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聚合物改性沥青混凝土施工温度研究

发布时间:2021-02-28 12:34人气:
    要:

文章测试了改性沥青和普通沥青的黏-温曲线,研究了成型温度和击实次数对沥青混凝土马歇尔试件孔隙率的影响,随着温度下降,马歇尔试件孔隙率<3%所需的击实次数越来越多。当温度小于130℃时,改性沥青混合料的孔隙率很难达到3%以下。在此基础上确定了改性沥青混凝土的碾压温度,并通过摊铺试验进行了验证。

Received: 2020-09-08

沥青混凝土具有优异的适应变形能力和防渗能力,能做到“滴水不漏”,被广泛应用于各种水利水电防渗工程[1,2,3,4,5,6]。我国的天荒坪、宝泉、张河湾、西龙池等抽水蓄能电站的上库都采用沥青混凝土面板进行防渗。在寒冷地区,当冬季气温降低时,沥青混凝土会产生较大的温度应力[7],有可能导致沥青混凝土面板开裂[8]。解决沥青混凝土低温开裂的其中一种方法就是采用聚合物改性沥青代替普通沥青[9,10]。沥青混凝土的抗渗性和耐久性均与其孔隙率密切相关。实践表明,当孔隙率不大于3%时,可以保证沥青混凝土的不透水性和耐久性[11,12]。然而与普通沥青相比,改性沥青黏度大,其拌制的沥青混合料压实难度也大,因此必须对改性沥青混凝土的施工工艺进行调整以保证沥青混凝土孔隙率<3%的核心要求。沥青混合料的压实度与碾压温度密切相关,对于普通沥青混凝土,其施工温度可以根据沥青的黏-温曲线确定。普通沥青适宜的拌和温度是沥青黏度为(0.17±0.02)Pa·s时的温度,其适宜的碾压温度是沥青黏度为(0.28±0.03)Pa·s时的温度[13,14]。但是这种根据黏-温曲线确定施工温度的方法对于改性沥青是否适用目前并没有定论。文章通过测试普通沥青、改性沥青的黏-温曲线,进行了室内击实试验、场外摊铺碾压试验,对聚合物改性沥青混凝土的施工温度进行了研究。

1 材料

本试验共使用了两种沥青,分别是中石化辽河分公司生产的SG90普通沥青和盘锦中油辽河沥青股份有限公司生产的SBS改性沥青5#。骨料采用的是大理岩骨料,填料为石灰石矿粉。

2 沥青的黏-温曲线

沥青的黏度测试方法根据沥青的黏度范围有不同的测试方法,根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,本试验研究采用美国SHRP战略计划推出的Brookfield黏度计方法。测试结果如图1所示,图中纵坐标为黏度的对数。

图1 普通沥青和改性沥青黏-温曲线

图1 普通沥青和改性沥青黏-温曲线   下载原图

 

由此可以看出,改性沥青的黏度比普通沥青大得多,普通沥青在温度为90、130℃时的黏度分别和改性沥青在温度为110、180℃时的黏度相当。一般普通沥青适宜碾压的黏度范围为(0.28±0.03)Pa·s, 按照图1中的曲线推算,此黏度范围对应的普通沥青温度范围为134~137℃,对应的改性沥青温度范围为184~190℃。对于普通沥青,134~137℃的碾压温度是合适的。但是对于改性沥青,如果碾压温度为184~190℃,则要求出料温度在200℃以上,一般沥青混合料的出料温度不能超过190℃,温度太高容易造成沥青老化,按照这个温度进行碾压显然是过高的,因此改性沥青混合料的施工温度必须采用试验来确定。

表1 沥青混凝土配合比参数 导出到EXCEL

 

 


筛孔直径/mm
16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 油石比/%

通过率/%
100.0 92.6 81.2 61.7 46.7 35.5 27.1 20.6 15.7 12.0 7.3
 

 

 

3 室内击实成型试验

根据改性沥青的黏度试验结果,在室内进行了沥青混凝土马歇尔试件击实成型试验,测试了成型温度和击实次数对改性沥青混凝土马歇尔试件孔隙率的影响,同时对普通沥青在140℃时不同击实次数的马歇尔试件孔隙率进行对比。试验所采用的沥青混凝土配合比见表1。孔隙率测试结果如图2所示。

图2 马歇尔试件孔隙率与击实次数关系

图2 马歇尔试件孔隙率与击实次数关系   下载原图

 

由此可以看出,随着温度下降,马歇尔试件孔隙率<3%时所需的击实次数越来越多,即沥青混合料压实难度越来越大。当温度小于130℃时,改性沥青混合料的孔隙率很难达到3%以下。在140℃以上时,通过一定的击实功效,改性沥青混合料可以保证孔隙率在3%以下。改性沥青混合料在165℃时的击实难度比普通沥青在140℃时还要大。

室内击实试验的结果表明,改性沥青混合料的适宜碾压温度在140~150℃,最低不能低于130℃。因此,可初步将改性沥青混合料的碾压温度拟定为:初碾150℃,终碾130℃。摊铺温度可比初碾温度高出10℃,即160℃。

4 摊铺试验验证

沥青混合料的现场碾压采用振动碾,和室内马歇尔试件的成型方式有所不同,因此室内试验确定的施工温度须经摊铺试验验证。摊铺试验的设备采用福格勒SUPER 1800型水工沥青摊铺机和SAKAI 3t重振动碾。摊铺机自带熨平梁预压实功能,预压实功效可通过调节激振频率来调整。试验在不同的试验段上采用不同的激振频率和碾压方式进行了研究,试验段的孔隙率采用同一部位一组3个芯样的孔隙率平均值来评定。碾压控制参数见表2,试验结果如图3所示和表3

表2 碾压温度及方式控制表 导出到EXCEL

 

单位:℃


流程
控制温度 碾压遍数 碾压方式

摊铺
>160

初碾
>150 1 静压

复碾
>140 3 前进振动,后退不振动

终碾
>130 1 静压
 

 

 

图3 摊铺试验芯样孔隙率

图3 摊铺试验芯样孔隙率   下载原图

 

表3 芯样孔隙率 导出到EXCEL

 

单位:%


取芯位置
芯样孔隙率 设计指标

条带

1.41
<3

0.88

1.85

2.02

1.62

1.29

2.14

2.46
 

 

 

从试验结果可以看出,8组芯样的孔隙率都在3%以内,表明室内试验制定的碾压温度能够满足沥青混凝土孔隙率<3%的要求。

随着摊铺机激振频率的增加,沥青混凝土的孔隙率逐渐减小,但当激振频率超过80Hz时,孔隙率有所增加,此现象可能是由试验误差引起的。另外,摊铺试验中还发现,终碾完毕后沥青混凝土表明仍然存在碾痕,需要在温度低于100℃时,再进行表面碾压收光。

由于在初碾和复碾之后,沥青混凝土的压实度基本达到要求,结合以上情况,可将终碾温度调至100℃,以有利于消除碾痕。最终可将聚合物改性沥青混凝土的施工温度定为:摊铺160℃,初碾150℃,复碾130~140℃,终碾100℃。

由于不同的改性沥青,其黏度可能大不相同,因此本试验制定的温度不一定适用于其他的改性沥青,对其他的改性沥青混凝土的施工温度也必须经过试验确定。

5 结语

文章通过室内试验和现场摊铺试验得出以下结论,可以用于指导改性沥青的施工。

(1)改性沥青的黏度比普通沥青的大得多,普通沥青在温度为90、130℃时的黏度分别和改性沥青在温度为110、180℃时的黏度相当。

(2)通过黏-温曲线确定的改性沥青混凝土的碾压温度太高,施工中无法采用。

(3)室内击实成型试验表明,当碾压温度小于130℃,改性沥青混合料的孔隙率很难达到3%以下。

(4)经研究和摊铺试验验证的改性沥青混凝土的施工温度可为:摊铺160℃,初碾150℃,复碾130~140℃,终碾100℃。

文章只针对一种改性沥青和一种配合比进行研究,结论对于不同的改性沥青和不同的配合比是否适用还需要进一步的研究。


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