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1、高 粘 度 改 性 沥 青 配 制 钢 箱 梁 桥 面铺 装 层 的 研 究SM A刘 新 权 , 丁 庆 军 , 姚 永 永 , 胡 曙 光( 武 汉 理 工 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 武 汉 市 430070)摘 要 : 设计了高粘度改性沥青配制的钢箱梁桥面 SM A 铺装层 , 并利用 HBW 高强度界面胶对钢桥面板进行糙化处理 。 该钢箱梁桥面的组合铺装技术方案 , 其 SM A 铺装层的 抗 高 温 车 辙 能 力 、 抗 裂 性 、 界 面 抗 剪 切 强 度 、 疲 劳寿 命等都得到显著提高, 70车辙动稳定度在 5 000 次 mm 左右, 60界面抗剪切强度
2、达到 1142 M P a, 铺装层疲劳 寿命在 200 万次以上 。 该技术方案已成功应用于武汉市白沙洲大桥的桥面修补工程中 。关键词 : 高粘度改性沥青 ; SM A ; 钢箱梁 ; 桥面铺装 ; 动稳定度 ; 剪切强度SM A 混 合 料 ( 沥 青 玛 蹄 脂 碎 石 混 合 料 , S to n eM a st ic A sp h a lt) , 已 广 泛 应 用 于 钢 箱 梁 桥 面 铺 装 工 程中, 但是我国很多的钢箱梁桥面 SM A 铺装层都出现了严重的早期病害 。 究其原因 , 除了道路重载 、 超载 严 重 外, SM A 铺 装 层 自 身 抗 高 温 性 能 不
3、足 、 与 钢 板间的界面抗剪切强度不够及抗推移性能不理想等也是形成病害的重要原因 。用于桥面铺装工程的 SM A 铺装层材料, 除具有 良 好 的 路 用 性 能 外 , 还 应 具 有 以 下 几 项 基 本 性 能 : (1) 应具有优良的高温稳定性 , 以满足高达7 0的温 度 使 用 要 求 ; ( 2) 具 有 良 好 的 层 间 结 合 力 , 保 证 桥 面 板与铺装层间足够的抗剪切强度 ; (3) 良好的抗疲劳 开裂能力 , 以承受钢板的复杂变形和重复交通荷载 ; (4) 良好的温 度 适 应 性 , 以 抵 抗 钢 板 的 复 杂 温 度 变 化 。针对以 上 问 题, 在
4、 2004 年 7 月 武 汉 市 白 沙 洲 长 江 大 桥 钢 箱 梁 桥 面 修 复 工 程 中 , 笔 者 设 计 了 3 种 钢箱 梁 桥 面 铺 装 方 案 : 方 案 一 是 在 糙 化 处 理 后 的 钢 箱梁 桥 面 板 上, 铺 设 SB S 改 性 沥 青 配 制 的 SM A 铺 装 层, 见 参 考 文 献 3 ; 方 案 二 是 在 糙 化 处 理 后 的 钢 箱 梁桥面板上, 铺设高粘度改性沥青配制的 SM A 铺装 层, 本文将对该方案进行全面的阐述 ; 方案三是在钢 箱 梁 桥 面 板 糙 化 处 理 后 , 下 面 层 采 用 高 粘 度 改 性 沥 青 配
5、 制 的 沥 青 玛 蹄 脂 (M A , M a st ic A sp h a lt) , 面 层 采 用 SB S 改性沥青配制 的 SM A 混合料 。 3 种技术方 案 作 为 对 比 研 究 对 象 , 在 武 汉 市 白 沙 洲 大 桥 修 补 工程 中 都 铺 设 了 试 验 段, 本 文 将 对 方 案 二 的 研 究 进 行全面地阐述与分析 。1 原材料111 沥青胶结料 本 文 选 用 的 沥 青 材 料 为 湖 北 省 某 公 司 生 产 的SB S 改 性 沥 青 和 高 粘 度 改 性 沥 青, 其 中 SB S 改 性 沥 青 的 主 要 技 术 指 标 达 到 了
6、 美 国 SH R P 性 能 规 范 P G 76- 22 的指标要求 。 其主要性能指标见表 1。表 1 沥青主要性能指标112 集料选用辉绿岩作为集料 , 石灰石矿粉作为 填 料 , 亲 水 系 数 达 到 0176。 辉 绿 岩 集 料 的 主 要 性 能 指 标 见 表 2。收稿日期 : 2007- 04- 04技 术 指 标 单 位检 验 结 果高 粘 度 改 性 沥 青 SB S 改 性 沥 青25 针 入 度 0. 1 mm 71 72软 化 点 ( 环 球 法 ) 96 7815 延 度 cm 162 154闪 点 320 31060 粘 度 P as 60 000 -溶 解
7、 度 % 99. 7 99. 9弹 性 恢 复 % 98 97R T FO T残 留 物15 延 度 cm 125 112质 量 损 失 % 0. 01 0. 04 98 公 路 2007 年 第 9 期表 2 辉绿岩集料性能检验结果 技术主要是在喷砂除锈并经环氧富锌 漆 处 理 后 的 钢板 表 面 , 首 先 分 两 次 涂 抹 110 210 mm 厚 HBW 高 强 度 界 面 胶 , 二 次 喷 洒 界 面 胶 后 立 刻 撒 布 粒 径 为 21364175 mm 的 玄 武 岩 坚 硬 碎 石 颗 粒 , 撒 布 密 度 为 310k g m 2 , 并 人 工 轻 微 震 压
8、, 使 碎 石 颗 粒 的 1 34101 2 嵌 入 胶 层 , 待 胶 层 完 全 硬 化 后 扫 去 部 分 未 粘 结 牢固 的 碎 石 , 糙 化 处 理 完 成 。 经 过 糙 化 处 理 后 , 钢 板 表 面 粗 糙 程 度 显 著 提 高 , 再 喷 洒 高 粘 度 改 性 乳 化 沥 青 作为粘结层 , 随后铺装高粘度改性沥青配制的 SM A 混 合料, 界面的抗剪切强度和粘结性都将明显改善 。 铺装层结构见图 1。113 纤维稳定剂纤维在 SM A 沥青混合料中主要起增强 、 增韧作 用 。 本文选用深圳市某公司生产的德兰尼特 纤维, 用量为混合料总重的 013% 。高强
9、度界面胶114 HBWHBW 高 强 度 界 面 胶 是 SM A 铺 装 层 与 钢 板 间界 面 糙 化 处 理 技 术 的 重 要 材 料 。 本 文 中 所 用 HBW高 强 度 界 面 胶 由 武 汉 市 某 公 司 提 供, 其 中 相 关 技 术 指标见表 3。表 3 HBW 高强度界面胶的性能指标单 位 : mm图 1 钢箱梁桥面铺装结构3 高粘度改性沥青配制 SM A311 SM A 配合比设计 本 文 选 取 我 国 钢 桥 面 SM A2 钢箱梁桥面铺装层设计 铺 装 中 普 遍 使 用 的目 前, 我 国 SM A 铺 装 层 技 术 方 案 中, 界 面 处 理 SM
10、 A 210 和 SM A 213 作 为 主 要 研 究 对 象 , 分 别 采 用高 粘 度 改 性 沥 青 和 SB S 改 性 沥 青 作 为 沥 青 胶 结 料 ,根 据 公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范 (J T G F 40- 2004)中 设 计 要 求 设 计 矿 料 级 配 曲 线 , 并 根 据 马 歇 尔 试 验 和 析 漏 试 验 确 定 最 佳 油 石 比 。 矿 料 的 级 配 组 成 见 表 4。多是简单地在钢板防腐层上喷洒改性乳化沥青或预拌沥青碎石, 并未对桥面板进行防推移的糙化处 理 。 本 文 通 过 研 究 , 设 计 了 一 种 钢 箱
11、梁 桥 面 板 糙 化 处 理 技 术及相应的钢箱梁桥面 SM A 铺装方案 。 糙化处理表 4 SM A 沥青混合料矿料级配设计级 配 类 型下 列 筛 孔 (mm ) 通 过 率 %16. 0 13. 2 9. 5 4. 75 2. 36 1. 18 0. 6 0. 3 0. 15 0. 075SM A 210规 范 要 求 - 100 90 100 28 60 20 32 14 26 12 22 10 18 9 16 8 13设 计 级 配 - 100 98. 5 43. 9 25. 1 19. 8 16. 8 14. 2 12. 4 10. 6SM A 213规 范 要 求 100 9
12、0 100 50 75 20 34 15 26 14 24 12 20 10 16 9 15 8 12设 计 级 配 100 95. 9 65. 9 31. 9 21. 3 17. 4 15. 3 13. 3 11. 9 10. 3检 验 指 标 测 试 条 件 测 试 结 果粘 结 强 度 M P a 200 环 境 保 温 2 h 后, 60 环 境 下 测 定 与 钢 板 的 粘 结 强 度 16. 7低 温 性 - 40 环 境 下 保 温 1 h 不 脱 落 、 无 裂 纹水 稳 定 性 60 水 中 养 护 24 h 无 异 常耐 高 温 性 能 完 全 固 化 后 在 200 环
13、 境 保 温 2 h 无 软 化 变 形技 术 指 标 单 位 规 范 要 求 检 验 结 果压 碎 值 % 25 11洛 杉 矶 磨 耗 值 % 30 14表 观 密 度 g cm 3 2 . 60 2. 892吸 水 率 % 2 . 0 0. 4与 沥 青 的 粘 附 性 级 4 5针 片 状 颗 粒 含 量 % 15 42007 年 第 9 期 刘新权等 : 高粘度改性沥青配制钢箱梁桥面 SM A 铺装层的研究 99 SM A 路用性能分析通过室内试验分别检测利用高粘度改性沥青和SB S 改性沥青配制的 SM A 沥青混合料的路用性能 , 通过浸水残留稳定度评价 SM A 的水稳定性,
14、通过动 稳定度评价路面抗高温车辙病害的能力 。 同时, 由于夏季高温时, 在重交通荷载下铺装层容易推移 , 局部产 生 拉 应 力 并 造 成 横 向 开 裂 病 害 , 因 此 设 计 了 拉 伸 断裂试验 , 测试 SM A 混合料在常温和高温下的抗拉 伸断裂强度 。 试验测试结果见表 5。312表 5 SM A 沥青混合料路用性能测试结果强 度 k P a测 试 结 果 表 明, 无 论 采 用 SB S 改 性 沥 青 还 是 采用 高 粘 度 改 性 沥 青, 其 浸 水 残 留 稳 定 度 基 本 都 能 达 到 90% , 水稳定性优 良 。 这主要取决于 SM A 混合料的 低
15、空隙率致密结 构 。 各组混合料 的 60标准动稳定 度 均 在 6 000 次 mm 以 上, 但 是 在 70试 验 温 度 下, SB S 改 性 沥 青 配 制 的 SM A 混 合 料 动 稳 定 度 仅 能 达 到 3 000 次 mm 左 右 , 而 高 粘 度 改 性 沥 青 配 制 的 SM A 混合料动稳定度在 5 000 次 mm 左右 。 可见 , 高粘度改性沥青的耐高温性能更为优异 。高粘度 改 性 沥 青 配 制 的 SM A 混 合 料 25拉 伸断 裂 强 度 均 提 高 了 150 k P a 以 上 , 虽 然 70拉 伸 断裂强度也有所提高 , 但是仅能达
16、到 60 多 k P a, 效果仍 不理想 。 笔者认为, 还应该从如何有效增强铺装层与钢板的粘结性或抗剪切性 、 防止铺装层推移 、 减轻材料内部拉应力等方面着手 。图 2 垂直剪切试验示意表 6 抗剪切强度测试结果4 铺装层界面抗剪切性能与抗疲劳性能分析411 界面抗剪切性能 设 计 剪 切 试 验 模 具 测 试 钢 板 与 SM A 沥 青 混 合料间6 0时抗剪切强度, 评价 SM A 铺装层的抗推移 能 力 。 剪切试验模具见图 2。 试验中钢板与 SM A 铺装 层 组 合 试 件 采 用 特 别 设 计 的 车 辙 轮 碾 模 具 制 成 ,垂直剪切试验后, 必须测试 SM A 混合料残块的压实 度, 若压实度在 96% 104% 之间, 试验结果有效 。 试验结果列于表 6
