岩沥青在新疆地区道路工程的应用研究

来源:用户上传      作者: 刘炳硕 陆景鹏 郏晓文 王天文 谢琳 李林萍

　　摘要：本文讲述了新疆地区沥青路面存在的病害及其成因。针对病害成因，提出掺和岩沥青作为改性剂对路面材料进行改善的措施。同时，对岩沥青的特点及岩沥青在国内道路工程的应用实例加以详细介绍。说明岩沥青在新疆地区的应用前景。
　　关键词：病害；岩沥清；路面性能
　　
　　引言
　　
　　位于我国北方寒冷地区的新疆具有干燥、冬冷夏热、昼夜温差大、日照丰富的气候特点。然而气候特点是破坏路面结构的重要因素。新疆地区沥青路面存在着以下病害：翻浆，裂缝(龟裂和网裂)，泛油，沉陷，剥落，车辙，坑槽等现象。翻浆：路面、路基湿软出现弹簧、破裂、冒泥现象。龟裂：裂缝3mm以上，且多数缝距10cm以内，面积在1m2以上的块状不规则裂缝。网裂：裂缝1mm以上或缝距40cm以下，面积在1m2以上的网状裂缝。泛油：高温季节沥青被挤出，表面形成薄油层，行车出现轮迹。沉陷：路面、路基有竖向变形、路面下凹，深度3cm以上。剥落：路面面层层状脱落，面积0.1m2以上。车辙：路面上沿行车轮迹产生的纵向带状凹槽，深度1.5cm以上，数量按实有长度乘以变形部分的平均宽度。坑槽：路面破坏成坑洼深度大于2cm，面积在0.04m2以上。
　　以上病害均与沥青混合料的路面性能有直接的关系，而岩沥青含氮、软化点高，可以提高沥青路面的抗车辙能力和抗水损坏能力，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。由于岩沥青能够有效地改善沥青的路用性能，提高沥青路面的抗车辙、抗剥落和抗水损坏性能，有必要在新疆开展岩沥青的研究和应用。
　　
　　1、岩沥青的特点
　　
　　1.1　岩沥青：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。从天然岩沥青的形成看，天然岩沥青本身属于沥青基属，含有多种能促进石油沥青中的活性基团(羧基、羰基、醛、萘等)交联聚合的有机链，使得掺入该天然岩沥青的石油沥青分子的排列方式和网状结构(节点和强度)得以改善，增强了沥青内聚力及抗拉断力。
　　1.2　天然沥青的路用性能：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，而是作为人工炼制沥青的改性剂少量掺配使用，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、高抗水损与很强的耐微生物侵蚀的能力、高的摩擦系数、很高的抗疲劳强度，显著改善和提高沥青路面性能。通常，岩沥青具有以下路用性能：
　　(1)天然沥青软化点高，用其改性可以显著提高沥青路面的高温稳定性：岩沥青自身的软化点非常高，一般在160～175℃，故利用其制造的改性沥青软化点也非常高，其改性沥青混合料具有非常好的高温稳定性，能明显地提高沥青路面的抗车辙能力。
　　(2)天然沥青含氮量高，提高了沥青路面的抗水损坏能力：天然沥青中，氮元素以官能团形式存在，这种形式使天然沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性，其他元素的官能团及侧链的存在也共同发育了上述特征。具体表现就是沥青粘度增大，抗氧化性增强，特别是与集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善。与有机胺类抗剥落性剂相比，其抗水损坏能力更稳定而耐久。
　　(3)天然岩沥青抗老化能力强，耐候性好，沥青路面更耐久：由于天然沥青常年与自然环境共存，性质特别稳定。天然沥青抗微生物侵蚀作用很强，这是因为它在形成的千百万年过程中，能被侵蚀的都已被侵蚀完了，而且天然沥青有在自由表面形成致密光亮的保护膜的特点，这使沥青的自由表面十分光亮，形成了一个天然沥青富集保护层，保护了里层的沥青不被侵蚀。天然岩沥青的高含氮量，使改良后的沥青粘度更好，也有更好的抗氧化性。这些品质将会提高沥青路面的耐久性，减缓沥青老化速度，从而延长道路使用寿命。
　　(4)天然沥青不含蜡，可以改善高含蜡量沥青的品质：天然沥青在原油状态下并非不含蜡，只是在地壳中长期与各种条件作用，使蜡含量急剧降低，并转化成其他形式存在。当它加入到普通沥青中，会把这种特性在重组中一定程度遗传给基础沥青，进而降低石蜡在沥青中的危害。
　　(5)岩沥青改性沥青制造工艺简单，施工方便：天然岩沥青是不流动的颗粒状材料，储存时不会结块，易于加工。制造岩沥青改性沥青施工工艺非常简单，不需新增设备，与SBS改性沥青相比，通常不需要大型的改造设备，从而大大节约了施工成本。
　　(6)由天然沥青改性得到的沥青性质更稳定：与SBS等人工改性沥青相比，天然岩沥青是石油基的固体，具有与沥青相近的化学结构，与沥青的相容性非常好，与路用沥青极易相容共存。混合以后，形成天然沥青与沥青的紧密分子，这种分子既有天然岩沥青的硬度和耐磨性，同时也保留了沥青的韧性。
　　
　　2、岩沥青应用的工程实例
　　
　　2.1　京福高速公路天然岩沥青改性沥青路面维修：2005年6月，京福高速公路济南至泰安段K133－K136大上坡路段修筑了青川天然岩沥青改性沥青试验路段，并进行了长期观测，效果较好。在此基础上，2006年，京福高速济南至枣庄段路面约380m2的维修工程，新建项目菏泽至关庄高速公路约160万m2路面也应用青川岩沥青进行了铺设。
　　京福高速公路试验维修路段是国内具有代表性的，工作条件非常恶劣的路段，这些路段夏天持续高温、交通量大、重载车辆较多、连续大上坡，非常易产生车辙破坏。该路段从竣工通车至今，在近6年的时间里，进行过两次大的维修。维修中，使用SBS改性沥青和天然岩沥青改性沥青等材料，通过这些材料的使用效果对比，发现天然岩沥青改性沥青混合料在抗高温、抗车辙能力等方面有着突出的作用。
　　京福高速公路泰安一济南段全长57.8km，双向六车道，是国道主干线京福高速公路与京沪高速公路在山东境内的重合段，设计轴次为20.13×105轴次。泰济南段1999年10月建成通车，是山东省高速公路交通量最大的路段，日交通量40000辆，且重载车辆比例高达51％。泰济南段线型为山岭重丘区，路线坡度较大、坡长较长。此段路面原结构层设计厚度为77cm，上面层按照SUPERPAVE方法进行设计，为4cm Ak－16AB，中面层为5cm AC－20I，下面层为6cm AC－30I，基层为28cm水泥稳定碎石，底基层为34cm石灰土。
　　通车后，泰济南段许多上坡路段出现严重的高温车辙变形，尤其是济南境内K132＋900－K138＋710大上坡路段车辙较为严重。2002年至2005年，针对该路段出现的车辙病害，对其进行了两次大的维修。
　　采用SMA沥青混合料进行处理路面病害：

　　京福高速公路通车后，随着重载车辆的急剧增加，济南境内大上坡路段路面出现了严重车辙。据调查，到2002年7月份(通车不足2年的时间)，该路段路面平均车辙深度达到32mm,整个沥青面层发生变形，K134＋000－K134＋650和K135＋180－K136＋220两处严重路段，车辙深度达到50mm以上，部分位置最大车辙深度达到71mm，且推拥、波浪现象严重。
　　从病害调查结果来看，尽管本路段沥青混凝土三层都采用了AH－70重交通道路沥青，没有采用改性沥青，但在重载交通作用下，表面层的流动变形并不大，变形最严重的是发生在下面层。级配试验表明，下面层混合料重粗集料已经很少，且粗集料在同一断面上出现横向蠕动等情况。经各层混合料抽提筛分及孔隙率测定，三层的孔隙率已小于原结构层设计空隙率。为了对本路段车辙进行彻底维修，原沥青混凝土面层全部铣刨，三层沥青混凝土路面全部采用SMA沥青混合料，其路面结构设计为：4cm厚AK－16AB上面层、5cm厚SMA－19中面层、6cm厚SMA－19下面层，各层沥青均采用青岛埃尔夫SBS改性沥青。
　　本次维修中使用了沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，这种混合料的特点是粗集料多、矿粉多、沥青用量多、细集料少，骨架结构紧密，克服了以前普通沥青路面耐久性差的缺点，提高了此段路面抗高温车辙的能力，延缓了路面车辙、推拥等病害的形成。
　　采用岩沥青改性沥青混合料处理路面：
　　在应用SMA混合料处理路面车辙的当年，山东出现连续高温天气，修补过的路面又很快出现了车辙病害。通过追踪观测，到2005年6月，此路段平均车辙深度为22mm，K135＋500－K135＋900路段最大车辙深度为60mm。在上坡路段，尤其是接近坡顶近1km长度上，车辙病害相当严重。运行期间内，有些车辙深度在40mm～50mm之间，个别地方甚至出现60mm左右的车辙，路面局部还出现了严重推移、波浪现象。通过钻取芯样观察发现，沥青混合料路面出现车辙变形主要集中于中下面层。弯沉检测发现，由于面层出现病害，路面强度也随之降低，基层也产生松散、沉陷、纵向裂缝等严重病害。
　　基于此种情况，在山东省交通科研所研究岩沥青改性性能的基础上，充分考虑岩沥青软化点高、耐高温性能强、抵抗变形能力优、高温稳定性稳定的特点，决定采用青川天然岩沥青改性沥青处理该路段。采取的维修方案是：基层产生病害路段，全部铣刨，采用沥青碎石柔性基层代替原半刚性基层；完整基层路段保留原有半刚性基层；三层沥青混合料路面全部采用岩沥青改性沥青，其中岩沥青改性剂添加量为7％，基质沥青为加德士一70#A级沥青，沥青混合料结构设计为SUPERPAVE设计。维修路段从坡脚K133处西侧南行段开始，一直到接近坡顶K136＋150处。与此同时，在东侧北行方向K137－K136缓坡段，也修筑了岩沥青实验路段。为了与聚合物类改性沥青混合料性能对比，其他路段结构形式不变，沥青种类为SBS改性沥青。此次维修时间选在2005年6月初，由于该路段交通量大，无法继续封闭交通，铺筑完成后马上开放交通。
　　经过2005年夏季与冬季连续运行后，对维修的路段进行了严密的跟踪观测。2005年12月份和2006年3月份，分别进行了两次现场观测，目前该工作仍在继续进行。在观测过程中，发现，岩沥青改性沥青路段与SBS改性沥青路段相比，路面均出现变形，尤其在坡顶阶段。在岩沥青与SBS沥青接头处，车辙深度出现明显变化，弯沉检测没有出现明显变化，这说明路面结构强度没有出现大的变化。取芯观察发现，采用岩沥青改性沥青的路段，沥青混合料路面变形主要出现于上面层。相应观测数据见下表。
　　从以上检测数据看，虽然天然岩沥青使用在最不利路段，但其表现出了较强抗车辙的能力，说明其在高温稳定性等方面的性能是优于SBS改性沥青。
　　2.2　四川青川岩沥青107国道：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，2005年山东荷馆高速在下面层使用青川岩沥青CEI改性。2007年四川乐宜高速三面层使用青川岩沥青改性。
　　2.3　新疆万艾公路：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，经过一个观测期，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。
　　
　　3、结语
　　
　　经过对国内一些应用岩沥青的道路工程成功经验的分析，总结出了岩沥青改性沥青具有以下优点：
　　(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。
　　(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℃，其他施工工艺不变。
　　(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。
　　目前，岩沥青在新疆地区的应用实例很少。并且，普通沥青路面在新疆地区出现的病害非常多，很需要更优质的改性沥青提高沥青的路面性能，减少沥青道路病害。基于岩沥青能显著地提高沥青路面的抗车辙、抗剥落和抗水损坏性能，新疆地区道路应当积极采用岩沥青改性沥青，铺设试验路段，证明其在本地区的可行性，并加以推广。

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