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【摘 要】本文针对水泥-沥青复合半柔性路面混合料的研究与应用进行介绍,重点介绍半柔性路面混合料的材料组成,设计要求,路用性能以及国内外研究现状与发展。
【关键词】道路工程;半柔性路面;水泥砂浆;母体沥青混合料;耐久性
Research and Development situation of Cement - Asphalt Composite semi-flexible pavement
Zhang Jian
(Chongqing Jiangbeizui Central Business District Development and Investment Co., Ltd. Chongqing 400024)
【Abstract】The article cement - asphalt mixture semi-flexible pavement research and applications are introduced, focusing on semi-flexible pavement material mixture composition, design, pavement performance and the research status and development.
【Key words】Road engineering; Semi-flexible pavement; Cement mortar; Matrix asphalt; Durability
1. 概况
半柔性路面指的是在大空隙(空隙率达到20%以上)的母体沥青混合料中灌入水泥砂浆形成的水泥-沥青复合型路面材料,半柔性路面兼具水泥路面的刚性和沥青路面的柔性,结合了二者的优点,具有良好的高温抗变形性能,由于加入了水泥砂浆,降低了其温度敏感性,对路面的低温抗开裂性能也有所改善,此外,半柔性路面具有耐油、酸腐蚀特性,特别适合于加油站、化工厂和码头等有特殊要求的路面,对于城市交叉口路段和爬坡路段特别适用,由于灌入的水泥砂浆具有较好的着色性,使得半柔性路面特别适合于城市或景区的景观路面。由此可见,半柔性路面由于材料的可塑性较强,其用于也十分广泛。
2. 半柔性路面材料组成设计
半柔性路面混合料包括两大部分,一部分是母体沥青混合料,一部分是水泥砂浆。对于母体沥青混合料而言,要求一定的空隙率,通常在25%左右,且具有一定的强度和稳定性,满足马歇尔相关设计指标的要求,具体要求可参见相关技术规范。母体沥青混合料一般采用高粘度的改性沥青作为胶结料,采用单一粒径的粗集料作为骨料,集料要求洁净,形状规整,相比普通沥青混合料而言,其含泥量与针片状含量指标要求会更高,目的是确保母体沥青混合料的体积性能穩定。母体沥青混合料所用粗集料粒径建议范围为9.5至19,选择时须根据工程实际情况和路用性能要求而定。母体沥青混合料的设计方法可参照常规沥青混合料采用马歇尔方法进行设计,控制的关键指标是空隙率。沥青用量的选择可采用飞散试验和析漏试验加以确定,验证马歇尔稳定和流值指标。
水泥砂浆是半柔性路面的另一部分主要材料,设计半柔性路面混合料所用的水泥砂浆,需要考虑其流动性、体积稳定性(收缩特性)和强度等指标。其中,流动性关系到施工的难以程度进而决定半柔性路面的施工成败,十分关键。体积稳定性指标关系到半柔性路面在后期使用过程中的稳定性和耐久性,也是很要紧的。未来满足流动性和体积稳定性的要求,通常采用在水泥砂浆中添加聚合物(苯乙烯丁二烯胶乳)改性剂,研究表明,添加聚合物胶乳后,有助于改善半柔性混合料的路用性能。此外,凌天清等人在大量半柔性路面研究成果基础上,研究开发了彩色水泥砂浆和保水降温型水泥砂浆,从而开发出彩色半柔性路面和保水降温环保型半柔性路面,该项研究成果的应用将有助于提高城市道路的识别性,有助于环节城市热岛效应,对建设环境友好型城市具有一定的作用。
3. 半柔性混合料的路用性能
由于半柔性路面材料采用的是大空隙的母体沥青混合料中灌入水泥砂浆,成型后的混合料模量介于水泥混凝土和沥青混合料之间,研究表明:半柔性混合料较传统型沥青混合料在高温抗车辙方面具有绝对的优势,室内试验结果显示,半柔性混合料车辙试验动稳定度值都在10000以上,远远超过目前常用的聚合物改性沥青混合料。原因包括两个方面:半柔性混合料中的水泥砂浆固化后形成水泥石骨架,与母体沥青混合料粗集料骨架一起,承受荷载作用,其承载能力得以提高;另一方面,由于水泥砂浆的灌入,减少了沥青混合料所占的比例,沥青用量也大为减少,半柔性混合料的沥青用量通常在3.3左右。这意味着半柔性混合料的温度敏感性将大为降低,进而提高了其温度稳定性。室内试验研究表明:半柔性路面的水稳定性和低温抗开裂性能与普通沥青混合料相当甚至优于一般的普通沥青混合料,其抗疲劳性能优于常规的沥青混合料。由此可见,半柔性路面具有良好的路用性能,是一种值得推广的可靠的新型路面结构材料。
由于半柔性混合料中灌入了水泥砂浆,相对减少了沥青用量,而沥青在当前的市场价格是水泥的10~15倍左右,因此,半柔性路面混合料造价较目前常用的SBS改性沥青低很多,具有较好的经济效益。
4. 半柔性路面在国外的研究与应用现状
在国外,半柔性路面技术的发展已经很成熟了,法国早在1954年就研制成功了“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”,在科涅雅克(Cognac)航空港喷气式飞机用的跑道上进行试验铺装,作为耐热用道面,并申请了专利,称为“Salviacim”施工法。英国、德国、日本、俄罗斯等国家也开展了这方面的研究并进行推广应用,发表了许多有关半柔性路面材料的力学性能以及结构设计的论文和报告,这些研究成果均表明半柔性路面可以提高路面的高温稳定性并延长路面的使用寿命。
美国对半柔性路面的研究始于上世纪九十年代,证实了这种复合胶结材料的路面形式在提高混合料的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性方面的优势很明显,而费用增加不大。1988年,日本建设省技术事务所和日本道路建设业协会就此种半柔性路面的开发进行了历时三年的研究,提出了设计标准、施工方法及管理等一系列的研究成果,大大推进了半柔性路面在日本的发展。现阶段,日本许多高速公路的收费站、停车场、加油站、爬坡路段以及集装箱码头和公共汽车专用线等场所,都进行了大规模的半柔性路面的铺装,并且利用半柔性混合料易着色的特点在东京建成了数条专供公共汽车行驶的彩色道路,并且制定了设计标准推广应用,每年都有二十多万平方米的施工面积。
5. 国内半柔性路面研究现状与进展
半柔性路面的研究在国内起步较晚,但研究热情高,取得了许多与之相关的科研成果。1986年,同济大学等针对国产普通沥青混合料使用拌合法和灌注式加注水泥浆,制成特种沥青混凝土,进行了各种物理力学试验,比较了高低温条件下的力学性质,并于1986年底,在广东省惠深线上修建了试验路,经过近几年的行车,使用效果良好。同济大学的林绣贤教授等主持的国家自然科学基金资助课题“新型路面材料-特种沥青混合料的研究”,黑龙江省交通科学研究所进行的“水泥沥青混凝土路面性能的研究”课题,华南理工大学交通学院张肖宁教授曾于1997年与吉林省交通厅合作立项题为“半柔性铺装材料的研究”课题,并已在室内完成了大量试验工作与基础理论工作以及少量试验路铺筑工作,初步论证了该技术的可行性与优越性。
近年来,长沙理工大学的查旭东对树脂改性半刚性面层复合材料的配比及其性能进行了研究,通过对比分析证明半刚性面层复合材料具有优良的力学性能与路用性能。长安大学的郝培文等人对灌注式半刚性面层复合材料的性能进行了研究,对其高、低温性能、水稳定性进行研究,结果表明该复合材料具有优良的高温稳定性、低温性能、水稳定性能。并对应力比小于0.5条件下不同空隙率的基体沥青混合料的复合材料疲劳性能进行研究,并得出其抗疲劳性能随基体沥青沥青混合料空隙率的增大而增大的结论。长安大学的徐培华等人研究认为,由于有水泥材料的存在因而应用时要注意养生期温度的影响,该路面材料具有较低的温度敏感性和良好的耐久性;并通过对比分析得出,在应力值为0.3MPa时复合材料的疲劳寿命是沥青混凝土的3.2倍,表明灌注式半刚性面层复合材料可以有效地提高路面的耐久性。此处,须指出,近年来有人将水泥灌浆沥青混合料成为半刚性路面材料,其本质与前面讲的半柔性路面材料是一回事,只不过叫法不一样而已。
重庆交通大学的凌天清等人對水泥灌浆半柔性路面进行了系统深入的研究,对半柔性混合料组成设计,母体沥青混合料的设计,水泥砂浆的设计,半柔性路面的施工工艺、冷再生半柔性路面和橡胶沥青半柔性路面等进行了研究,通过对水泥砂浆的着色性进行研究,开发出了彩色半柔性沥青路面;通过对水泥砂浆的保水性进行研究,开发出了保水降温环境友好型半柔性路面。针对泡沫沥青及乳化沥青的研究,开发出水泥-乳化沥青冷再生半柔性路面混合料,适用于路面的快速养护与改造工程。凌天清等人还对各种类型的半柔性路面混合料的路用性能(如:高温抗变形性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳特性等)进行了深入的研究,取得了关于半柔性路面的大量科研成果,代表半柔性路面在国内研究的最新进展。
6. 结语
半柔性路面不仅具有优越的路用性能,且具有良好的经济性,由于自身材料特性,半柔性路面又具有良好的可塑性,如:着色性和降温降噪性。是一种值得研究和推广的新型路面结构材料。鉴于半柔性路面在国内的研究现状与实际应用情况,笔者认为,应加快制定半柔性路面混合料的相关设计方法与技术标准,使之成为一种可操作性强的路面材料类型,其次,要进一步研究半柔性路面的施工工艺及相关设备的研发,尽快形成规范化的半柔性路面施工技术体系,使得半柔性路面便于施工与质量控制。最后,应进一步加强半柔性路面材料的研发与路用性能的试验研究,开发出更多的具有各种特殊用途的半柔性路面材料,以服务于国内如火如荼的基础设施建设。
[文章编号]1006-7619(2010)07-19-669
[作者简介] 张剑(1969.8.27-),男,回族,重庆人,工程硕士,高级工程师,工程部经理。
【关键词】道路工程;半柔性路面;水泥砂浆;母体沥青混合料;耐久性
Research and Development situation of Cement - Asphalt Composite semi-flexible pavement
Zhang Jian
(Chongqing Jiangbeizui Central Business District Development and Investment Co., Ltd. Chongqing 400024)
【Abstract】The article cement - asphalt mixture semi-flexible pavement research and applications are introduced, focusing on semi-flexible pavement material mixture composition, design, pavement performance and the research status and development.
【Key words】Road engineering; Semi-flexible pavement; Cement mortar; Matrix asphalt; Durability
1. 概况
半柔性路面指的是在大空隙(空隙率达到20%以上)的母体沥青混合料中灌入水泥砂浆形成的水泥-沥青复合型路面材料,半柔性路面兼具水泥路面的刚性和沥青路面的柔性,结合了二者的优点,具有良好的高温抗变形性能,由于加入了水泥砂浆,降低了其温度敏感性,对路面的低温抗开裂性能也有所改善,此外,半柔性路面具有耐油、酸腐蚀特性,特别适合于加油站、化工厂和码头等有特殊要求的路面,对于城市交叉口路段和爬坡路段特别适用,由于灌入的水泥砂浆具有较好的着色性,使得半柔性路面特别适合于城市或景区的景观路面。由此可见,半柔性路面由于材料的可塑性较强,其用于也十分广泛。
2. 半柔性路面材料组成设计
半柔性路面混合料包括两大部分,一部分是母体沥青混合料,一部分是水泥砂浆。对于母体沥青混合料而言,要求一定的空隙率,通常在25%左右,且具有一定的强度和稳定性,满足马歇尔相关设计指标的要求,具体要求可参见相关技术规范。母体沥青混合料一般采用高粘度的改性沥青作为胶结料,采用单一粒径的粗集料作为骨料,集料要求洁净,形状规整,相比普通沥青混合料而言,其含泥量与针片状含量指标要求会更高,目的是确保母体沥青混合料的体积性能穩定。母体沥青混合料所用粗集料粒径建议范围为9.5至19,选择时须根据工程实际情况和路用性能要求而定。母体沥青混合料的设计方法可参照常规沥青混合料采用马歇尔方法进行设计,控制的关键指标是空隙率。沥青用量的选择可采用飞散试验和析漏试验加以确定,验证马歇尔稳定和流值指标。
水泥砂浆是半柔性路面的另一部分主要材料,设计半柔性路面混合料所用的水泥砂浆,需要考虑其流动性、体积稳定性(收缩特性)和强度等指标。其中,流动性关系到施工的难以程度进而决定半柔性路面的施工成败,十分关键。体积稳定性指标关系到半柔性路面在后期使用过程中的稳定性和耐久性,也是很要紧的。未来满足流动性和体积稳定性的要求,通常采用在水泥砂浆中添加聚合物(苯乙烯丁二烯胶乳)改性剂,研究表明,添加聚合物胶乳后,有助于改善半柔性混合料的路用性能。此外,凌天清等人在大量半柔性路面研究成果基础上,研究开发了彩色水泥砂浆和保水降温型水泥砂浆,从而开发出彩色半柔性路面和保水降温环保型半柔性路面,该项研究成果的应用将有助于提高城市道路的识别性,有助于环节城市热岛效应,对建设环境友好型城市具有一定的作用。
3. 半柔性混合料的路用性能
由于半柔性路面材料采用的是大空隙的母体沥青混合料中灌入水泥砂浆,成型后的混合料模量介于水泥混凝土和沥青混合料之间,研究表明:半柔性混合料较传统型沥青混合料在高温抗车辙方面具有绝对的优势,室内试验结果显示,半柔性混合料车辙试验动稳定度值都在10000以上,远远超过目前常用的聚合物改性沥青混合料。原因包括两个方面:半柔性混合料中的水泥砂浆固化后形成水泥石骨架,与母体沥青混合料粗集料骨架一起,承受荷载作用,其承载能力得以提高;另一方面,由于水泥砂浆的灌入,减少了沥青混合料所占的比例,沥青用量也大为减少,半柔性混合料的沥青用量通常在3.3左右。这意味着半柔性混合料的温度敏感性将大为降低,进而提高了其温度稳定性。室内试验研究表明:半柔性路面的水稳定性和低温抗开裂性能与普通沥青混合料相当甚至优于一般的普通沥青混合料,其抗疲劳性能优于常规的沥青混合料。由此可见,半柔性路面具有良好的路用性能,是一种值得推广的可靠的新型路面结构材料。
由于半柔性混合料中灌入了水泥砂浆,相对减少了沥青用量,而沥青在当前的市场价格是水泥的10~15倍左右,因此,半柔性路面混合料造价较目前常用的SBS改性沥青低很多,具有较好的经济效益。
4. 半柔性路面在国外的研究与应用现状
在国外,半柔性路面技术的发展已经很成熟了,法国早在1954年就研制成功了“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”,在科涅雅克(Cognac)航空港喷气式飞机用的跑道上进行试验铺装,作为耐热用道面,并申请了专利,称为“Salviacim”施工法。英国、德国、日本、俄罗斯等国家也开展了这方面的研究并进行推广应用,发表了许多有关半柔性路面材料的力学性能以及结构设计的论文和报告,这些研究成果均表明半柔性路面可以提高路面的高温稳定性并延长路面的使用寿命。
美国对半柔性路面的研究始于上世纪九十年代,证实了这种复合胶结材料的路面形式在提高混合料的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性方面的优势很明显,而费用增加不大。1988年,日本建设省技术事务所和日本道路建设业协会就此种半柔性路面的开发进行了历时三年的研究,提出了设计标准、施工方法及管理等一系列的研究成果,大大推进了半柔性路面在日本的发展。现阶段,日本许多高速公路的收费站、停车场、加油站、爬坡路段以及集装箱码头和公共汽车专用线等场所,都进行了大规模的半柔性路面的铺装,并且利用半柔性混合料易着色的特点在东京建成了数条专供公共汽车行驶的彩色道路,并且制定了设计标准推广应用,每年都有二十多万平方米的施工面积。
5. 国内半柔性路面研究现状与进展
半柔性路面的研究在国内起步较晚,但研究热情高,取得了许多与之相关的科研成果。1986年,同济大学等针对国产普通沥青混合料使用拌合法和灌注式加注水泥浆,制成特种沥青混凝土,进行了各种物理力学试验,比较了高低温条件下的力学性质,并于1986年底,在广东省惠深线上修建了试验路,经过近几年的行车,使用效果良好。同济大学的林绣贤教授等主持的国家自然科学基金资助课题“新型路面材料-特种沥青混合料的研究”,黑龙江省交通科学研究所进行的“水泥沥青混凝土路面性能的研究”课题,华南理工大学交通学院张肖宁教授曾于1997年与吉林省交通厅合作立项题为“半柔性铺装材料的研究”课题,并已在室内完成了大量试验工作与基础理论工作以及少量试验路铺筑工作,初步论证了该技术的可行性与优越性。
近年来,长沙理工大学的查旭东对树脂改性半刚性面层复合材料的配比及其性能进行了研究,通过对比分析证明半刚性面层复合材料具有优良的力学性能与路用性能。长安大学的郝培文等人对灌注式半刚性面层复合材料的性能进行了研究,对其高、低温性能、水稳定性进行研究,结果表明该复合材料具有优良的高温稳定性、低温性能、水稳定性能。并对应力比小于0.5条件下不同空隙率的基体沥青混合料的复合材料疲劳性能进行研究,并得出其抗疲劳性能随基体沥青沥青混合料空隙率的增大而增大的结论。长安大学的徐培华等人研究认为,由于有水泥材料的存在因而应用时要注意养生期温度的影响,该路面材料具有较低的温度敏感性和良好的耐久性;并通过对比分析得出,在应力值为0.3MPa时复合材料的疲劳寿命是沥青混凝土的3.2倍,表明灌注式半刚性面层复合材料可以有效地提高路面的耐久性。此处,须指出,近年来有人将水泥灌浆沥青混合料成为半刚性路面材料,其本质与前面讲的半柔性路面材料是一回事,只不过叫法不一样而已。
重庆交通大学的凌天清等人對水泥灌浆半柔性路面进行了系统深入的研究,对半柔性混合料组成设计,母体沥青混合料的设计,水泥砂浆的设计,半柔性路面的施工工艺、冷再生半柔性路面和橡胶沥青半柔性路面等进行了研究,通过对水泥砂浆的着色性进行研究,开发出了彩色半柔性沥青路面;通过对水泥砂浆的保水性进行研究,开发出了保水降温环境友好型半柔性路面。针对泡沫沥青及乳化沥青的研究,开发出水泥-乳化沥青冷再生半柔性路面混合料,适用于路面的快速养护与改造工程。凌天清等人还对各种类型的半柔性路面混合料的路用性能(如:高温抗变形性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳特性等)进行了深入的研究,取得了关于半柔性路面的大量科研成果,代表半柔性路面在国内研究的最新进展。
6. 结语
半柔性路面不仅具有优越的路用性能,且具有良好的经济性,由于自身材料特性,半柔性路面又具有良好的可塑性,如:着色性和降温降噪性。是一种值得研究和推广的新型路面结构材料。鉴于半柔性路面在国内的研究现状与实际应用情况,笔者认为,应加快制定半柔性路面混合料的相关设计方法与技术标准,使之成为一种可操作性强的路面材料类型,其次,要进一步研究半柔性路面的施工工艺及相关设备的研发,尽快形成规范化的半柔性路面施工技术体系,使得半柔性路面便于施工与质量控制。最后,应进一步加强半柔性路面材料的研发与路用性能的试验研究,开发出更多的具有各种特殊用途的半柔性路面材料,以服务于国内如火如荼的基础设施建设。
[文章编号]1006-7619(2010)07-19-669
[作者简介] 张剑(1969.8.27-),男,回族,重庆人,工程硕士,高级工程师,工程部经理。