[资料]浇注式硬质直馏沥青混凝土钢桥面铺装设计和施工技术研究

发表于2015-12-02     752人浏览     0人跟帖     总热度:113  

浇注式硬质直馏沥青混凝土钢桥面铺装设计和施工技术研究

钢桥面铺装与其他路面相比,因正交异性板桥面变形大、铺装层温度高、养护维修难度大的特点,而使其对耐久性要求较高。近年国内建成通车的大跨度钢桥,大多都存在桥面铺装寿命短或病害多等问题。选择浇注式沥青混凝土作为下层是提高钢桥面铺装耐久性的有效措施,本文结合南京四桥钢桥面铺装研究,阐述适用于高温重载条件的浇注式硬质直馏沥青混凝土设计和施工技术。

 

钢桥面铺装

 

在行车荷载、风载、温度变化及钢桥面局部变形等诸多因素的影响下,钢桥面铺装层在使用性能上要满足重量轻、黏结性高、不透水等特殊要求的同时,还必须有更高的强度、变形特性、温度稳定性、疲劳耐久性等。依据气候条件、交通荷载条件以及桥梁的类型,世界各国都因地制宜提出了适合本国国情的钢桥面铺装技术,主要有环氧沥青铺装、浇注式沥青铺装、双层SMA铺装以及组合式钢桥面铺装等。

 

浇注工艺源于军事金属加工制造。19世纪初,德国研发了浇注式沥青混凝土,用于建筑物防水层和铺装工程。德国浇注式沥青混凝土黏结料采用直馏沥青和聚合物改性沥青的双层结构。英国主要采用单层Mastic铺装结构,结合料采用添加TLA改性的普通石油沥青,添加TLA比例达60%。日本浇注式沥青铺装形式很多,其中以下层浇注式沥青混凝土、上层改性密级配沥青混凝土作为桥面铺装的占大多数。

 

国内先后引进了英国、美国、德国、日本铺装材料,并在一些大跨径桥梁上得以应用。国内浇注式沥青混合料的黏结料大多推荐采用聚合物改性沥青。

 

硬质直馏沥青

 

采用塔式蒸馏法将原油各馏分经汽化、冷凝,使汽油、煤油、柴油和蜡油等轻质产品馏分从分馏塔顶部和侧线分别抽出,而塔底的高沸点组分得到浓缩就是石油沥青。常减压装置的减压塔底渣油符合某种道路沥青规格的即称之为直馏沥青。生产优质沥青的关键在于选择合适的原油。

 

沥青的化学组成

 

石油沥青的三组分法将沥青分为油分、胶质和沥青质;四组分将沥青分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。石油沥青中,碳氢含量占95%左右,氢含量只有12%或更少些;还含有少量的硫、氮及氧(杂原子)。含有杂原子的化合物主要集中在相对分子质量最大的没有挥发性的胶质和沥青质中。

 

沥青的化学组成与路用性能的关系

 

石油沥青是一个交替分散体系,其分散相是以沥青质为核心吸附部分胶质而形成的胶体。饱和分的含量过多,将使沥青中分散介质的芳香度过低,不能形成稳定的胶体分散体系。芳香分提高了分散介质的芳香度,使胶体体系易于稳定。胶质本身具有良好的塑性和黏附性,它能使沥青质稳定地胶溶于体系中。沥青质可改善沥青的高温性能,但含量过多,会使沥青的延度大大减少,易于脆裂。

 

沥青在使用中由于空气、温度和阳光的作用会老化变质,是由于化学组成发生变化而使其胶体性能变坏所致。其主要变化是芳香分缩合成胶质和胶质缩合成沥青质,沥青质的含量增多,使得分散相增多和分散介质胶溶能力减弱,导致沥青的胶体稳定性下降、使用性能变差。

 

不同沥青性能比较

 

为了获得良好的浇注式沥青混合料施工及路用性能,需要对普通沥青(俗称基质沥青)添加高硬度沥青或改性剂进行改性,这种改性后的沥青称为混合沥青。用于改性的主要添加材料有TLA湖沥青和聚合物。采用不同基质沥青和添加材料获得的混合沥青。各种混合沥青的高温老化技术指标值差异较大,决定了其施工工艺要求也有所不同。

 

影响混合沥青性能的因素

 

以橡胶沥青(AR-80)、直馏沥青(Pen20/40)和聚合物改性沥青(PMA)为基质沥青,添加TLA改性,均能提高混合沥青的硬度和抗永久变形能力,并获得稳定性。软化点随TLA的增加而提高:TLA含量小于20%时,仅是分散剂,软化点提高十分有限;TAL含量为20%~30%时,开始形成局部网络结构;接近30%时,局部网络结构开始相互影响并形成连续网络结构;含量为40%时,软化点显著增长,达97.8℃。

 

添加30%TLA到AR-80、PMA和Pen20/40中,复数模量(100℃)提高分别为2.52倍、1.87倍和1.57倍。沥青越硬,添加TLA加劲的效果越差。所选用的聚合物改性沥青对温度敏感,高温时聚合物分子链的断裂会导致性能的变化。南京四桥浇注式沥青混合料采用了硬质直馏30号沥青,添加30%TLA改性,耐高温性能较好。

 

硬质直馏沥青混合料

 

浇注式沥青混合料与填料

 

浇注式硬质直馏沥青混合料拌和(出料温度200℃左右)后,再投入升温搅拌车进行搅拌1~3h(又称熬制)并加热到240℃左右,才能获得满足施工的和易性和稳定性要求。

 

浇注式沥青混合料的填料比例比普通沥青混合料高。混合沥青在添加填料形成胶泥后会变硬,而且工程性能也变化很大。胶泥性能取决于沥青性能和填料与沥青比例(又称粉胶比)。沥青和填料间发生了物理化学反应,填料添加带来了模量增加,有益于抗车辙性能的提高。软化点在填料增加50%后迅速增长,之后软化点持续稳定增长。胶泥软化点与沥青品种和填料的粉胶比密切相关。

 

浇注式硬质直馏沥青混合料设计

 

浇注式沥青混合料能满足钢桥面板的防水防腐要求,还能充分利用其良好的整体性、耐疲劳性能来满足铺装的耐久性要求;但其施工流动性的高要求,却带来混合料的高温稳定性特别是抗车辙能力降低问题,因此必须妥善解决施工性能和路用性能的矛盾。

 

设计阶段的试验工作包括刘埃尔流动性试验、贯入度试验、车辙试验和低温弯曲试验。考虑桥址区的高温重载的设计条件。与其他技术标准相比,对流动度和动稳定的指标值进行了调整。

 

影响混合料施工性能的因素

 

刘埃尔流动度和贯入度是浇注式沥青混合料的施工和易性指标,控制指标值取决于摊铺设备的摊铺能力。影响流动度的因素包括集料品种及级配、沥青品种及用量、温度、搅拌时间等。

 

(1)流动度与集料品种及级配。

 

随着粉胶比的增大,混合料中的自由沥青变少,其流动性也因此变差。不同粗细级配的混合料要达到一定的流动性能,所需的胶泥含量差异较大,细级配需要更多的胶泥才能确保其流动性,不连续级配的流动性较连续级配的流动性差。

 

混合料中天然砂掺量增加,细集料的棱角性变小,同时细集料吸附的沥青减少也导致自由沥青增加,混合料的流动性就变好。

 

集料品种不同,在级配、胶泥含量及细集料比例差异很小时,因集料的结晶状况及化学成分不同,使得集料的棱角性和吸附沥青的性能不一样,沥青用量相同的浇注式沥青混合料流动性也存在差异。

 

(2)流动性与温度。

 

沥青混合料温度越高,流动性越好;不同批次混合料因拌和及级配的离散性,流动度值存在差距。试验表明,硬质浇注式沥青混合料的温度每升高1℃,流动度值减少约1.2s。

 

(3)流动度与搅拌时间。

 

混合料在升温搅拌车里搅拌的初期,搅拌时间越长,混合料的流动性能就越好。混合料高温搅拌6h后,流动度值随着时间推移逐步变大,但流动性能仍然很好,9h后仍然不会影响沥青混合料的摊铺施工。贯入度的变化较慢,但8h后降低速度明显在加快。

 

高低温稳定性能的影响因素

 

浇注式沥青混合料随着粉胶比的提高,其自由沥青变少,高温稳定性变好。选择粗级配有利于提高混合料高温稳定性,不连续级配的动稳定度高。

 

减少天然砂的掺量,细集料的棱角性变大,细集料吸附的沥青也增加且吸附性更好,有利于提高混合料的高温稳定性,但其低温弯曲极限应变变小。

 

不同品种集料因集料结晶状况及化学成分不同,使得所吸附沥青的用量和吸附力都存在差异。同时其颗粒形状差异很大,导致不同集料的高温稳定性差异很大。选择合适的集料品种对提高混合料的动稳定度特别重要。

 

动稳定度直接反映沥青混合料的高温性能,对不同流动度下的混合料进行了动稳定度试验。尽管流动度变化范围很大,但一定配合比条件下的动稳定度均达到设计要求。

 

兼顾施工和易性和高低温稳定性的措施

 

为了确保钢桥面铺装防水防腐的可靠度,必须保证混合料的流动性能要求。从高温稳定性考虑,下层铺装动稳定度宜不低于800次/mm,浇注式沥青混合料应满足动稳定度大于350次/mm、低温弯曲破坏应变不低于8000με的要求。

 

降低沥青用量会显著提高动稳定度,但流动度值也变大,对摊铺设备的要求就需提高。根据试验桥施工情况,采用德国摊铺机施工,流动度宜由20s放宽至40s,贯入度目标值取低限值。

 

撒布适量的预裹碎石是提高高温稳定性的有效措施。在混合料摊铺完成并达到防水防腐功能后,方可压入碎石。

 

混合料拌和及熬制

 

拌和

 

浇注式硬质直馏沥青混合料拌和的出料温度为200℃左右,比普通混合料高得多。因矿粉掺量高于25%,所以矿粉需提前加热至80℃以上。考虑在35℃以上时湖沥青会结块,所以破碎后的湖沥青需冷藏贮存,确保其不结块,以满足混合料均匀拌和的要求。集料的加热温度约240℃~260℃,需选择耐高温的干式除尘设备。

 

熬制(升温搅拌)

 

熬制就是通过升温搅拌车对混合料进行长时间的搅拌,以改善混合料的和易性,并将温度升高至240℃的过程。硬质直馏沥青在添加30%TLA时,升温搅拌车加热目标温度范围宜为240℃~245℃,熬制时间一般不应小于2.5h。

 

摊铺

 

设备选型

 

浇注式沥青混合料摊铺机分为轮式和履带式两种。考虑提高混合料高温稳定性要求,南京四桥选择功率大并具备同步碎石撒布能力的EB50/70s专用浇注式沥青混合料摊铺机。其最大摊铺宽度5.0m,最大工作坡度10%,行走速度为0~5m/min。

 

摊铺宽度

 

浇注式沥青混凝土钢桥面铺装的分幅原则是:分幅线应避开行车道轮迹带、纵隔板和桥面板U肋的焊缝,宜设置在标线区域;兼顾摊铺机的性能,尽量减少人工摊铺作业;模板应避开桥面板的纵向焊缝。

 

热力学分析表明,摊铺宽度为5m时,混合料高温摊铺带来的钢箱梁顶板局部瞬时最大拉应变达1000με,对钢桥面板无不利影响。南京四桥桥面铺装单幅宽度为15m,机械摊铺分3幅,宽度分别是5.05m、5.05m和4m;中央分隔带人工摊铺2m,路侧人工摊铺宽度0.9m。

 

预裹碎石压入

 

混合料摊铺时,沥青预裹碎石同步机械撒布,并在温度不低于180℃时进行碾压,直至表面基本无外露的碎石。碾压设备为4t级的小型振动压路机。

 

摊铺厚度控制

 

(1)横坡的影响。

 

混合料在横坡度大于5%的桥面上进行高温摊铺时,坡顶处模板边缘的铺装层厚度变薄约5%,坡底处模板边缘厚度变厚约5%。摊铺宽度为5m时,在坡顶处应预设超高。

 

(2)模板的影响。

 

模板固定可采用强力胶带、磁石、吸盘、磁性表座和路缘侧向限位等方式。磁石、磁性表座的固定方式受高温影响较小。南京四桥在高温季节施工,实际采用了磁性表座和路缘侧向限位两种方式。

 

(3)桥面板高温变形的影响。

 

浇注式沥青混合料摊铺热力学分析表明,钢桥面板在高温时会发生下挠变形。横向在摊铺宽度的中间,变形最大;最大温度变形高差约1.9mm。为确保下层厚度不受钢板变形影响,把直线型熨平板改造为折线型熨平板,以避免两侧比中间厚的现象。

 

鼓包病害预防

 

防止出现鼓包病害是低空隙率沥青混合料摊铺的难点。记录鼓包情况,对照混合料性能进行对比分析,及时调整摊铺技术参数、碾压措施和混合料施工参数,以预防减少鼓包病害。主要措施如下。

 

(1)根据流动度控制摊铺速度。流动度值越大,混合料的流动性越差,阻力越大,应降低速度确保混合料推挤排除空气。

 

(2)摊铺时间严格控制。夏季摊铺时间宜在9:00点之后,阴雨天后摊铺应推迟每天的摊铺时间,确保铺筑面干燥。

 

(3)流动度值宜控制在35s以下。超过35s时,应加强摊铺和碾压控制,并加强高温鼓包检查和处理。

 

工程实施效果

 

南京四桥为主跨1418m的3跨连续弹性支撑体系钢箱梁悬索桥,桥面铺装下层为浇注式硬质直馏沥青混凝土(厚100px),表面压入11~12kg/m²粒径16~19mm的预裹碎石。

 

(1)混合料配合比设计。

 

最佳沥青用量为8.3%时,各项指标全部满足要求。矿料配比为:2号碎石(4.75~9.5mm):3号碎石(2.36~4.75mm):天然砂:矿粉=27%:23%:24%:26%。

 

(2)生产配合比。

 

浇注式沥青混合料的拌和设备选用日工3000型拌和机。根据各热料仓集料的筛分结果,进行浇注式沥青混合料的矿料级配组成计算,确定:3号仓(6~16mm):2号仓(3~6mm):1号仓(0~3mm):矿粉=30%:23%:21%:26%。

 

TLA掺量为30%,进行浇注式沥青混合料的搅拌试验。确定最佳沥青用量为8.2%,流动度、贯入度分别为24.3s、1.38mm。

 

(3)下层浇注式沥青混凝土主要检测结果。

 

上下游幅的流动度代表值分别为26.3、22.6s,贯入度代表值分别为1.55、1.53mm,厚度代表值为33、33mm,动稳定度代表值为457、456次/mm。沥青预裹碎石撒布量计算平均值为11.92kg/m²。

 

结语

 

(1)从沥青化学组分及性能等方面看,硬质直馏沥青的耐高温、抗老化及抗疲劳性能,能够较好地适应钢桥面铺装的高温重载使用条件。

 

(2)采用硬质直馏沥青添加TLA的混合沥青作为浇注式沥青混合料的黏结料,是提高钢桥面铺装耐久性的可靠措施。

 

(3)浇注式硬质直馏沥青混合料设计是在性能试验的基础上,对混合料的施工和易性、路用性能进行综合评价和试验验证。

 

(4)沥青混合料胶泥性能与沥青品种及粉胶比密切相关。混合料的流动性与集料品种及级配、沥青品种及用量、温度、搅拌时间等相关性很好,其规律可以直接指导现场施工。

 

(5)混合料配合比设计需要考虑流动性与高低温稳定性的矛盾,并依此确定最佳级配和沥青用量。混合料浇注摊铺完成后压入沥青预裹碎石,能够有效提高抗车辙能力。

 

(6)折线熨平板摊铺工艺、可靠模板固定和模板厚度预设超高等措施,可以确保摊铺厚度得到有效控制。

 

(7)采用4t级小型振动压路机和摊铺机同步撒布设备,能够很好地实施12kg/m²沥青预裹碎石的压入。

 

(8)鼓包缺陷的预防措施需要考虑空气湿度、气温等天气因素,进行流动度和摊铺速度的控制,并适当加强碾压。

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徐科博士

广东 衡阳 | 路桥市政

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