天然岩沥青在沥青路面施工中的应用分析和建议王照中

'天然岩沥青在沥青路面施工中应用的分析和建议桥隧工程有限公司临连路面项目王照中摘要；采用天然岩沥青改性，工艺简单，能耗低，成本相对较低。具有抗水损害和抗车辙能力强。关键词；天然岩沥青路面施工新技术1岩沥青背景介绍岩沥青是石油在岩石夹缝经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的沥青类物质。岩沥青是天然沥青中的一种，其它天然沥青包括湖沥青、海底沥青等。岩沥青的国外代表性产品有位于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布敦岛，距雅加达以东700km的布敦岩沥青、美国犹他州的北美岩沥青、法国的加德、瑞士瓦勒德特拉弗斯地区的沙泰尔和意大利的拉古萨。在我国新疆的克拉玛依地区、四川青川、甘肃等地，也发现了储量丰富的天然岩沥青矿。由于天然沥青常年与自然环境共存，性质特别稳定，且通常具有非常优良的路用性能。天然沥青不直接作为一种沥青使用，而是作为道路石油沥青的改性剂少量掺加使用，形成改性沥青，使之优良的技术性能达到最大的发挥。大量研究与工程实践表明，使用天然改性沥青铺筑的沥青路面，具有高使用寿命、高稳定性、高抗水损、高摩擦系数、高抗疲劳强度、零含蜡量与很强的耐微生物侵蚀的能力，显著改善和提高沥青路面性能。图1：新疆天然岩沥青外观图2：北美天然岩沥青外观10 2天然岩沥青路用性能岩沥青通常具有的路用性能：2.1天然岩沥青软化点高，用其改性可以显著提高沥青路面的高温稳定性；2.2天然岩沥青含氮量高，提高了沥青路面的抗水损坏能力；2.3天然岩沥青抗老化能力强，耐候性好，沥青路面更耐久；2.4天然岩沥青不含蜡，可以改善高含蜡量沥青的品质；2.5岩沥青改性沥青制造工艺简单，施工方便；2.6由天然岩沥青改性得到的沥青性质更稳定。近年来，我国的经济的迅猛发展带来了交通运输需求的快速增长，交通量迅猛增长，载重量和轴重增加，并有一定的超载现象。我国大部分地区夏季高温，南方地区多雨，这些不利的交通荷载条件和气候条件导致我国沥青路面面临严峻考验，部分沥青路面通车不久就出现了严重的早期破坏，如车辙、水损害、低温收缩、坑槽等。我国近年来的高速公路沥青路面病害发展有2个阶段：在99年以前沥青路面是水损坏问题比较突出，如江苏沪宁高速、浙江杭甬高速、山东济德高速等；在99年以后是部分高速车辙病害较多。使用好的材料有助于解决或缓和高速公路路面的早期病害问题。我国新疆克拉玛依和四川青川等地区发现了储量丰富的天然岩沥青。岩沥青含氮、软化点高，可以提高沥青路面的抗车辙能力、抗水损坏能力，同时改善沥青路面高温稳定性和水稳定性，使路面更稳定而耐久。3岩沥青在国内的应用2001年四川青川岩沥青（CEI）在107国道河北境内的K326+200~K328+200铺筑了2Km的对比段。经过两年多的使用，据报道路面使用情况良好。此后在丹拉高速公路河北段及四川省广元市市政道路上均采用了CEI天然岩沥青铺筑试验路段，05年山东荷馆高速在下面层使用青川岩沥青CEI改性。07年四川乐宜高速三面层使用青川岩沥青改性。2003年在新疆万艾公路使用新疆岩沥青改性，经过四年连续观测，使用状况良好。2006年在四川S107川藏路使用新疆岩沥青上面层改性，经过一个观测，没有出现车辙和裂缝，使用状况良好。2006年10月在重庆万开高速中下面层使用新疆岩沥青改性，经过一个冬季观测，没有发现出现裂缝。10 4实际工程应用技术下面以万开高速岩沥青试验段为例详细介绍新疆岩沥青应用技术。岩沥青试验路段位于重庆万开高速的K28＋074～K29＋830之间，双幅共3.5Km，试验段铺筑时间为2006年10月。重庆属于地质气候条件比较特殊的地区，高温多雨、山丘多雾、长大纵坡，多年年均降雨量1213.5mm，极端最高气温42℃，沥青路面使用性能气候分区为夏炎热冬温潮湿区。试验路段路面结构为4cmSBS改性AC-13＋6cmAC-20＋6cmAC-20＋20cm水稳基层＋20cm水稳底基层＋20cm二灰垫层，岩沥青掺加比例为5％和8％两种，5％用于中面层，8％用于下面层。4.1目标配合比设计4.1.1粗集料：粗集料采用江苏茅迪石灰岩，其主要技术指标见下表1。粗集料各项技术指标检测结果表1检测项目集料规格（mm）检测结果规范要求（JTGF40-2004）表观相对密度10～202.824不小于2.55～102.714吸水率（%）10～201.6不大于3.05～100.4水洗法小于0.075mm含量（％）10～200.05不大于15～100.1针片状颗粒含量（％）粒径大于9.5mm8.3不大于15粒径小于9.5mm6.5不大于20坚固性（％）10～20；5～104.0不大于12压碎值（％）9.5～13.222.4不大于28洛杉矶磨耗损失（％）10～20、5～1021.6不大于30软弱颗粒含量（％）10～154不大于55～103.8粘附性等级（水煮法，级）9.5～13.2444.1.2细集料细集料采用江苏茅迪产石灰岩机制砂。其主要技术指标见下表2。10 细集料各项技术指标检测结果表2检测项目（细集料）单位检测结果规范要求（JTGF40-2004）表观相对密度－2.696不小于2.5坚固性(大于0.3mm部分)%3.2不小于12砂当量%83.0不小于60亚甲蓝值g/kg1.25不大于25棱角性（流动时间法），过2.36mm筛s35.7不小于304.1.3矿粉矿粉为施工单位采用中面层料5～10石灰岩现场磨制。其主要技术指标见下表3：矿粉各项技术指标检测结果表3检测项目（矿粉）单位检测结果规范要求（JTGF40-2004）表观相对密度t/m32.69不小于2.5含水量%0.12不大于1亲水系数－0.86小于1外观－无团粒结块无团粒结块加热安定性－加热后无变化实测记录4.1.4沥青基质沥青为SK70#。其主要技术指标见下表4。试验项目沥青种类规范要求SK70#针入度（100g，5S，0.1mm）25℃5860～80延度（5cm/min，15℃）cm28.2＞100软化点（环球法）℃50.8＞45密度1.03实测记录闪点285＞260旋转薄膜加热试验160℃5h质量损失%0.1＜0.8针入度比%67.2＞61延度（10℃）5.6＞610 岩沥青为新疆乌尔和产天然岩沥青，厂家分袋包装运至施工单位拌和站。对运输到万开高速工地的岩沥青进行了部分检验，其结果见下表5。岩沥青技术指标检测结果表5指标实际是否符合要求外观黑色粉末符合袋装重量18kg符合含水量0.9符合（≤1%）筛分98％，＜0.6mm部分符合（≤98％）杂质含量（灰分）1.46符合（≤2%）4.1.5目标配合比设计级配采用万开高速生产路段的下面层和中面层的目标级配，见表6。试验中将各规格料按照标准筛径筛成各粒径精确配料。室内拌和方式：岩沥青与热的集料干拌15s后再加入基质沥青SK70#搅拌90s，最后投入矿粉搅拌90s。温度控制：集料温度190℃，拌和温度180℃，击实温度160℃。中下面层目标配合比级配表6筛径（mm）各档筛孔累计通过率（％）26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075中面层1009887746139272114986下面层1009784705434231813975岩沥青掺配比例分别为5％和8％（均为内掺，即岩沥青与基质沥青掺和比例为5：95和8：92），按照马歇尔设计方法经试验得出最佳油石比分别为4.1％和4.0%。对中下面层分别进行了包括基质沥青SK70#在内的三种混合料性能试验，试验结果见表7、8。岩沥青试验路下面层目标配合比试验结果表710 试验项目单位SK70#8%岩沥青技术要求密度g/cm32.4332.440－空隙率％4.04.13~5稳定度kN10.812.0≥8.0流值mm3.23.22~4残留马歇尔稳定度％91.595.2%≥80VMA％13.313.4≥13VFA％69.969.765-80车辙试验次/mm10602837≥1000标准劈裂强度MPa0.951.69冻融劈裂强度MPa0.941.37TSR％99.381.3≥75渗水量ml/min21.710.7≤120岩沥青试验路中面层目标配合比试验结果表8试验项目单位SK70#5%岩沥青技术要求密度g/cm32.4402.454－空隙率％4.54.03~5稳定度kN11.411.5≥8.0流值mm3.33.02~4残留马歇尔稳定度％88.292≥80VMA％13.613.2≥13VFA％66.769.465-80动稳定度次/mm15832519≥1000标准劈裂强度MPa1.041.30-冻融劈裂强度MPa0.891.24-TSR％86.195.4≥75渗水量ml/min10.50≤120注：1、马歇尔试件击实均采用双面75次标准。2、SK70#组成型温度为140℃；掺岩沥青混合料的成型温度为160℃。4.2生产配合比10 4.2.1下面层使用拌和站热料仓的筛分结果见下表9。热料仓各档料筛分结果表9集料粒径累计通过率（％）26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.07520～26.5100.042.14.80.00.00.00.00.00.00.00.00.015～20100.0100.058.210.30.00.00.00.00.00.00.00.010～1599.999.999.383.213.40.10.00.00.00.00.00.05～10100.0100.0100.0100.099.48.50.00.00.00.00.00.00～5100.0100.0100.0100.0100.097.263.147.730.119.713.84.8矿粉100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.099.896.074.3根据热料筛分结果和目标级配范围，使用EXCEL电子表格调整各档料比例，直至合成级配较好的满足目标，且级配曲线平缓连续。各档料比例为：20～26.5:15~20:10~15:5~10:0～5矿粉＝4:25:19:16:31:5。图3：下面层生产配合比级配曲线4.2.2中面层中面层所用的各档石料和下面层相同，其各档料的比例为：20～26.5:15~20:10~15:5~10:0～5矿粉＝3:22:18:18:35:4。10 图4：中面层生产配合比级配曲线4.3试验路铺筑4.3.1拌和沥青拌和站为意大利玛连尼3000型间歇式沥青混合料拌和楼。该拌和楼配有五个热料仓，并在拌和锅侧有两个30cm×30cm的人工投放口，不使用时该投放口有铁皮盖封死，以免干拌时灰尘溢出。拌和采用了预制岩沥青改性沥青和岩沥青干投两种方案。对8%岩沥青的配比，采用了预制岩沥青改性沥青的方法。预制在施工单位配有搅拌设备的立罐中进行。预制时，先喷入基质沥青10吨，并逐渐加热基质沥青到160度，同时从罐顶投入0.8吨岩沥青（44袋），边加边搅拌，将岩沥青与基质沥青充分搅拌均匀后喷入沥青储存罐。但从湿拌的效果看，明显有一部分岩沥青漂浮于沥青表面，效果不是很好。由于岩沥青软化点通常在160－180℃左右，而立灌搅拌的表面温度显然会低于这个温度。如果基质沥青温度提得过高，又有沥青老化的担心。同时，该立灌搅拌柄过小，钢筋网布置过于稀疏，搅拌速度过慢，搅拌功率低，效果不是很好。在实验室内，配制2kg左右的岩沥青改性沥青，采用400r/min的高速剪切机，搅拌温度在180℃，要搅15min左右才能保证岩沥青与基质沥青的充分混融。高的温度和搅拌速度是实现岩沥青与基质沥青充分混融的主要保证，但施工现场该立灌的效果在这两方面均有欠缺。对5％岩沥青的配比，采用了干投方法。干投前，先将18kg袋装岩沥青分装成每袋10 6kg的小包，并搬运至拌和锅投放口旁。控制室将每锅产量设定在3t，由人工在热料仓泄料瞬间将成包岩沥青全部投入。投放须注意时间控制，不得漏投，亦不得过早或过晚。同时，干拌时间增加为10s，湿拌40s。干投可以充分发挥高温集料对岩沥青的搓揉和剪切作用，使岩沥青迅速熔化，发挥改性作用。4.3.2摊铺、碾压采用两台TITAN423履带式沥青摊铺机组成梯队联合摊铺。碾压采用两台DD110双钢轮压路机、两台XP260胶轮压路机进行分段碾压。初压：钢轮静压一遍。复压：钢轮振动两遍；胶轮静压四遍。终压：钢轮静压一遍。4.3.3温度控制结合室内试验成果，提出岩沥青改性沥青的建议温度控制为：岩沥青施工控制温度表10施工工序控制标准（℃）沥青加热温度140～160矿料加热温度175～185沥青混合料出料温度165～180混合料废弃温度高于195运输到现场温度不低于155混合料摊铺温度正常施工155不低于低温施工160开始碾压的混合料内部温度，不低于正常施工155低温施工160碾压终了的表面温度不低于钢轮压路机70开放交通的路表温度不高于50注：以上列表温度测试均以插入式温度计（可以为水银玻璃温度计，亦可为热电偶数显式）测试温度为准，且使用的温度计必须进行标定。红外测温设备在进行标定、确认可靠或修正后可以用以部分试验控制。10 4.4试验路评价及观测试验路完工后，我们对其进行了性能检验和质量评价，经评定试验路表面平整密实，集料颗粒分布均匀，无脱落、掉渣、裂缝、搓板等现象。为了更好的评价岩沥青的路用性能，还应对整个岩沥青试验路段进行长期跟踪观测。4.5岩沥青成本分析为了更好的推广应用岩沥青，现将新疆岩沥青、特立尼达湖沥青、SBS改性沥青的成本按目前的市场价格进行分析，具体数据如表11。改性剂品种AK70石油沥青新疆岩沥青特立尼达湖沥青SBS剂量5％8％25％4％单价（元/吨）350060006000650022000一吨混合料需要的沥青用量（吨，以4％计算）0.040.040.040.040.04一吨混合料需要沥青的总成本(元)140145148170169.6通过以上分析，掺加新疆岩沥青的沥青混凝土成本明显低于其它同类产品，掺加5％岩沥青每吨混合料单价只增加5元，其成本只相当于SBS改性的16％。5结语1掺加岩沥青后，沥青混凝土马歇尔稳定度提高，流值减小，其高温稳定性、水稳定性各项指标均有大幅提高。其中掺加5％岩沥青的动稳定度提高59％，掺加8％岩沥青的提高167％。2岩沥青改性施工工艺简单、易操作，无需增加任何设备可直接添加投放。拌和、碾压温度应提高10～15℃，其它施工工艺不变。3岩沥青改性成本比同类产品较低，有较大的推广应用价值。参考文献1公路沥青路面施工技术规范《JTJF40－2004》2公路改性沥青路面施工技术规范《JTJ036—98》10'