CN102863182A - 预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及“预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料”，属于道路沥青路面材料制造的技术领域。该混合物由下列重量比的组分掺和而成，橡胶沥青结合料∶集料=6~7∶100；其中橡胶沥青结合料由橡胶粉∶基质沥青=15~25∶100组成；集料是由以下原材料按重量份数比制配而成：5~10mm的玄武岩粗集料∶细集料：矿质填料=70~80:15-25:5-10。本发明橡胶沥青超薄磨耗层混合料不仅具有其他材料的超薄磨耗层抗滑、抗磨耗的特点，可用于高等级路面的预防性养护及轻微病害矫正养护的超薄磨耗层材料，还具有优良的路用性能、力学性能及良好的耐久性，保证了其作为路面结构层使用的可能性。
Description
技术领域
本发明是一种用于沥青路面预防性养护的材料，尤其是应用高等级沥青或水泥路面的预防性养护和轻微病害的矫正性养护，可作为路面结构层使用，属于道路沥青路面材料制造的技术领域。
背景技术
所谓路面预防性养护即通过定期路况调查，及时发现路面轻微破损与病害迹象，分析研究其产生原因，对症采取保护性养护措施，防止微小病害进一步扩大，降低路面性能衰减速率，使路面始终处于良好的服务状态，推迟昂贵的大修和重建工程，以节约养护成本。科学的道路养护对策应当是“以预防性养护为主，以修复性养护为辅”，据美国有关部门研究表明，在预防性养护上每投入1美元，不但可以节省4-6美元的其它养护和改建费用，而且能提供更好的道路的服务性能。
目前在公路预防性养护方面，常用施工措施有如下几种：裂缝嵌缝、雾状封层、石屑密封、微表处、薄热拌沥青混凝土罩面、就地热再生技术等。
超薄沥青混凝土主要用于老路面抗滑性能的恢复，也可用于新建公路，并具有行车安全舒适、噪音水平低，节约养护和建设成本的优势。
可以认为超薄面层是“薄磨耗层”与“厚表面处治”之间的一种交叉，其代表厚度是15～30mm，并在局部面积上可以铺得较厚。它具有表面处治的全部优点，而没有表面处治需要的后续维护的缺点。它可以在不适宜表面处治的气候条件下铺筑。它在一定程度上可以调整原路面的不平整，但必须将它铺在结构强度足够的下承层上。根据国际上近些年的发展趋势，超薄沥青混凝土面层可定义为，采用细粒径的粗集料断级配沥青混合料，用摊铺机摊铺和用压路机碾压的厚度低于30mm的具有良好抗滑性能的沥青混合料。
十多年来，随着超薄沥青混凝土在世界范围内的广泛研究与应用，形成了许多专有产品，如：Safepave、Brettpave、Hitex、Axoflex、Masterflex、Tuffgrip、Colrug、Thinpave and Euro-Mac。总的来说，这些产品都是不同类型的断级配混合料，为适应高等级公路的需要，增加了粗集料含量，其级配曲线与SMA类似，但其结合料与矿粉含量低。另一方面，与开级配相比，其含有更多细集料，从而有更大的力学稳定性与抗剪能力。
美国从上世纪八十年代开始修筑薄的沥青混合料面层作为路面的功能层。先后使用了多种不同的级配和混合料类型，铺筑了大量试验路和实体工程。美国NCAT在此基础上开展了大量薄层混合料的研究。上世纪八十年代末，亚利桑那州使用橡胶沥青混凝土铺筑薄层罩面，橡胶沥青掺加为18～20%的胶粉，所用级配为开级配和断级配。对于水泥路面与沥青路面罩面，开级配的厚度分别为25mm、12.5mm，密级配为25mm～37.5mm。这些工程在经过9～12年的使用后，在2000年，亚利桑那交通部门与橡胶沥青协会合作对其中的14个工程进行了观测分析。分析认为：薄层橡胶沥青混凝土罩面表现出相当好的使用性能，尤其是低的裂缝率、低的养护费用。其中I-19公路为混凝土路面上20mm橡胶沥青开级配罩面，路面建于1988年，直到1996年才出现少许的反射裂缝。
在俄亥俄州广泛使用一种叫Smoothseal的薄层混凝土，它分A型、B型两种。A型为沥青砂，采用处方式的设计方法，其主要用于城市道路与中等交通量公路，铺筑厚度为16～28mm；B型则可用于高速公路、重交通道路，混合料采用马歇尔方法设计，铺筑厚度为19～38mm；两种混凝土的结合料均采用改性沥青。弗洛里达州使用的薄表面层为FC-5与FC-6两种混凝土。前者为开级配，公称粒径为12.5mm，结合料为含12%胶粉的橡胶沥青，掺加纤维，摊铺厚度为20mm；后者为密级配，有公称最大粒径9.5mm与12.5mm两种级配，结合料为5%胶粉的橡胶沥青，摊铺厚度25～38mm。佐治亚州在低流量的交通中使用公称粒径为4.75mm的薄层混合料已有30年的历史。这些最大厚度为25mm的薄面层显示了较好的使用性能。在马里兰州薄面层采65%轧制碎石，35%天然沙砾，典型的铺装层厚度19～25mm的SUPERPAVE4.75mm也显示了良好的抗车辙和抗裂性能。
1991年美国开始修筑SMA，到1997年美国修筑了144条SMA路面，其中有六条使用了公称最大粒径为9.5mm的薄层混合料，五条在维斯康新州，一条在伊利诺斯州。所有这些公称最大粒径为9.5mm级配的路面都显示了良好的抗车辙性能。1992年，Novachip引入美国，在阿拉巴马州铺筑两个实体工程，到2002年，其使用面积已超过23,000,000m2。
随着薄层的应用和发展，美国NCAT开展了大量关于小粒径混合料的研究。针对SUPERPAVE和SMA在超薄面层中大量使用的情况，NCAT在2002年到2003年，开展了大量SUPERPAVE 4.75mm混合料的性能研究，研究探讨了不同石料(花岗岩、石灰岩)不同级配[粗级配(最大密度线下)、中等级配(靠近最大密度线)、细级配(高于最大密度线)不同矿粉含量(6%、9%、12%)和不同空隙率(4%、6%)的SUPERPAVE混合料性能，研究了结合料、集料、级配和体积参数对薄层混合料路用性能的影响，提出SUPERPAVE 4.75薄层混合料的设计规范。并研究在不同公称最大粒径和不同间断点情况下，同一空隙率的SMA混合料的透水性能、抗车辙性能、体积参数特点，提出了细集料SMA（公称最大粒径为9.5mm和4.75mm）的级配推荐范围。同时，研究结果认为，不是所有这些集料都可用作超薄沥青混合料，应根据需要选择合适的级配和石料类型。在低交通量的道路应使用4%的空隙率设计，以增强耐久性；在重交通量的道路上应采用大于4%的设计空隙率，以提高抗车辙性能，但同时需要良好的下承层条件。
英国TRL铺筑8条薄层试验路，每条试验路采用了多种不同类型薄层，包括：单层微表处、多层微表处、UTAC、VTAC以及薄SMA。试验路段多数属于重交通道路。Nicholls等人对试验路抗滑、噪声水平、渗透性等指标进行了多年的观测，于1995年、1998年总结薄层试验路的研究成果，除微表处似乎不适用于重交通道路，其他表面层使用状况良好。Novachip是广泛应用的超薄面层混合料之一。它采用专用设备将混合料摊铺于高洒铺量改性乳化沥青粘层油（0.6～1.2L/m2）上，可以把它看作是一种由摊铺机摊铺的碎石封层。粘层油洒铺管设置在摊铺机的后部，在摊铺混合料的高温作用下，改性乳化沥青破乳，同时碾压形成的表面迅速降温，所以其摊铺后10～20min即可开放交通。混合料采用断级配，分为A、B、C三种类型，其公称最大粒径分别是：4.75mm、9.5mm、12.5mm，摊铺厚度10~20mm。澳大利亚在1993年铺筑10个该种薄层试验路，到1997年，使用面积超过3,000,000m2。2003年中国引进德国设备在广东铺筑4个试验路工程。根据欧洲经验，在重交通条件下Novachip可使用7～8年，在轻交通量情况下使用寿命在12年以上。
在澳大利亚，从上个世纪七十年代末开始广泛使用一种厚度为20mm的沥青磨耗层。该混合料公称粒径为8mm，级配为连续的半开级配，结合料采用改性沥青，为减少析漏量还要添加纤维。它有填充车辙、提高抗滑及抗渗作用，现场空隙率在15%左右。同时使用钻芯拉拔试验确定层间粘结。
我国的超薄沥青混凝土路面的研究起步比较晚。随着我国经济的发展，超薄面层主要向两个方向发展：超薄磨耗层（材料方面，解决功能问题）和超薄沥青面层结构（结构方面，改善受力状态）。超薄面层结构最初是用在交通量较低和材料缺乏地区，目的是解决经济和交通的双重问题；近些年随着重载和重交通的发展，为了解决重交通中的一些路面功能问题，超薄面层结构也在重交通的高等级公路中进行了尝试。超薄面层的种类很多，有各种稀浆封层、微表处以及传统的贯入式，它们在低交通道路上都有比较成功的经验，真正的超薄层沥青混凝土在我国起步较晚，发展趋势和国际上稍有差异。国外的超薄面层沥青混凝土最初是用在低交通量道路上，采用的是细粒式的密级配混合料，到后来才逐渐发展为细粒式粗集料断级配的混合料；我国的超薄磨耗层混合料是随着我国的重载和重交通的严重而发展起来的，主要是解决重交通下的路面功能问题。
早在1988年，我国就在吉林省白城地区日交通量为500～2000辆/日的轻交通道路上铺筑了长39.45km厚3cm超薄面层结构的试验路段。此次试验路段是针对白城地区气候干燥，基层质量良好且缺乏石料资源的状况，直接在半刚性基层基础上修筑的超薄沥青面层，采用的是细粒式连续型密级配混合料。
由于我国重载和超载现象严重，高等级公路的表面层功能损坏比较普遍，为了恢复高等级公路的表面功能，在沙庆林院士的指导下，交通部公路所于2000年在济青高速公路首次采用超薄层作为高速公路的抗滑表层，铺筑了全长2.4km，厚度为25mm的试验路段。同年10月，交通部公路所在京沪高速公路河北段铺筑超薄沥青混凝土面层试验段。京沪试验路为SAC10、SAC6、OGFC10三种级配，长度2.3km，铺筑厚度25mm。2003年在石安高速公路的严重泛油的行车道上修筑了全长2km的共四种SAC10结构的铺装层厚为2.5cm的超薄沥青面层。可用于超薄磨耗层的另一种混合料是SMA级配，1997年在北京长安街修筑了全长7.5km的SMA10，摊铺厚度为3cm。
综上所述，由于铺装厚度较薄，现有超薄磨耗层的虽然能较好的起到抗滑抗磨耗等功能作用，但其基本不具有承载力，因此大多用于旧路罩面、各种新建道路的功能层、以及低交通量低造价道路的表面层，易受剥落和反射裂缝的影响。且由于超薄磨耗层仅作为改善道路表面功能的材料使用，其路用性能基本不被关注，从而导致其路用性能差，耐久性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能、可用于高等级路面的预防性养护及轻微病害矫正养护的超薄磨耗层材料，经铺筑后，该超薄磨耗层不仅能解决预防性养护中抗滑、抗磨耗的问题，且具有良好地路用性能、力学性能及超长的耐久性，可作为结构层使用。
一种高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，该混合料由下列重量比的组分掺和而成，橡胶沥青结合料∶集料=6~7∶100；其中橡胶沥青结合料由橡胶粉∶基质沥青=15~25∶100组成；集料是由以下原材料按重量份数比制配而成：5~10mm的玄武岩粗集料∶细集料：矿质填料=70~80:15-25:5-10。
所述集料的级配如表1所述。
表1预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层矿料级配级配
| 筛孔尺寸/mm | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率/% | 100 | 90-100 | 45-75 | 30-58 | 20-44 | 13-32 | 9-23 | 6-16 | 4-8 |
所述橡胶沥青结合料应满足的技术要求如表2所示。
表2橡胶沥青结合料性能指标
所述矿质填料为石灰岩或岩浆岩中憎水性石料经磨细得到的矿粉。
憎水性石料优选强基性岩石所述的细集料为石灰岩机制砂。
其中橡胶沥青结合料中橡胶粉∶基质沥青=18~20∶100。
为了解决上述技术问题，本发明采用橡胶沥青混合料作为超薄磨耗层材料。由于是作为表面磨耗层，对粗集料就有相对较高的技术要求，均选择玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉等原材料，其重量比为70~80:15-25:5-10。因为橡胶沥青在混合料中起着粘结、填充的功能，因此在矿料级配上必须考虑橡胶沥青中细颗粒对矿质混合料的影响，采用密集配中相对间断的级配，使橡胶沥青具有充足的回弹空间，不至影响沥青混合料的结构稳定性。最佳油石比的确定是沥青混合料设计的最终目标，但必须通过路用性能的检验验证确认。
本发明采用密级配橡胶沥青混合料作为预防性养护用超薄磨耗层材料级配如表1所示。
表1预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料级配
| 筛孔尺寸/mm | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
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预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料按重量比由以下两组分组成：橡胶沥青结合料∶集料=6~7∶100；其中，橡胶粉∶基质沥青=15~25∶100；集料是由以下原材料按重量份数比制配而成：玄武岩粗集料（5~10mm）∶细集料：矿质填料=70~80:15-25:5-10。采用适当比例的粗集料、细集料和矿质填料，使合成级配接近表1所示级配中值。
超薄磨耗层用橡胶沥青胶结料性能指标如下表所示。
表2橡胶沥青胶结料性能指标
细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质并具有适当的颗粒级配，细集料宜分为0-3mm和3-5mm两档，采用石灰岩石料加工而成。
矿粉填料应采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩等憎水石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应清除干净。
沥青混合料拌和时间根据具体情况经试拌确定，以沥青均匀裹覆集料为度。拌和机每盘的生产周期不宜少于50~55s（其中干拌时间不少于15～20s）。宜备有保温性能好的成品储料仓，贮存过程中混合料温降不得大于5℃，且不能有沥青滴漏。橡胶沥青混合料宜随拌随用,贮存时间不宜超过10h。
针对高等级道路交通负载大、路面性能要求的特点，预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料是一种路面养护及维修的优质材料。可应用于的预防性养护和轻微病害的矫正性养护，也可以作为新建道路表面磨耗层，是一种超长耐久的表面层，具有抗滑、抗车辙、抗磨耗的优良性能。
本发明预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料具有较高的抗压强度和抗压回弹模量，较常规材料分别提高30-40%和10-20%，为橡胶沥青减薄路面厚度奠定了设计参数的基础，若将超薄磨耗层作为承载层，其优异的力学性能也是足以承担一定交通荷载的，是可靠的。
高性能预防性养护用超薄磨耗层混合料是沥青路面大修或新建工程中十分经济的选择，当发现路面轻微破损与病害迹象时，防止微小病害进一步扩大，降低路面性能衰减速率，使路面始终处于良好的服务状态，推迟昂贵的大修和重建工程，以节约养护成本。
这种预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料具有较好的推广价值，可以较好的解决一般预防性养护材料路用性能不达标及承载力低的问题，且经济实用，节约养护成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料按重量比由以下两组分组成：橡胶沥青结合料∶集料=6~7∶100；其中，橡胶粉∶基质沥青=15~25∶100（优选18-20：100，橡胶沥青按照一般橡胶沥青制作方法制作）；集料是由以下原材料按重量份数比制配而成：玄武岩粗集料（5~10mm）∶细集料：矿质填料=70-80:15-25:5-10。
实施例1：粗集料：细集料：矿质填料：橡胶沥青＝75:18:7：6.3
实施例2：粗集料：细集料：矿质填料：橡胶沥青＝75:18:7：6.2
实施例3：粗集料：细集料：矿质填料：橡胶沥青＝70:20:10：6.5
实施例4：粗集料：细集料：矿质填料：橡胶沥青＝70:22:8：6.4
实施例5：粗集料：细集料：矿质填料：橡胶沥青＝80:15:5：6.0
路面摊辅步骤：
（1）清扫路面上的杂物，必要时用水冲洗原路面，但路面不得有积水。
（2）沥青混合料可采用间歇式拌和机或连续式拌和机拌制。高速公路和一级公路宜采用间歇式拌和机拌和。连续式拌和机使用的集料必须稳定不变，一个工程从多处进料、料源或质量不稳定时，不得采用连续式拌和机。
（3）沥青混合料拌和时间根据具体情况经试拌确定，以沥青均匀裹覆集料为度。拌和机每盘的生产周期不宜少于50~55s（其中干拌时间不少于15～20s）。宜备有保温性能好的成品储料仓，贮存过程中混合料温降不得大于5℃，且不能有沥青滴漏。橡胶沥青混合料宜随拌随用,贮存时间不宜超过10h。
（4）在开始摊铺沥青混合料前一小时，就应该加热摊铺机的分料器和熨平板等有关位置。运料车向摊铺机受料斗中卸料时，要根据受料斗的容量，尽可能快速一次将受料斗装满，以减少集料离析。但要注意不要一次卸料过多，使料溢出料斗，散落到待铺下承层上。
（5）受料斗中的沥青混合料要及时送到后面分料室中。分料室的螺旋分料器要及时将料分向两侧，直到混合料的高度，达到全长螺旋分料器的3/4高度，即混合料的高度要超过螺旋分料器的转轴并将上部螺旋淹埋1/2。然后再开始摊铺。在摊铺过程中，受料室中的沥青混合料要连续不间断向后面分料室送料，螺旋分料器也要不间断地将混合料向两侧分布，并始终保持螺旋分料器周围混合料的高度。
（6）摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料的离析。摊铺速度宜控制在1～3m/min。当发现混合料出现明显的离析、波浪、裂缝、拖痕时，应分析原因，予以消除。摊铺机应采用自动找平方式，上面层宜采用平衡梁或雪橇式摊铺厚度控制方式。
（7）橡胶（粉）沥青混凝土的初压温度不宜低于155℃，复压温度不宜低于135℃，终压的结束温度不宜低于90℃。初压应在紧跟摊铺机后碾压，并保持较短的初压区长度，以尽快使表面压实，减少热量散失。当采用钢轮压路机初压时，可直接采用“高频、低振”的模式进行碾压1～2遍。
（8）复压应紧跟在初压后开始，且不得随意停顿。压路机碾压段的总长度应尽量缩短，通常不超过50m。对路面边缘、加宽及港湾式停车带等大型压路机难于碾压的部位，宜采用小型振动压路机或振动夯板作补充碾压。
终压可选用双轮钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机碾压不宜少于2遍，至无明显轮迹为止。在复压结束后，应由施工人员用3米直尺检测路面的纵向平整度，结合终压及时修补，以保证良好的平整度水平。
（9）橡胶沥青混合料摊铺结束后，宜在充分降温后，橡胶沥青超薄磨耗层温度降低至50℃以下，方可开放交通。
以实施例1、2为例，预防性养护用橡胶沥青混合料性能如下表所示。
表3预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料路用性能
表4预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料力学性能
以实施例1、2为例，预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层结合料性能如下表所示。
表5实施例1橡胶沥青结合料性能试验结果
表6实施例2橡胶沥青胶结料性能试验结果
注：⑴旋转粘度按照50%扭矩内插获得。
从表3及表4中可以看出，橡胶沥青超薄磨耗层混合料具有良好的高温性能、低温性能及水稳定性；良好的路用性能保证了其作为面层材料在较高等级的路面上使用。较高的回弹模量及无侧线抗压强度说明其力学性能优良，可以提供一定的承载力。从表5及表6的橡胶沥青胶结料性能试验结果可以看出，橡胶沥青具有较高的抗老化能力，从而保证了橡胶沥青超薄磨耗层混合料的耐久性。
因此，本发明橡胶沥青超薄磨耗层混合料不仅具有其他材料的超薄磨耗层抗滑、抗磨耗的特点，可用于高等级路面的预防性养护及轻微病害矫正养护的超薄磨耗层材料，还具有优良的路用性能、力学性能及良好的耐久性，保证了其作为路面结构层使用的可能性。
Claims (7)
1.一种高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，该混合物由下列重量比的组分掺和而成，橡胶沥青结合料∶集料=6~7∶100；其中橡胶沥青结合料由橡胶粉∶基质沥青=15~25∶100组成；集料是由以下原材料按重量份数比配制而成：5~10mm的玄武岩粗集料∶细集料：矿质填料=70~80:15-25:5-10。
2.根据权利要求1所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，所述集料级配如表1所述：
表1预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料集料级配
3.根据权利要求1或2所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，所述橡胶沥青结合料应满足的技术要求如表2所示。
表2橡胶沥青胶结料性能指标
4.根据权利要求1所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，所述的矿质填料为石灰岩或岩浆岩中憎水性石料经磨细得到的矿粉。
5.根据权利要求4所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，所述的憎水性石料为强基性岩石。
6.根据权利要求1所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，所述的细集料为石灰岩机制砂。
7.根据权利要求1所述的高性能预防性养护用橡胶沥青超薄磨耗层混合料，其中橡胶沥青结合料中橡胶粉∶基质沥青=18~20∶100。
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