热阻式超薄磨耗层的应用研究

万方数据
公路
２００９年第３期
按照现行试验规程的试验方法，采用由轮碾成 型的车辙试件切制成长２５０ ｍｍ±２．０ ｍｍ、宽 ３０ ｍｍ±２．０ ｍｍ、高３５ｍｍ±２．０ ｍｍ的棱柱体小 梁，跨径为２００ ｍｍ±０．５ ｍｍ。采用跨中加载，在加 载速率为５０ ｍｍ／ｍｉｎ的条件下，测得一１０℃时沥青 混合料的抗弯拉强度、极限应变及弯曲劲度模量，如 表８所示。
摘要：在对沥青混凝土路面早期损害现象的研究基础上，通过将热阻材料一一陶粒应用到超薄磨耗层中，来
解决目前沥青混凝土路面日益严重的车辙问题。通过对热阻式超薄磨耗层的路用性能试验和热阻性能试验，得出了 陶粒在超薄磨耗层中的最佳掺配比例，为在实际工程中的应用提供依据。
关键词：陶粒；热阻；超薄磨耗层；车辙
近年来，在我国公路建设迅速发展的同时，许多 高速公路沥青混凝土路面出现了早期损害现象，不 仅造成巨大经济损失，而且影响交通行业的社会形 象和可持续发展。高速公路沥青混凝土路面早期损 害现象，主要表现为水损害、松散、车辙、裂缝、泛油 等。其中车辙病害可以说是最为严重、危害也是最 大的，它是沥青混凝土路面特有的一种损坏现象。 而夏季的持续高温是车辙产生的最直接诱因——高 温使沥青混合料劲度模量大幅度降低，在车辆荷载 作用下，便产生严重的剪切流变性车辙。
表４超薄磨耗层ｓＡＣ—１０级配范围
级配类型
１３．２
通过下列筛孔（ｍｍ）百分率／％
９．５ ４．７５ ２．３６ １．１８ ０．６ Ｏ．３ ０．１５ ０．０７５
规范 上限 １００ １００
３５
２８
２３
２０
１６
要求 下限 １００
９５
２５
２０
１５
１２
１０
１２
１０
８
６
设计级配 １００ ９７．５ ３０．０ ２４．Ｏ １９．０ １６．Ｏ １３．０ １０．Ｏ ８．Ｏ
表３沥青试验数据
试验项目 针人度（２５℃，１００ ｇ，５ ｓ）／ｏ．１ ｍｍ
针入度指数ＰＪ
试验结果
６４ １．５６
软化点／℃ 延度／ｍｍ
６ｌ
＞１００
规范要求 ６０～８０ ≥～０．４ ≥５５ ≥３０
２沥青混合料的配合比设计 ２．１超薄磨耗层级配的确定
本文采用ＳＡＣ一１０型中断级配作为超薄磨耗 层的级配，采用其中值作为设计级配。超薄磨耗层 级配范围见表４。
本试验采用ＳＢＳ改性沥青，基质沥青为９０号。
收稿日期：２００８一０８—２７
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冯德成 王广伟：热阻式超薄磨耗层的应用研究
表２集料主要技术指标
指标 压碎值／％ 冲击值／％
粘附性
规范标准 ≤２６
≥４级
试验结果
９．８ ６．３
４级
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（ＪＴＪ ０５２～２０００）的规定，测试其针入度、软化点、延度等， 试验数据见表３。
在本试验中，用温度传感器采集试件上下两面 的温度。上下两个表面各设置５个数据采集点，并 在竖直位置重叠。５个点的位置见图１。 ４．２温度采集
用上述的温度测试系统测定车辙试件在不同时 间内的温度变化，具体试验数据如表９所示。
从表９的试验数据可以看出： （１）随着陶粒掺量的增加，试件上表面的温度基 本上相差不大，而下表面的温度却在急剧下降，使得 上下表面的温度差也越来越大，这说明在沥青混合 料中掺加陶粒能有效降低温度在路面中的累积； （２）根据文献［２］中资料显示，随着沥青混合料 内部温度的变化，动稳定度的变化值非常大，呈幂函 数的变化，所以在沥青混合料中掺加陶粒可以在很
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冯德成 王广伟：热阻式超薄磨耗层的应用研究
一６５
图１ 试件上面、底面数据采集点位置及底面传感器的布设
表９温度测试结果数据
指标
下列陶粒掺量（％）的试验结果
Ｏ
２０
４０
６０
８０
上表面温度／＇ｃ 下表面温度／℃ 上、下表面温度差／℃
６９．４ ６６．２ ３．２
７０ ６２．９ ７．１
表６ 沥青混合料水稳定性试验结果
指标
浸水残留稳定度／％ 冻融劈裂强度比／％
下列ห้องสมุดไป่ตู้粒掺量（％）的试验结果
Ｏ
２０
４０
６０
８０
９１．９６
９８．２２
９１．９９
８６．４１
８４．２５
８０．００
８４．０６
８０．８８
６９．７８
５０．２１
从表６数据可以看出，随着陶粒掺量的增加，沥 青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比都有较大 幅度的下降。与普通石料沥青混合料相比，两者最 大降幅分别达到了８％和３８％。而且６０％和８０％ 两种陶粒掺量的沥青混合料，冻融劈裂强度比已不 能满足规范的要求。这说明陶粒的掺入对沥青混合 料的水稳定性有较大影响，特别是冻融劈裂试验；同 时也说明了陶粒在沥青混合料中的掺量不应过多。 ３．２车辙试验
试验结果
１９．４
≤３级
１．２ ６．１ ９．５
规范标准 ＜２０ ≥４级 ≤３
可以看出，陶粒与沥青的粘附性不能满足规范 的要求，必须予以处理。在本试验中，采用在混合料 中掺加消石灰的办法，来增加陶粒与沥青的粘附性。 １．２集料
普通集料采用石灰岩，按照《公路工程集料试验 规程３（ＪＴＧ Ｅ４２～２００５）的相关规定，其各项技术指 标均满足规范要求，如表２所示。 １．３沥青试验
①陶粒呈圆形，棱角性差，造成陶粒沥青混合料 无法形成较强的嵌挤结构，内摩擦力不足，这使得沥 青混合料受外来作用影响容易发生结构性变形；
②陶粒与沥青的粘附性不足，虽然采取了一定 的改善措施，但沥青与陶粒的表面结合力仍然不够， 在有水的情况下，沥青仍会产生大面积剥落，从而影 响其路用性能；
③陶粒具有多孑Ｌ性，决定了其在沥青混合料中 具有明显的吸水和返水特性，造成水分比较容易进 入沥青混合料的内部，并且陶粒还具有较强的保水 性，一旦沥青混合料中有水，就很难散失，这使得沥 青混合料在外力或冻融循环的作用下，很容易就产 生破坏。
１原材料性能 １．１陶粒
陶粒又名膨胀粘土、发泡炼石、火炼石等，大部 分呈圆形或椭圆形球体，颜色大多为暗红色、赭红 色。轻质陶粒采用优质黏土、页岩或粉煤灰为主要 原料，通过回转窑高温焙烧，经膨化而成，是一种优 良的混凝土轻骨料。其内部呈细密蜂窝状微孔。这 些微孔都是封闭型的，而不是连通型的。它是由于
气体被包裹进壳内而形成的，因而陶粒具有轻质、高 强、导热系数低，以及良好的保温隔热的特点。此 外，陶粒还具有抗震性能好、吸水率低，抗冻性能和 耐久性能好，以及优异的抗渗性等。陶粒中有许多 粒径小于５ ｍｍ的细颗粒。在生产中用筛分机将这 部分细小颗粒筛分出来，习惯上称之为陶砂。
１．７６７
１．４７３
空隙率／％ 沥青饱和度／％
４．８ ６９．３
３．６ ７４．４
４．３ ７０．８
４．５ ６９．３
６．７ ５７．９
稳定度／ｋＮ
１０．６
ｌＯ．８２
１２．４６
１２．３６
１２．１８
流值／Ｏ．１ ｍｍ
５１．１
４８．５
３３．１
３２．６
４０．９５
（１）从试验结果可以看出，随着陶粒掺量的增 加，沥青混合料各物理力学指标都发生变化。即油石 比逐渐增加，密度逐渐减小，空隙率先减少后增加，饱 和度先增加后减少，而流值数据表现较无规则。
７２．８ ６３．１ ９．７
７３．２ ６０．３ １２．９
７２．９ ５９．４ １３．５
大程度上减弱沥青混凝土路面车辙病害的发生； （３）根据文献［４］，材料的热阻值能很好地评价混
公路２００９年３月 第３期 文章编号：０４５１一０７】２（２００９）０３—００６２—０４
中图分类号：Ｕ４１６．２
ＨｌＧＨＷＡＹ Ｍａｒ．２００９ Ｎｏ．３ 文献标识码：Ａ
热阻式超薄磨耗层的应用研究
冯德成１，王广伟２
（１．哈尔滨工业大学 哈尔滨市 １５００９０；２．浙江大学建筑设计研究院杭州市３１００００）
本试验采用的温度测试系统主要由热辐射装 置、稳压设备、温度传感器和自动采集装置组成，采 用的热辐射光源是与太阳辐射光谱相近的碘钨灯。 本试验采用等效辐射热原理的方法对试验过程进行 控制，即当室内在恒定辐射强度下投射的累积热量， 等于室外沥青混凝土路面在太阳辐射下达到热平衡 时投射到路面的热量时，室内试验得到的温度可近 似为室外的热平衡温度。通过计算，确定室内试验 的光源辐射时间为７ ｈ左右。
目前我国的道路养护技术都不能从根本上解决 车辙及早期损害问题，而超薄磨耗层具有改善行驶 质量、校正表面缺陷、提高安全特性（包括提高抗滑 性能与排水）、减小噪音、增加路面强度等功能，延长 路面使用寿命，从而得到越来越多道路研究人员的 青睐。故本文在借鉴前人研究的基础上，提出了将 热阻材料——陶粒应用到超薄磨耗层中，来解决沥 青混凝土路面越来越严重的车辙及早期损害问题。
表８ 沥青混合料小梁弯曲试验结果
指标
Ｆ列陶粒掺量（％）的试验结果
Ｏ
２０
４０
６０
８０
抗弯拉强度／ＭＰａ
７．５６２
７．１７２
５．８８８
４．１６０ ２．５８７
极限应变／“ｅ
３ ２７７．５ ３ ７９５．０ ３ ９７２．５ ３ ７９５．０ ２ ８６１．８
弯曲劲度模量／ＭＰａ ２ ３０７
１ ８９０
１ ４８２
１ ０９６
（２）陶粒对混合料的高温稳定性有影响，但动稳 定度仍满足要求，主要原因有：
①本试验所用陶粒是由页岩材料经过高温锻烧 而成，表面具有一定的活性，能提高陶粒与沥青的接 触面强度；
②陶粒的表面粗糙且有微孔，使得它和沥青结 合的有效面积比普通骨料和沥青的粘结面积大得 多，这在一定程度上增加了陶粒和沥青结合面上结
（２）与普通石料沥青混合料相比，陶粒沥青混合 料的密度减少很多，最大可以减少４０％。而其稳定 度有所提高，最大可以提高１８％。
（３）从试验结果可以看出，陶粒可以在沥青混合 料中使用。陶粒沥青混合料是一种密度小、稳定度 高的新型沥青混合料。
３超薄磨耗层的路用性能试验 ３．１水稳定性试验
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 （ＪＴＪ ０５２—２０００）的规定，对不同陶粒掺量的沥青混 合料进行水稳定性（浸水马歇尔、冻融劈裂）试验，试 验结果如表６所示。
９０４
由低温弯曲试验结果来看，随着陶粒掺量的增 加，沥青混合料的抗弯拉强度、极限应变和弯曲劲度 模量都有不同程度的下降。这说明陶粒对沥青混合 料的低温性能的影响是比较大的。 ３．４ 陶粒沥青混合料路用性能试验的结果分析
（１）陶粒对沥青混合料的水稳定性和抗冻性能 有较大影响，陶粒掺量过多时其性能不能满足规范 要求，其主要原因有：
构沥青的含量，提高了沥青混合料的内部粘聚力，从 而提高了其抵抗剪切的能力；
③陶粒内部有大量微孔，弹性模量较小，对冲 击、振动力有一定的吸收缓冲作用，耐磨性较好，因 此高温稳定性好。
４超薄磨耗层热阻性能试验 众所周知，高温是车辙产生的最直接诱因—～
高温使沥青混合料劲度模量大幅度降低，在车辆荷 载作用下，便产生严重的剪切流变性车辙。正因为 如此，目前在解决沥青混凝土路面的车辙问题时，只 能“被动”地接受高温，然后从提高沥青混合料的高 温性能入手，来提高沥青混合料的抗车辙能力。这 样不但会增加道路的投资，还会给路面的水损害留 下隐患。本文采用热阻技术，从沥青混凝土路面的 光热转换机理入手，“主动”地控制路面温度：通过在 沥青混合料中掺加热阻式材料，实现对路面温度场 的自助控制，降低温度在沥青混凝土路面中的累积， 达到从根本上解决路面车辙问题的目的。 ４．１温度测试系统
按照现行试验规程的试验方法，测定不同陶粒 掺量的沥青混合料的动稳定度，结果如表７所示。
表７ 沥青混合料车辙试验结果
指标
下列陶粒掺量（％）的试验结果
Ｏ
２０
４０
６０
８０
动稳定度ＤＳ／（次／ｒａｍ） ９ ７３４
９ ２５０
８ ４３７
７ ６５０
５ ２１４
可以看出，随着陶粒掺量的增加，沥青混合料的 动稳定度虽然有很大降低，但总体上都能满足规范的 要求。这主要是因为在本试验中使用了改性沥青。 ３．３低温弯曲试验
本文使用的陶粒，主要粒径为０～５ ｍｍ，堆积 密度在５００ ｋｇ／ｍ３左右，用它配制的混凝土热导率 一般为０．３～Ｏ．８ ｗ／（ｍ·ｋ），比普通混凝土的热导 率低１～２倍。陶粒主要物理力学指标见表１。
表１陶粒主要技术指标
指标
压碎值／％
粘附性
含泥量（＜Ｏ．０７５ｒａｍ的含量）／％
吸水率／％
１ｈ ２４ ｈ
２．２超薄磨耗层马歇尔试验 本文严格按照《公路沥青路面施工规范》（ＪＴＧ
Ｆ４０～２００４）的规定，对各个不同的陶粒掺量进行马 歇尔试验，试验结果如表５所示。
表５沥青混合料马歇尔试验结果
试验指标
下列陶粒掺量（％）的试验结果
Ｏ
２０
４０
６０
８０
最佳油石比／％
４．５
４．８
５．４
６．Ｏ
６．６
毛体积密度／（ｇ／ｃｍ３） ２．４９０ ２．２８０ ２．００９