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浅谈沥青路面高温抗车辙性能的改善技术

发布日期:2019-04-11 09:05 信息来源:河北交通报 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

车辙是当前沥青路面永久变形的主要病害形式,也是我国沥青路面养护工作面对的最常见的问题。随着我国经济发展,交通量以及交通荷载不断增长,轮胎压力和轴载的持续增加导致沥青路面的车辙病害演化时间进一步缩短,沥青路面开放交通后短短几年内就容易产生大量车辙病害。车辙容易导致路面产生积水,不但会使行车安全性能降低,而且会加速路面水损坏病害产生。由于沥青路面的温度敏感性以及粘塑特性,在高温气候环境下,高速公路的长大纵坡段以及城市道路的交叉口路段极易发生车辙病害。

1车辙类型及产生

车辙病害类型一般分为三类,磨耗型车辙、压密型车辙及失稳型车辙。磨耗型车辙多发生于耐久性差的混合料路面,沿车轮轨迹呈现松散状态,相较于其他两种类型的车辙病害,磨耗型车辙占比相对较小。压密型车辙和失稳型车辙是我国较为常见的车辙病害类型。沥青路面在施工阶段压实不充分,在开放交通后的进一步密实是导致压密型车辙产生的主要原因。混合料设计与交通流及交通荷载不匹配,在高温环境和重载作用下,骨料发生产生侧向移动,导致路表结构隆起进一步发生失稳型车辙病害。

车辙的产生是环境与荷载的综合作用的结果,本质而言是沥青路面细观结构的失稳和破坏,沥青混合料集料颗粒的错动和位移是车辙演化过程的内在现象。在高温环境下,沥青胶结料的粘度下降,从而导致混合料内部的抗剪切能力下降;集料的棱角性和纹理特性较差,集料间的摩擦、互锁能力较小以及集料-沥青的界面效应较差,从而导致集料在荷载下容易发生错动。

此外,沥青路面的车辙主要与路面结构中的中下面层有关。行车荷载作用在沥青路面上时,其在路面结构层内部产生的剪切应力随着路面结构深度的增加先增加后减小,所以在中下面层处容易产生较大的剪切应力,如果沥青路面的中下面层材料和结构的抗剪切能力不足,则容易导致路面发生车辙病害。

2抗车辙性能改善技术

2.1改性沥青

沥青胶结料的高温性能对沥青路面的抗车辙性能具有不可忽视的影响,通过掺加聚合物、环氧树脂、岩沥青、纳米材料、高模量改性剂、废胶粉等可改善沥青胶结料的高温性能,从而改善沥青混合料的抗车辙性能。掺加10%的废胶粉可将沥青混合料2万次轮碾作用后的车辙深度降低5mm,掺加2~6%的苯乙烯-乙烯丙烯-苯乙烯聚合物可将沥青混合料60℃的高温性能提升10倍,使用33.3%的食用油残留物改性沥青,至少可将混合料的高温性能提升2倍,而使用0.3%的KTL抗车辙剂则可将沥青混合料的高温性能有效提升78.6%。此外,将熟石灰、石墨或钢渣等加入沥青混合料中,替代部分矿物填料或集料,也能显著改善沥青混合料的高温性能。使用0.1~0.2%掺量的短薄麦秸杆或5~20%的熟石灰,分别能够将沥青混合料的高温性能提升48%和63%。

节能减排效益较好的温拌沥青混合料也表现出一定的抗车辙性能,通过将废胶粉、RAP、纳米粘土或钢渣与掺加有Asphamin或Evotherm温拌剂的改性沥青复配使用,可在获得较好的温拌沥青混合料的同时具有较好的抗车辙性能。

此外,通过乳化沥青或水泥稳定得到的冷拌沥青也可应用改善沥青混合料的抗车辙性能。相同试验条件下,4.4%的水泥掺量得到的冷拌沥青混合料的车辙深度是0.9mm,而4%的乳化冷拌沥青混合料的车辙深度则达到8.4mm,可见水泥基冷拌沥青的抗车辙性能要强于基于乳液处理的冷拌沥青。研究发现,将SBS改性沥青乳液和高钙含量的粉煤灰分别替代沥青乳液和石灰石填料时,可显著改善乳液-冷拌沥青混合料的抗车辙性能。

2.2加强混合料骨架效应

集料在沥青混合料中的占比超过90%,其对沥青路面的力学特性和强度形成的贡献至关重要。随着混合料的级配偏细,其抗车辙能力显著降低,有研究表明,沥青混合料的骨架结构中存在较大的互锁效应时,由于较大的骨料尺寸分散了结构承受的剪切应力,因此混合料表现出较高的抗车辙能力;当其中的骨料逐渐被细集料取代后,其混合料抗车辙性能的失效敏感性显著增加。因此,加强骨料互锁,提高集料接触界面的面积和界面摩擦系数,对于加强混合料骨架效应、改善混合料的抗车辙能力十分有利。

2.3优化沥青路面结构

从沥青路面的结构上来说,在表面层采用具有较强高温性能的混合料可有效减少整个结构层的车辙变形。在沥青面层层间加设土工合成材料,可增强沥青路面结构的抗剪切能力,减小面层内部的剪应力,从而显著提高沥青面层的抗车辙性能。在沥青中下面层采用高模量的改性沥青,可明显提高沥青路面整体的抗车辙性能。

半柔性沥青路面是由填充水泥浆的沥青混合料路面,其空隙率可达20~35%。这种路面可以充分发挥沥青混凝土的柔性和水泥混凝土的刚度,不但有效改善沥青混合料的力学特性,更能显著提升沥青路面的抗车辙性能。研究表明,半柔性沥青路面的动稳定度显著超过20000次mm,远超过普通热拌沥青混合料的动稳定度,甚至强于SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青。

3基于主动降温的沥青路面

鉴于沥青路面的车辙病害受到的环境温度的影响较大,其粘聚力和内摩擦力随着路面温度的升高而降低。随着环境温度的升高,沥青路面越容易出现车辙,且在较高气温的夏季这种现象尤为显著。针对降低沥青路面结构内部温度这一目标,研发出可降温沥青路面显然可有效改善沥青路面的抗车辙性能。

针对沥青路面的吸热量大特性,通过热反射涂层来降低路面对太阳光的吸收,从而降低沥青路面的温度;也可通过耐热材料铺筑成热阻路面,从而抑制沥青路面结构内部的温度升高。但是,热反射涂层的存在一定程度上影响了沥青路面的构造深度,车辆轮胎对路面的磨损以及与自然环境的耦合效应也容易降低热反射涂层和耐热材料的使用寿命。在雨季和高温气候显著的区域,可采用保水沥青路面,将路表面的雨水收集并储存,在气温较高时,雨水蒸发的同时降低路表环境的气温,从而达到降低沥青路面温度的目的。然而,保水路面结构内存在的保水乳浆必然要求混合料具有足够的空隙,这种空隙交通荷载作用下会逐渐较小,不但逐渐削弱了降温效果,甚至导致压密型车辙的产生,因此对于沥青混合料的骨架结构和强度要求较高。此外,针对沥青路面常见的高温车辙病害和低温裂缝病害的现象,在沥青混合料中掺加相变材料,可将高温环境下路面的热量吸收,储存在相变材料内部,消耗沥青胶结料可吸收的热量从而降低沥青路面的温度;道路气候环境降低时,储存在相变材料内部的热量释放出来,从而避免沥青面层由于低温环境而产生裂缝。相变材料虽然具有较好的温控能力,能够在一定程度上降低沥青路面温度,改善其高温抗车辙性能,但相变材料的存在对沥青混合料的力学特性的影响尚待进一步明确和优化。

如果能够沥青路面结构内,尤其是中下面层的内部热量进行转移,则也能够起到降温效果,从而改善沥青路面在高温环境下的抗车辙性能。因此,可以采用热传导机制来调节路面内部温度,在路面中下面内设置热通道,将温度转移出路面结构,可促使中间层温度至少降低5℃,车辙深度减少50%以上。通过优化热通道形式以及相应的材料,可进一步降低路面内部温度,改善高温抗车辙性能。

4结语

从沥青混合料的材料组成上来讲,集料在混合料中占据较大的比重,粗集料组成的骨架效应对于沥青路面抵抗高温车辙的影响十分巨大。但是目前大部分的研究集中在改性沥青材料方面的研究,虽然取得了一定的成效,但是想要进一步控制沥青路面的高温车辙,粗集料的骨架特性以及集料特性应该给予更多的关注。

在沥青路面的结构优化方面,可考虑采用半柔性沥青路面结构来提升抗车辙性能。根据道路使用环境和交通条件的需求,选择性使用可降温类沥青路面或在路面内部设置热通道,通过降低路面温度起到改善其抗车辙性能。 (尹江华)

(审核专家 戴忠华)



责任编辑:孙悦

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