“全国市政行业市政工程科学技术奖”获奖项目展示--布敦岩沥青在玉树地区的应用技术研究

    “布敦岩沥青在玉树地区的应用技术研究”项目于2011年1月立项,2013年9月完成,2013年9月通过了北京市政路桥集团有限公司组织的项目成果鉴定。该项目研究由北京市市政工程研究院、北京市政路桥集团有限公司等单位合作完成。该研究项目成果获2013年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖,其成果可广泛应用于各级公路、城市道路的沥青路面工程中,特别适用于高温、多雨、紫外、冰雪、冻融较严重以及渠化交通、重载交通严重的沥青路面,重点适用于长大纵坡、城市交叉口、公交专用道与港湾停车带、港口道路、矿山道路、机场停机坪等特殊路段。

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布敦岩沥青产品外观

 

    项目研究技术原理 

    岩沥青是古代石油的衍生物,由高黏度的纯沥青RA和高碱性的活性矿物质BR形成的微孔隙极其发达的“沥青-矿物”共混体。岩沥青改性技术主要采用 “相似相容的配伍性原理”、“岩沥青‘惰性’特质”、“材料等量替代”及“配合比优化设计” 的基本原理,通过RA对沥青四组分调和作用及BR的离子吸附、融合作用,以达到提高沥青黏度、与石料间的黏附性及抗剥落能力,从而提高沥青混合料的抗冻融作用、水稳定性、抗疲劳性能、高温稳定性,获得良好的路用性能。

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玉树地区岩沥青改性沥青混合料的拌合与运输

 

    从界面力学与连续力学角度分析了沥青路面开裂机理,从概率学角度建立了开裂曲线理论,并尝试建立了开裂概率计算模型,针对玉树高寒、高海拔、强紫外线、多雨雪、频繁冻融的气候特点研究了适用于玉树地区的沥青路面材料与结构。

    采用针入度等级和PG性能等级双评价体系研究了布敦岩沥青(BRA)改性沥青性能,并对布敦岩沥青改性沥青混合料的各项性能和路面长期性能进行了研究。

    关键技术及创新点

    该项目的关键技术及主要创新点如下。

    1)研究了布敦岩沥青(BRA)的改性机理,提出了“沥青-矿物”共混体概念。

    2)采用针入度等级和PG性能等级双评价体系研究了布敦岩沥青(BRA)改性沥青性能 ,对不适用的评价指标进行了修正,提出了拉伸柔量、模量比、高低温感温指标。

    3)研究了玉树地区沥青路面破坏型式与破坏机理,并提出了适用于玉树地区的布敦岩沥青(BRA)改性沥青混合料配合比与推荐掺量,并首次成功研究应用于高寒、高海拔、强紫外线的高原地区。

    4)提出了高寒、强紫外线、频繁冻融区用岩沥青改性沥青路面的施工工艺与碾压性能,并编制了《玉树地区岩沥青改性沥青路面施工技术指南》。

    5)从界面力学与连续力学角度定性分析了沥青路面裂缝产生的机理,提出了沥青路面的开裂行为由界面粘结力与变形协调共同影响,克服了现有低温性能评价理论只考虑变形的不足,并提出了从概率学角度来分析与建立沥青路面开裂曲线理论,并尝试性建立了开裂概率计算模型。

     6)研究了沥青在多因素藕合作用下的紫外老化过程,分析了沥青紫外老化机理,并定量研究了紫外老化前后不同沥青及沥青混合料的性能衰变差异。

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玉树地区道路岩沥青混合料摊铺施工现场

 

 

    与国内外同类技术的比较

    国外早在100多年前就尝试采用天然沥青来铺筑路面。岩沥青在国外的研究已较为成熟,最具代表性的是产于美国北部犹太州东部Uintah盆地UINTAITE的北美岩沥青(Gilsonite)。数十年来,美国对北美岩沥青的性能及工程应用进行了大量的研究,并提出了相关的技术规范及施工技术指南。北美岩沥青(Gilsonite)已被广泛应用于北美、澳大利亚、挪威、日本、中国等地的沥青道路工程中,体现出来良好的使用性能。

    布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt,简称BRA)原产印度尼西亚苏拉威西省(Sulawesi)东南部的布敦岛。在印尼,布敦岩沥青(BRA)已得到全面开发和应用,印尼总统府警卫站前路、万隆市Jalan Moh路、加里曼丹Pontianak Jalan Gajah Mada路和Kota Pontianak TVRI大厦路等工程均采用了布敦岩沥青来铺筑,路面使用性能良好。在雅加达的沥青混合料拌和厂及高速公路施工现场,布敦岩沥青(BRA)掺量高达沥青混合料总量的10%,大大提高了沥青路面高温条件下的抗重载交通能力,抵御了车辙变形,延长了路面使用寿命。印尼于2000年正式颁布实施了布敦岩沥青(BRA)应用于路面工程的产品国家标准。自布敦岩沥青(BRA)引入中国市场以来,在道路建设中已得到广泛应用。京张线110国道延庆段、河北邢临高速、湖北恩施市政道路、安徽合徐高速、吉林哈太高速等项目都使用了布敦岩沥青;2009年北京长安街道路大修工程大望桥至日坛路南北双侧辅路中面层均采用了5cm AC-16型BRA改性沥青混合料,路面表现出良好的使用性能。

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玉树公园西路铺筑一个冬季后的岩沥青路面局部状况

 

    鉴于岩沥青的优质路用性能,多年来国内许多学者对其进行了相关研究,并在岩沥青材料性能及岩沥青改性沥青混合料配合比设计方法等方面取得了诸多的成果。

    “布敦岩沥青在玉树地区的应用技术研究”项目侧重于研究解决玉树地区灾后沥青路面修筑的主要技术问题,例如:低温快速施工;强紫外线导致沥青老化;公路等级低下、路面破坏严重、路用性能差;冰雪冻融对沥青路面的侵蚀;生态资源保护;材料供应及设备、资金保障等。与国内外同类技术研究相比较,该项目研究具有以下特点。

    1)本项目首次在微观状态下描述了布敦岩沥青(BRA)的性状,提出了“沥青-矿物”共混体概念,并研究了其改性机理。

    2)本项目研究的布敦岩沥青(BRA)改性技术与同等性能的SBS等聚合物改性技术相比,布敦岩沥青(BRA)改性技术的造价低15%以上,同时岩沥青改性沥青混合料施工简便不需增加任何特殊设备,降低了成本,且可完全再生利用更为环保,适应了社会发展对低碳环保的基本诉求。

    3)采用针入度等级和PG性能等级双评价体系研究了布敦岩沥青(BRA)改性沥青性能,对不适用的评价指标进行了修正,提出了拉伸柔量、模量比、高低温感温指标。

    4)研究了沥青在多因素耦合作用下的紫外老化过程,定量对比研究了掺加布敦岩沥青(BRA)前后沥青及其沥青混合料的性能衰变规律,特别是低温开裂性能的衰变差异,分析了沥青的紫外老化机理。

    5)充分调查研究了青海玉树地区的现场条件,在总结国内外研究成果的基础上,根据区域特点进行了岩沥青改性沥青混合料的高低温稳定性、水稳定性、疲劳性能、抗紫外老化性能的研究,研究了玉树地区沥青路面破坏型式与破坏机理,并提出了适用于玉树地区的布敦岩沥青(BRA)改性沥青混合料配合比与推荐掺量,并首次成功在高寒、强紫外线、频繁冻融地区铺筑试验路,提出了施工工艺,并编制了《玉树地区岩沥青改性沥青路面施工技术指南》。

    6)从界面力学与连续力学角度定性分析了沥青路面裂缝产生的机理,提出了沥青路面的开裂行为由界面黏结力与变形协调共同影响,克服了现有低温性能评价理论只考虑变形的不足,并提出了从概率学角度来分析与建立沥青路面开裂曲线理论,并尝试性建立了开裂概率计算模型。

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玉树公园西路铺筑一个冬季后的岩沥青路面状况

 

    项目应用成果与效益

    2011年至2012年,在北京对口支援青海玉树地震灾区重建工程实施过程中,该项目研究成果---布敦岩沥青(BRA)改性技术在青海玉树地区红旗路、南环路、公园西路、扎西科滩路和政府街工程中得到了成功应用。除青海玉树地区外,自2001年以来,布敦岩沥青(BRA)改性技术在北京、上海、天津、河北、广东、安徽、浙江、湖北、贵州、四川、山西、吉林、新疆、西藏等诸多地区也得到了大规模的工程推广应用。目前,岩沥青改性沥青路面建设总里程达到200km以上,布敦岩沥青(BRA)总用量超过1万吨。

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玉树红旗路铺筑二个冬季后的岩沥青路面状况

 

    经济效益  2012年、2013年布敦岩沥青改性沥青混合料使用面积达50万平方米,约使用岩沥青改性沥青混合料25万吨,按性能相当的岩沥青改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料便宜50元/t来计算,节省投资费用达1250万元。

    社会效益  世界著名的“三江源”自然保护区位于玉树州境内,在道路修筑过程中,必须要考虑材料与施工对环境带来的影响,选择无污染、可再生利用、施工简便的路面材料至关重要。布敦岩沥青(BRA)技术绿色环保、可再生利用,施工简便,使用天然岩沥青改性沥青混合料铺筑道路为保护玉树地区生态环境做出了巨大贡献。

    该项目提出的布敦岩沥青(BRA)改性技术材料与结构设计型式、编制的《玉树地区沥青路面施工技术指南》等技术成果,对于西部高原地区,尤其是青海玉树地区的沥青路面建设具有重要学术意义和直接的工程应用价值,可显著提高高原地区路面整体使用性能,降低工程投资。 该项目成果的全面产业化研究和推广应用,也有利于改善我国沥青路面整体路用性能,减少早期破坏现象,可在保障国家基础设施安全、提高道路交通公共服务能力、促进我国道路交通建设环境良性发展等方面产生良好的社会经济效益。

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玉树红旗路铺筑二个冬季后的岩沥青路面局部状况

 

    目前,岩沥青技术的产业化建设正在持续推进中。为推动岩沥青技术的深入推广应用,《沥青混合料改性添加剂:第5部分 天然沥青》(交通运输部行业标准)和《岩沥青改性沥青路面施工技术标准》(北京市地方标准)已经发布,以为相关路面工程设计、施工、检测、管理工作提供强有力的技术支撑。

( 北京市市政工程研究院 供稿)

注:本文刊载于《市政技术》2015年第3期,第1、2、3页。