500次/mm和4500次/mm。


動穩定度試驗分析


(1)下麵層ATB-25動穩定度試驗分析。以優選的70號韓國雙龍基質瀝青確定混合料最佳油石比為3.85%,依據我國現行規範的相關規定開展混合料車轍試驗。


由前述分析可知,本項目下麵層瀝青混合料動穩定度設計標準應不小於1500次/mm,故本項目下麵層瀝青混合料采用韓國雙龍70號基質瀝青可滿足使用性能要求。


(2)中麵層AC-20動穩定度試驗分析。以優選的70號韓國雙龍基質瀝青確定混合料最佳油石比為3.85%,依據我國現行規範的相關規定開展混合料車轍試驗。


由前述分析可知,中麵層瀝青混合料動穩定度設計標準應不小於3500次/mm,因此,對於本項目中麵層瀝青混合料,無論采用韓國雙龍70號基質瀝青還是90號基質瀝青均不能滿足要求。故為了提升混合料的高溫性能、同時保障混合料的低溫性能,中麵層混合料應采用改性瀝青。同理,結合已有研究結論及工程經驗可知,本項目上麵層AC-13瀝青混合料設計動穩定度標準要達到不小於4500次/mm的要求,也應采用改性瀝青瀝青路麵承建。


結合已有研究結論及工程應用經驗,對於本項目中上麵層而言,為了在改善混合料高溫性能的同時兼顧低溫性能,綜合分析選定采用SBS改性劑進行基質瀝青的改性。我國現行規範中以25℃針入度為劃分標準,將SBS改性瀝青劃分為I-A、I-B、I-C、I-D等4種。在SBS改性瀝青標號的選擇上,我國大部分地區高速公路宜選擇I-D級,西北和東北地區可選擇I-C級,I-B級適用於非常寒冷的地區,I-A級除特殊情況外很少使用。考慮本項目區域的氣候條件,推薦上麵層SBS改性瀝青等級為I-C級。一般來說,加工I-C級SBS改性瀝青宜選用90號瀝青,故本項目上麵層改性瀝青優選90號基質瀝青。


從經濟性及施工質量控製角度考慮,若中麵層采用同上麵層相同的瀝青標號進行改性,可方便施工、降低成本。因此,建議中麵層亦采用90號基質瀝青進行SBS改性。


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