岩沥青路面工程应用指南.docx
《岩沥青路面工程应用指南.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩沥青路面工程应用指南.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
岩沥青路面工程应用指南
岩沥青路面工程应用指南
前言
随着我国高等级公路建设的迅猛发展，改性沥青在我国公路路面工程中得到了普遍应用，其中最普遍的是SBS改性沥青。
天然岩沥青通常具有较好的抗车辙性能、抗水损坏能力和抗老化性能，同时改性工艺简单，性能稳定，在国外得到广泛应用，近年来我国的路面工程应用也逐渐增多。
如国外的北美硬沥青Gilsonite，印尼布敦岩沥青BRA等纷纷进入我国公路建设市场，而我国新疆的克拉玛依地区、四川青川等地，也发现了储量丰富的天然岩沥青矿。
我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40－2004）对天然岩沥青应用缺少具体的技术规定，如岩沥青及其改性沥青技术标准，沥青混合料技术要求，材料设计，施工技术，质量检验方法等均未涉及，使得工程中应用天然岩沥青缺乏技术依据，缺少质量保证与管理控制手段。
2005年，交通部批准了西部交通建设科技项目《岩沥青资源开发与路用性能研究》（200531822305），由交通部公路科学研究院承担，对岩沥青的路用性能、工程应用技术问题等进行研究，本指南主要依据该科技项目《岩沥青资源开发与路用性能研究》的成果编写，同时借鉴了国内外有关岩沥青工程应用的经验和技术标准。
总体上我国天然岩沥青工程应用还不多，时间也较短，本指南会随着工程实践经验的总结积累和科研工作的深入修改完善。
编制单位：
交通部公路科学研究院，新疆生产建设兵团农七师交通局，重庆高速公路发展有限公司渝东分公司
编写人：
曹东伟，刘清泉，路军，杜国平
1、概述.......................................................3
2、术语、符号与代号...........................................4
3、路面工程中适用岩沥青的情况.................................5
4、材料.......................................................7
4.1岩沥青.....................................................7
4.2岩沥青改性沥青技术要求.....................................8
4.3粗集料.....................................................10
4.4细集料.....................................................10
4.5填料.......................................................10
5、施工机械设备...............................................11
6、试验检测仪器................................................12
7、配合比设计.................................................12
7.1岩沥青改性掺加量...........................................12
7.2岩沥青改性混合料设计要求...................................13
7.3目标配合比设计方法..........................................13
7.4岩沥青改性混合料室内试验的试件制备.........................14
7.5生产配合比设计与验证........................................14
8、施工........................................................15
8.1准备工作...................................................15
8.2岩沥青改性混合料的生产.....................................15
8.3沥青混合料运输..............................................17
8.4摊铺.......................................................17
8.5碾压........................................................18
9、质量控制与管理..............................................18
9.1原材料的质量控制............................................18
9.2沥青混合料生产的质量控制....................................18
9.3现场施工的质量检验...........................................19
1、概述
1.1掺加天然岩沥青对基质沥青进行改性，通常可以提高沥青路面的高温抗车辙性能、抗水损坏性能、抗老化性能和混合料的强度。
为了在工程应用中制定合理的技术方案，提高和控制施工质量，特编写本指南。
1.2本指南在借鉴国外相关技术规范、国内外工程应用经验的基础上，主要根据交通部西部交通建设科技项目《岩沥青资源开发与路用性能研究》科研成果编写。
1.3本指南适用于不同等级公路路面应用国内外不同种类天然岩沥青的情况。
1.4除本技术指南规定外，还应参照和执行《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）等现行规范。
说明：
本部分说明了本指南的编写目的、依据、适用范围、与其他规范标准的关系等。
1.1天然岩沥青在国外路面工程有较多应用，长期的工程实践表明天然沥青通常就有较好的抗车辙性能、抗水损坏能力、抗老化性能和较高的强度。
岩沥青常年与自然环境共存，性能非常稳定，国外研究认为其性能主要有以下几个特点：
①岩沥青软化点高，一般在150℃以上，用其改性可显著提高沥青路面的高温稳定性；②天然岩沥青含氮量高，且氮以官能团形式存在，可显著提高沥青路面的抗水损坏能力；③天然岩沥青抗老化能力强，抗微生物侵蚀作用很强，耐候性好，沥青路面更耐久；④岩沥青是固体颗粒状材料，改性工艺简单，施工方便；⑤岩沥青是一种天然高聚物，与基质沥青相容性好，稳定无离析。
近年来，随着我国高等级公路建设的迅猛发展，国外天然岩沥青纷纷进入我国公路建设市场，如北美硬沥青Gilsonite，印尼布敦岩沥青BRA。
在我国新疆的克拉玛依地区、四川青川等地，也发现了储量丰富的天然岩沥青矿。
但是，我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004），其中对岩沥青应用仅仅提出了原则性的意见：
“4.6.4天然沥青可以单独与石油沥青混合使用或与其他改性沥青混融后使用。
天然沥青的质量要求宜根据其品种参照相关标准和成功的经验执行”，对岩沥青适用条件、有关技术标准，沥青混合料技术要求与设计，施工技术，质量检验方法等均未涉及，使得工程中应用天然沥青缺乏技术依据，缺少质量保证与管理控制手段。
1.2本指南编制的主要依据是交通部西部交通建设科技项目《岩沥青资源开发与路用性能研究》（200531822305）的研究成果，包括对国外岩沥青技术标准和规范的调研，国内外开展的早期研究和工程测试，我国自1997年以来岩沥青铺筑路面的性能调查等。
1.3在西部项目研究中，不仅主要研究了新疆乌尔禾岩沥青，而且对北美岩沥青、印尼岩沥青、山东岩沥青等和四川青川岩沥青等进行了研究。
其中青川岩沥青由于厂家不愿提供样品，进行试验研究相对较少。
研究中对不同种类的岩沥青路用性能进行了比较，并参考了国外工程应用的施工经验。
1.4我国现行技术规范（JTGF40—2004）虽然没有具体的关于天然沥青材料、配合比设计、施工技术和质量检验等方面的规定，但勿庸置疑，掺加岩沥青是目前诸多沥青改性技术方案中的一种，现行规范有关于改性沥青施工的技术要求和原则等是通用的。
2、术语、符号与代号
2.1天然沥青
石油在自然界长期受地壳挤压、变化，并与空气、水接触逐渐变化而形成的、以天然状态存在的石油沥青，其中有的混有一定比例的矿物质。
按形成的环境可以分为湖沥青、岩沥青、海底沥青、油页岩等。
2.2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。
岩沥青是天然沥青中的一种。
2.2岩沥青改性
岩沥青通常不直接使用，而是作为化工炼制沥青的改性材料，将岩沥青与基质沥青混合、掺配，改善基质沥青的路用性能。
2.3Gilsonite
北美天然岩沥青商品名，产于美国犹他州。
2.4BRA
ButonRockAsphalt的词首字母缩写，是印度尼西亚苏拉威西省布敦岛产的天然岩沥青。
2.5SBS
苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物，英文为Styrene-Butadiene-StyreneBlockCopolymer。
2.6“干法”工艺dryprocess
在沥青混合料拌和锅进行矿料干拌时，将岩沥青作为添加剂投入拌合锅，适当延长拌合时间制备岩沥青改性混合料，称为“干法”工艺。
2.7“湿法”工艺wetprocess
用人工、机械搅拌或高速剪切工艺，将岩沥青作为改性剂与加热到合适温度的基质沥青搅拌混合，制成成品岩沥青改性沥青，然后拌合生产岩沥青改性混合料，称为“湿法”工艺。
2、路面工程中适用岩沥青的情况
3.1一般情况
除特别寒冷的地区外，通常有使用改性沥青要求的路面工程都可以考虑使用岩沥青，尤其是存在重载交通和慢速交通条件；或工程项目所处地区有高温和多雨气候条件；或工程项目所处地区的现有路面存在较多的车辙、推移等类变形类病害问题。
3.2从交通荷载条件考虑，路面工程中适用岩沥青的情况包括：
1）道路存在重载交通条件；
2）道路存在高轮压荷载条件，如矿区、港口地区的交通荷载；
3）慢速交通路段，如山区公路上坡路段，经常出现交通拥堵的道路；
4）水平荷载作用较多的路段，如道路的交叉路口、收费站附近、公交车站、急转弯路段；
5）其他情况的路面，如桥面沥青铺装层、寒冷地区因防滑钉导致出现磨耗性车辙的道路。
3.3岩沥青适用的气候条件包括夏炎热区和夏热区；或年降雨量800mm以上的气候区使用；在冬季严寒区应用时必须要经过论证和室内实验检验。
3.4岩沥青的应用层位
对于3层沥青混凝土结构层组成的沥青路面，岩沥青优先在中面层使用；对于2层沥青混凝土组成的沥青路面，岩沥青优先在上面层使用。
3.5在路面结构设计或验算分析中，岩沥青改性混合料的路面结构设计参数应通过实际试验测定。
说明：
3.1本条说明了岩沥青应用于路面工程时总体上的适用条件，即重载交通、慢速交通、高温地区、多雨地区和现有路面工程变形类病害较多的情况。
3.2本条具体说明了适合使用岩沥青的交通荷载情况，其依据不仅考虑了西部项目的研究成果，也参考了国内外岩沥青工程应用的实际路用性能和经验，尤其是长期性能的使用情况，
3.3本条具体说明了岩沥青应用于路面工程时所适用的气候条件。
根据沥青路面使用性能气候分区，岩沥青适用的气候条件按以下情况考虑：
1）适合于最热月平均最高气温（高温分区指标）20℃以上的气候区，即夏炎热区和夏热区；2）多雨地区，如年降雨量800mm以上的气候区等。
根据PG分级的低温性能评价和低温弯曲小梁的试验结果发现，基质沥青加入岩沥青改性后，其低温抗裂性能指标略有下降。
根据目前研究成果，暂不推荐在极端最低气温－37℃以下的气候区使用，如冬严寒区。
国外岩沥青在寒冷地区有工程应用的成功经验（如北美岩沥青在挪威首都奥斯陆从上世纪70年代就开始应用）。
我国在河北张家口、承德和吉林也有应用，虽然并未有低温开裂的报道，但总的来说，我国在寒冷地区实际工程中应用岩沥青的经验还很少。
因此现阶段应用时必须谨慎。
3.4根据有关路面力学的分析计算数据和美国永久式沥青路面的研究成果，尤其是国内外发生车辙病害的大量工程调查表明，中面层所处位置是剪应力比较大的区域，需要路面材料具有更强的抗车辙性能。
3.5根据室内测得的试验数据，岩沥青混合料的刚度和强度要显著高于基质沥青混合料，与SBS改性沥青混合料的模量和强度也有所不同，因此在路面结构设计或验算分析应选用实际的设计参数，所以通过实际试验测定为宜。
3、材料
3.1岩沥青
3.1.1不同的天然岩沥青产品按下表要求控制质量。
表4.1-1岩沥青产品质量标准
项目岩沥青种类
新疆岩沥青山东岩沥青GilsoniteBRA
颜色黑色黑色黑色棕黑色
砂、泥土等杂质含量（％）小于2％
含水量（％）小于1％
灰分（％）小于2％小于10％小于2％实测
三氯乙烯溶解度（％）大于98％大于85％大于97％实测
密度（g/cm3）>1.000
沥青四组分实测
岩沥青成分波动性要求：
不同批次样品灰分含量差小于2％
3.1.2规格与粒径
对于以“干法”工艺使用的天然岩沥青，其规格组成应符合表4.1-2要求；对于以“湿法”工艺使用的天然岩沥青，其规格组成应符合表4.1-3要求；
表4.1-2“干法”工艺使用的岩沥青产品规格要求
4.75mm通过率100％
2.36mm通过率90~100%
0.6mm通过率10％～30％
表4.1-2“湿法”工艺使用的岩沥青产品规格要求
9.5mm通过率100％
2.36mm通过率20~50%
0.6mm通过率5％～20％
3.1.3包装
岩沥青产品包装必须防水。
对于干法施工，袋装可采用低密度聚乙烯塑料包装袋；包装净质量应考虑施工使用的便利性。
3.2岩沥青改性沥青技术要求
基质沥青掺加岩沥青改性后，可满足针入度分级的技术要求或性能分级（PG）的技术要求。
3.2.1针入度分级技术要求
岩沥青改性沥青的针入度分级技术要求见下表。
表4.2-1岩沥青改性沥青针入度分级技术要求
指标单位类别试验
方法
N-AN-BN-CN-D
针入度25℃,100g,5sDmm80-10060-8040-6025-45T0604
针入度指数PI不小于-1.4-1.2-1.0-0.8T0604
软化点TR&B不小于℃44-5246-5450-5854-62T0606
运动粘度135℃,不大于Pas3T0625
T0619
蜡含量,不大于％3T0615
闪点不小于℃230230240240T0611
溶解度不小于％97T0607
贮存稳定性℃无明显沉淀、凝聚T0661
老化后
质量变化不大于％1.0T0610或
T0609
25℃针入度比不小于％50535660T0604
注：
[1]表中135℃运动粘度可采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）中的“沥青布氏旋转粘度试验方法（布洛克菲尔德粘度计法）”进行测定。
[2]贮存稳定性指标适用于工厂生产的成品岩沥青改性沥青。
现场制作的改性沥青对贮存稳定性指标可不作要求，但必须在制作后，保持不间断的搅拌或泵送循环，保证使用前没有明显的离析。
[3]蜡含量（蒸馏法）技术指标，要求不大于3.0，某些特殊情况允许到4.0。
[4]对矿物质含量较高的岩沥青，可分离矿物质后进行试验，或用混合料的试验结果进行判断分析。
[5]闪点的技术要求主要参照了欧盟的技术标准。
[6]当新疆岩沥青掺量在5%-10%时，其软化点提高一般大于5℃；当岩沥青掺量10％－15%，其软化点提高一般大于9℃
3.2.2性能分级技术要求
岩沥青改性沥青的性能（PG）分级技术要求见下表。
表4.2-2岩沥青改性沥青性能分级技术要求
沥青使用性能等级PG58PG64PG70PG76
-16-22-28-34-10-16-22-28-10-16-22-28-10-16-22
平均七天最高路面设计温度℃＜58＜64＜70＜76
最低路面设计温度℃>-16>-22>-28>-36>-10>-16>-22>-28>-10>-16>-22>-28>-10>-16>-22
原样沥青
闪点（COC,ASTMD92）,min℃230
粘度ASTM4402max,3Pa.s
试验温度，℃135
动态剪切，（TP5）,
G*/sinδ，min，1.0Kpa
试验温度@10rad/s℃58647076
RTFOT残留沥青（PP1T240）
质量损失，max％1.00
动态剪切，（TP5）
G*/sinδ，min，2.2Kpa
试验温度@10rad/s℃58647076
PAV残留沥青（PP1）
PAV老化温度℃100100100（110）100（110）
动态剪切，（TP5）
G*sinδ，max，5000kpa
试验温度@10rad/s℃252219163128252234312825373431
蠕变劲度，（TP1）
S，max，300MPa
m值，min，0.30
试验温度@60s℃-6-12-18-240-6-12-180-6-12-180-6-12
直接拉伸，（TP3）
破坏应变，min，1.0％
试验温度@1.0mm/min℃-6-12-18-240-6-12-180-6-12-180-6-12
注:
①由于篇幅限制，PG52等级的技术要求未列入上表。
②路面温度由大气温度按LTPPBind程序中的方法计算，也可由业主提供。
③PAV老化温度为模拟气候条件温度，从90℃、100℃、110℃中选择一个温度，高于PG64时为100℃，在沙漠条件下为110℃。
④如果蠕变劲度小于300MPa，直接拉伸试验可不要求，如果蠕变劲度在300MPa～600MPa之间，直接拉伸试验的破坏应变要求可代替蠕变劲度的要求，m值在两种情况下都应满足。
⑤在确定沥青的PG等级时，要充分考虑气候条件及交通条件（交通量及车速、车辆停驻时间），有时需要提高一个或两个PG高温等级选择沥青的标号。
3.2.3基质沥青
对于高速公路和一级公路，基质沥青应符合现行规范（JTGF40—2004）的技术要求。
对于其他等级的公路，基质沥青不作特别的规定，但掺加岩沥青改性后的技术性能应满足本指南的要求。
3.3粗集料
粗集料应符合现行技术规范的要求。
3.4细集料
细集料应符合现行技术规范的要求，对于高速公路和一级公路，细集料应采用机制砂，且其中亚甲蓝值的技术标准为不大于1.5kg/g。
3.5填料
填料应干燥、洁净，符合现行技术规范要求，储藏时禁止受潮。
对高速、一级公路，拌和机回收的粉料禁止使用。
在粗集料粘附性不符合要求时，可考虑添加抗剥落剂，通常添加消石灰，消石灰的添加量占矿粉量的40％以下。
说明：
4.1由于岩沥青是一种天然产品，其品质不同应用的技术方案也不同，但其质量要求必须稳定。
因为岩沥青质量稳定性直接影响改性沥青混合料性能的稳定性，而且对施工方法和技术方案确定也有影响。
岩沥青的稳定性包括原材料成分、性质和加工质量稳定性等，在施工质量管理中应予以关注和控制。
施工方式不同对岩沥青加工规格的要求也不同。
对于直接以添加剂方式投入到拌合锅使用的天然岩沥青，如果加工岩沥青的颗粒较细，则在使用时容易造成粉末飞扬；如果岩沥青产品的颗粒较粗，则易导致拌合分散困难，改性效果下降。
对“湿法”工艺使用的天然岩沥青，则加工颗粒不宜太细，否则易导致岩沥青粉末浮于基质沥青表面，导致混合效率变差，岩沥青熔融变慢。
对包装、包装质量的规定的考虑是便于施工。
下图为万开高速试验路中的天然岩沥青。
图4.1-a袋装岩沥青
4.2根据西部项目研究成果，结合国内外沥青的有关技术标准，对基质沥青掺加岩沥青改性后的技术性能，分别提出针入度分级和性能分级两个技术标准。
我国现行技术规范对沥青主要采用针入度分级的评价体系。
根据有关研究结果，并参考借鉴了欧洲CEN沥青标准、热塑性树脂类聚合物改性沥青的标准，对岩沥青改性沥青提出了基于针入度分级的技术要求。
美国SHRP的研究成果SUPERPAVE提出了路用性能分级（PG分级）的沥青结合料规范，在美国得到了普遍的推广使用。
根据西部项目研究中的试验数据，对岩沥青改性沥青也提出PG分级技术要求。
PG分级设计最高温度为7天最高平均路面温度，设计最低温度为年极端最低温度。
当新疆岩沥青掺量在5%-10%时，PG高温一般增加1～2个等级，低温等级不降低；当岩沥青掺量10％－15%，PG高温一般增加2个等级，低温降低1个等级。
工程试验表明，对基质沥青提出过多的限制性要求，会限制了改性沥青性能的优化并增加成本，并不一定有利。
因此本指南对基质沥青的选择不作特殊技术要求，但要求基质沥青质量要稳定。
为了取得较好的改性效果，应对基质沥青的四组分进行测定分析，从而优选基质沥青和确定适宜掺量，这一部分虽然技术实施上复杂一些，但对提高方案的技术经济性非常有帮助。
4.4对现行技术规范中细集料亚甲蓝值的技术指标进行了修改，调整为1.5kg/g。
4、施工机械设备
5.1当岩沥青使用“干法”施工工艺时，间歇式沥青混合料拌和机应配备两个带独立称量装置的矿粉仓，或配备自动控制的螺旋推进系统控制岩沥青的自动添加，尤其是大规模施工条件下；当不具备上述条件或小规模施工，或断续使用岩沥青改性混合料时，可考虑在拌和锅设投料口，此情况下应安装响铃装置和监控设备。
5.2当岩沥青使用“湿法”工艺时，需配备具有较高加热效率、实时测量温度的搅拌沥青罐（立式），该设备制备有搅拌叶片，用于岩沥青与基质沥青混合；也可使用加工SBS改性沥青的高速剪切设备，即高速剪切机或胶体磨。
对低等级公路，可利用沥青加热池等简易加热装置通过人工搅拌掺加岩沥青。
5.3对高速、一级公路，宜配备5台用于沥青路面施工的压路机，其中钢轮振动式压路机、胶轮压路机不少于2台。
对于低等级公路，则优先配备钢轮振动式压路机或钢轮压路机。
其他施工设备应符合现行技术规范的要求。
说明：
本条说明了沥青路面工程中使用岩沥青时，“干法”工艺和“湿法”工艺对施工设备的要求，从而保证岩沥青改性混合料施工质量的稳定性。
5、试验检测仪器
按现行规范配备性能良好、精度符合规定的试验检测仪器，包括测试岩沥青灰分含量的高温炉。
对岩沥青改性混合料的沥青含量试验，宜优先使用燃烧法测定；当对沥青混合料的抗车辙性能有较高要求时，现场应配置车辙成型仪和车辙试验机，从而进行车辙试验检测动稳定度。
说明：
对工程上确定使用的某种天然岩沥青产品，其品质也可能随开采位置等不同而发生一定程度的变化，应在工程中进行监测，灰分是一个较好的指标。
根据实际试验数据，岩沥青改性混合料沥青含量测定采用高温燃烧法较好，试验结果稳定可靠，且比较环保。
6、配合比设计
6.1岩沥青改性掺加量
1）初步确定岩沥青掺量
岩沥青掺量的初步选择考虑以下几个因素：
①岩沥青的品种、矿物质含量和组分组成；②已有工程使用技术经验，特别是本地区应用岩沥青效果较好的工程典型案例；③根据工程项目的气候和交通设计条件进行适当的调整；④使用层位、费用成本等因素。
无工程应用经验时按下表推荐使用，并结合项目情况、岩沥青材料测试情况进行适当调整。
表7.1-1推荐的天然岩沥青改性掺加量
岩沥青种类掺加量范围典型掺加量备注
Gilsonite5～10％8％以沥青用量为基数
BRA3～5％4％以沥青混合料用量为基数
新疆岩沥青5～15％8％以沥青用量为基数
山东岩沥青5～20％10％
升级会员 