负载性能改善的能够降低反射裂纹的路面夹层及夹层的设计方法

专利名称：负载性能改善的能够降低反射裂纹的路面夹层及夹层的设计方法
技术领域：
本发明涉及置于断裂路面(cracked pavement)上的夹层(interlayer)。更具体地说，这种夹层包括聚集体(aggregate)和优选是聚合物改性沥青(polymermodified asphalt)的混合物，用于延迟或减少裂纹的发生、控制裂纹的严重程度、减少覆层(overlay)厚度和提高防水性能。
背景技术：
当路面损坏时，可以用热沥青混合物(HMA)铺覆路面以将其修复。当设计覆层时，必须考虑裂纹通过覆层的传播速率、反射裂纹的破坏速率和水通过裂纹的渗入量。使用这样的HMA覆层的一个缺点是旧路面中的裂纹通过新覆层反射。为了减少这种反射裂纹，通常铺置较厚的覆层。使用这样的HMA覆层的另一个缺点是它们是渗透性的，使得水可以进入路基。使用这些覆层的第三个缺点是，一般来说，它们的应变耐性低，抗反射裂纹的性能低。
用于修复受损路面的其他反射裂纹控制方法包括铺置吸收应力的膜夹层(SAMI)、铺置HMA前放置格栅(grids)或织物(fabrics)作为夹层、将路面破碎后修理、将路面毛石化(rubblization)和重铺(reconstruction)。使用这些方法的一个缺点是费用高。另一个缺点是如果铺置的表面不重铺，则修完后很快就会出现裂纹问题。
如上所述，使用一般HMA覆层的缺点是它们抗反射裂纹的性能低。用4点弯曲梁测试仪(4-point binding beam apparatus)在10℃下以2000微应变的应变幅度和10Hz的频率测试时，一般公路HMA表面混合物的疲劳寿命只有2000-10000周。因此，为了阻止反射裂纹，引入了抗疲劳夹层。在同样测试条件下这些夹层的疲劳寿命大于200,000周。但是，为了得到这样的疲劳寿命和防止反射裂纹在路面中的发展，这些夹层要牺牲一定程度的负载性能(load bearing capacity)，负载性能用Hveem稳定仪测试，其Hveem稳定性一般约为18-21。
它们高度一致性的结果是，这些夹层的缺点是它们的负载性能差，在负荷下呈现出缺乏尺寸稳定性的趋势。为了弥补其差的稳定性，将这些夹层铺置在路面结构顶层的下面，使它们不直接面对交通负荷(traffic loads)。较厚的顶层有助于改善总结构的稳定性，但是很昂贵。另外，路面结构的顶层不能完全弥补夹层差的负载性能。
为了克服这些缺点，目前需要一种能够减缓反射裂纹、抗车辙(rutting)和保护路面结构的改善的夹层。另外，该夹层应当易于使用且能够提供光滑的骑乘表面(riding surface)。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于受损路面(distressed pavement)的基本不渗水的夹层，以保护受损路面不受水分的影响。
本发明的另一个目的是提供一种减慢路面受损的方法，使其能够达到最终的设计寿命，以延迟这些路面的重修。
本发明包括一种高应变耐性、基本不渗水、能够降低热混合反射裂纹的夹层。该夹层包括与主要由人工砂制成的致密微细聚集体混合物混合的聚合物改性的沥青粘结剂。用疲劳试验和稳定性试验设计夹层混合物。优选的是，将与夹层及当地交通需求相适应的HMA覆层铺置在夹层上，以提供受到保护的光滑铺路表面。本发明的夹层与传统热混合覆层相比，可以将裂纹的第一次出现时间延迟几年，且可以降低裂纹严重性。
本发明的其他目的、优点和新特征记载在下面的说明书中，对于本领域普通技术人员来说阅读了下面的说明书后，其中的一部分会更为清楚，也可以从本发明的实施中看到这些目的、优点和特征。


下面的附图构成说明书的一部分，并且应当结合这些附图阅读说明书。
图1是示出Hveem稳定性结果的条形图；图2是示出疲劳性能的条形图；和图3是示出渗透性的条形图。
具体实施例方式
本发明的夹层铺置在受损的铺路表面上。夹层能够延迟裂纹通道该夹层的反射。出现的那些裂纹的交错(raveling)和进一步受损也受到延迟。夹层由热混合沥青制成，用标准设备将其混合、运输、铺置和压实。本发明包括通过测试夹层混合物的性能来设计用于夹层的混合物。对夹层混合物的设计是在本发明的工艺中交互实现的反复选择聚集体和沥青粘结剂，直到产生所需性能的夹层。
本发明的夹层具有很高的应变耐性且基本不渗水。优选的是，在夹层上覆盖设计为对其起补充作用且提供其它所需的抗裂纹性能的规定厚度(specified lift)的热混合沥青(HMA)。最优选的是，这种HMA覆层与夹层及当地交通需求相适应。另外，本发明的夹层能够保护下面的路面不受穿过可能在HMA覆层中形成的裂纹的水份的影响。
夹层是聚合物改性的沥青粘结剂和聚集体的混合物。选择下述粘结剂制成夹层。基于铺置夹层的地方的气候，选择聚合物改性的沥青粘结剂。以98％可靠性和0mm的深度用LTPPBindTM软件(2.1版)，适当选择用于所需气候的粘结剂。将气候分为三类北方(I类)、中部(II类)和南方(III类)。也可以用LTPPBindTM软件适当选择测试混合物疲劳寿命的测试温度，这将在下面讨论。
优选根据AASHTO MP-A的说明书将粘结剂分级，更优选参考性能分级(PG)法进行分级。从工作性方面考虑，粘结剂在135℃下的布氏(Brookfield)粘度应当低于约4500cPs。粘结剂的粘度优选低于约3500cPs，最优选低于约3000cPs。
必须规定夹层抗车辙的最小剪切模量，这可以通过规定高温PG等级的最小值来完成。高温PG等级的最小值取决于夹层将铺置的地方的气候或该国家的哪一个地区。下面的表1给出了高温PG等级的选择指南。
为了免受在低温下夹层混合物收缩产生的单一事件(single event)热裂纹的潜在影响，还必须规定低温PG等级的最小值。最低要求也示于表1。
在温度为4℃、应变率为5cm/min的条件下在Rolling Thin FilmOven(RTFO)上对老化粘结剂进行延展性(ductility)试验，以此对夹层粘结剂减轻应力的性能进行定量表征。在延展性试验期间，优选用测力传感器(forcetransducer)测试压力。粘结剂必须保持至少约1磅的力下而不断裂，同时还要满足表1所示的最低要求。如果粘结剂在满足这些延展性要求之前断裂，或者不能满足这些延展性要求，则应当选择不同的粘结剂。
优选的是，从表1中选择最好的适用于该气候的夹层粘结剂表1

表1(续)

注A在RTFO残余物上粘结剂复合剪切模量除以相角正弦值(G*/sinδ)为2.2Kpa或更大时的最低温度；B在RTFO残余物上粘结剂G*/sinδ为2.2Kpa或更大时的最低温度，更优选；C在RTFO残余物上粘结剂G*/sinδ为2.2Kpa或更大时的最低温度，最优选；D60秒时在Pressure Aging Vessel(PAV)(使用Bending BeamRheometer(BBR)的AASHTO MP-1，测试时的温度比实际PG等级高10℃)残余物上粘结剂蠕变刚度(S)为300MPa或更低时的最高温度；E60秒时在PAV残余物上粘结剂(S)为300MPa或更低时的最高温度，更优选；F60秒时在PAV残余物上粘结剂(S)为300MPa或更低时的最高温度，最优选；G在RTFO残余物上最小的4℃延展性；5cm/min的应变率，直边模具(ASTM D113-99)；H在RTFO残余物上最小的4℃延展性；5cm/min的应变率，直边模具(ASTM D113-99)，更优选；I在RTFO残余物上最小的4℃延展性；5cm/min的应变率，直边模具(ASTM D113-99)，最优选。
表1中所有的测试值均为近似值。
需要能够满足低温PG要求的适当的沥青基。优选的是，根据需要用聚合物对其改性，以达到表1中所示的高温PG最小值和延展性的要求。优选的是，聚合物和沥青的加热储存时是稳定的，不会分离。对于选择的特定的粘结剂类型(I、II或III)，得到的粘结剂应当具有表1所示的最低性能。
用于生产本发明夹层的粘结剂应当具有低温下的高延展性和高温下的高剪切强度，同时还要保持足够低的粘度以用于有效混合和压实。通过选择具有这些性能的粘结剂，可以设计的夹层能够同时承受下面路面层垂直和水平偏斜造成的高应变和交通造成的高剪切应力。
在设计本发明的夹层时，得到有关现有路面及其交通程度的信息。利用这些信息，按表2所示选择聚集体表2-分级


表2中所示的百分数都是近似值。
将聚集体混合，以满足上述分级(gradations)。进行上述筛分(sievebreakdowns)后可以使用诸如Sieve Analysis of Fine and Course Aggregates(AASHTO T27)的方法测定其级别。
为了提高生产的夹层的负载性能又不牺牲疲劳性能和延迟反射裂纹的性能，聚集体混合物中的天然砂含量不应当大于15％。相反，聚集体混合物应当主要由人工砂(manufactured sand)制成。人工砂包括加工材料。以任何方式切割、粉碎或减小其粒度的任何加工材料都认为是人工砂。未经加工的材料归类为天然砂。因为其生产方法的原因，人工砂含有比天然砂更有角度的表面，因此更需要圆整。利用重力通过将砂自然压实测试的人工砂的角度一般是未压实孔隙(voids)的至少约38％。优选根据ASHTO T-304测定角度。人工砂的角度优选至少约为40％。人工砂的角度最优选至少约为42％。
在生产本发明的夹层时，聚集体混合物应当具有约0-15wt％的天然砂。聚集体混合物优选具有约0-10wt％的天然砂。聚集体混合物最优选具有约0-5wt％的天然砂。
根据稳定性试验，更具体地说是用Hveem稳定仪进行的测试，人工砂的角度为邻近的聚集体颗粒之间提供了很大程度的联锁(interlocking)，使夹层混合物的尺寸稳定性得到了令人意想不到的极大提高。
还需要进行试验，以测试聚集体中包括的微尘或粘土状材料的相对比例。优选采用利用砂当量试验的用于测试等级聚集体和土壤中塑料微粒的标准方法(AASHTO T 176)。优选的是，所有聚集体的混合物都应当满足45％这一最小值。
如果人工聚集体不能通过上述试验，则必须重新选择。如果人工聚集体通过了这些试验，则进行聚集体和粘结剂的混合物试验。将混合物进行短期调节和长期调节，以模拟修路过程中的预压实相和路面有效寿命期间发生的老化。
测定未压实混合物的理论最大比重(Gmm)。优选使用用于测试沥青铺路混合物的理论最大比重和密度的标准方法(AASHTO T 209)，在25℃下在500g样品上进行试验。用Gmm测定气泡的百分率。
生产基于用气泡表示的HMA体积性能设计的混合物。根据AASHTOPP2-99第7.1部分的Volumetric Testing在压实温度下将松散的混合物老化约2小时。优选用100mm Superpave Volumetric回旋压实机(SGC)模具在50环转(gyration)下将2个样品压实。优选进行用于热混合沥青(HMA)的SuperpaveVolumetric Design用的标准试验(AASHTO PP28-99第8部分)。模具和混合物应当处于大约为压实温度下。
下面测定压实样品的毛体积比重(bulk specific gravity)。优选使用利用饱和表面干燥样品用于测试压实含沥青混合物的毛体积比重的标准方法(AASHTO T 166)进行测定。该试验应当在50环转下在多个样品上进行。样品的体积标准示于表3中。
表3-体积标准

表3中的测试值均为近似值。
将生产的夹层混合物进行稳定性试验。优选地是，通过测试利用Hveem稳定仪施加垂直载荷形成的横向压力测定压实混合物的抗变形能力。优选使用利用Hveem仪测试沥青混合物的抗变形和内聚力的标准方法(AASHTOT-246或ASTM D1560)。优选在约135℃下使混合物老化约2-4小时。最优选使用用于将热混合沥青混合物调节以测试其机械性能的标准方法(AASHTO PP2-99，第7.1部分)。应当满足下面表4所示的标准。Hveem稳定性为放置在负荷下的夹层混合物的稳定性提供了一个相对等级标准。
表4-Hveem性能标准

表4中的测试值均为近似值。
如果夹层混合物样品不能满足Hveem稳定性试验的最低标准，则必须重新选择聚集体或粘结剂。如果混合物通过Hveem试验，则可以使用该混合物。
在设计本发明的夹层时，测试夹层混合物的疲劳寿命。用夹层混合物生产疲劳样品。用线形捏合压实机(linear kneading compactor)将这些样品压成平板。优选在将平板切割成疲劳梁(faigue beams)之前平板都能够保持刚性。在这些梁上进行毛体积比重试验。梁中的气泡优选约为2.0％-4.0％，最优选约为3.0％。如果梁中的气泡低于约1％或大于约5.0％，则应当重新制梁。
在每一种气候下，用弹性弯曲法测定这些样品直至破坏(failure)的疲劳寿命。优选在2000微应变下使用对进行了重复挠性弯曲(Repeated FlexuralBending)的压实热混合沥青(HMA)测试疲劳寿命的标准测试方法(AASHTOTP8)。即使本发明夹层的稳定性接近公路的典型面层(surface course)值，制成的夹层也具有较高的疲劳寿命。该测试标准示于表5。
表5-挠性梁疲劳性能标准

表5中的测试值均为近似值。
如果现有的铺路表面结构不好或者严重受损，则在应用夹层之前需要对其修补(patch and repair)。然后通过任选地密封裂纹和扫除松散颗粒，准备用于接收夹层的铺路表面(paved surface)。
制备沥青/聚集体夹层混合物的一般温度示于表6。
表6


表6中所示的温度均为近似温度。
根据粘结剂的类型，粘结剂一般在约290-360°F下运输。在粘结剂为热的使，将其与聚集体混合。在将聚集体加入混合物之前，优选将其加热到约300-360°F。混合物至少包括约6wt％的粘结剂。优选包括约6.5-11wt％的粘结剂，最优选其包含约7-10wt％的粘结剂。用标准热混合物建筑设备运输夹层混合物并将其铺在铺路表面上。应用非常热的夹层。夹层的铺设厚度一般约为0.5-2.0英寸。优选约0.75-1.25英寸厚。最优选约1.0英寸厚。如果为保护夹层而选择适当厚度的覆层，则没有必要为交通调节夹层厚度。原地夹层的密度应当约为最低比重的97％±3％。
如上所述将本发明的夹层优化，使其在延迟反射裂纹的同时能够支撑重负荷。其提供了高温稳定性和低温弹性。在设计本发明的混合物时，将粘结剂的高温剪切强度和低温延展性优化。通过上述的重复过程优化夹层的混合物设计。得到的夹层的渗透性可以忽略不计。
当本发明的夹层能够承受几天的交通时，不将其设计为磨损面。需要覆层提供磨损面，且应当将其设计为能够满足路面上预期的交通需求。在夹层冷却到低于表6定义的覆层温度后，或者将其冷却至少约4小时后，可以将覆层铺设在夹层上。最优选的是，覆层由聚合物改性的沥青制成，对于预定的气候、交通速度和交通量，具有约98％的可靠性。如表7所示，交通量表明最低覆层厚度的要求。
表7-覆层的要求

表7中列举的测试值均为近似值。
需要铺设至少约5mm厚的覆层，以保护夹层不受车辙影响。用本发明能够延迟裂纹，但是不能彻底防止裂纹。约4-8英寸的覆层纵向结点能够改善纵向抗裂纹性。
本发明的系统能够延迟反射裂纹第一次出现的时间。并且，其在将总反射裂纹时间延迟几年方面也是有效的。因为本发明的系统是不渗水的，所以能够使路面免遭水份破坏且能够延长路面的使用寿命。再进一步，还能够再循环。
本发明的系统设计为不仅能够用于结构好的路面，而且能够用于断裂的铺路表面。这样的表面包括但不限于波特兰水泥混凝土(PCC)路面、沥青混凝土复合路面和沥青路面。有接缝的路面应当具有状况相当好的暗销接头(doweled joints)，任何严重受损的区域都应当修补。
设计的使用本发明夹层的表面可以是车行道、十字路口、机场铺路区域如跑道(runways)或停车场。对于大交通量的公路或承受大负荷的区域特别有用。例如，机场跑道由于飞机起飞、着陆和滑行(taxiing)而承受特别大的负荷。但是，对于一般交通量的公路和承受平均负荷的区域也有用，因为可以使用较薄的覆层。
本发明的夹层比一般的热混合物产品的适应性更强。其具有增强的负载性能，从而能够更好地抗车辙，并且不用过多牺牲其减缓应力的性能，从而能够保持其延迟反射裂纹形成和严重性的能力。其能够在延迟反射裂纹的同时，具有足够高的尺寸稳定性以抵抗重负荷造成的车辙。
实施例1制备包括聚集体的HMA混合物，聚集体中包括30wt％的天然砂。混合物在60℃下的Hveem稳定度是20，在10℃、2000微应变和10Hz条件下在4点梁疲劳测试仪中其疲劳寿命(cycles to failure)是20000周。生产本发明的含聚集体的夹层混合物，聚集体中包括0％的天然砂。该夹层混合物在60℃下的Hveem稳定度是29.9，在10℃、2000微应变和10Hz条件下的疲劳寿命是122606周。本发明的夹层具有下述性能基于混合物总重量的沥青含量Pb＝8.5％；Gmm＝2.408；Gmb＝2.388；Gb＝1.025；Va＝0.8％；VMA＝18.6％；Gse＝2.753；吸收的沥青(Pba)＝1％。当本发明的夹层混合物铺设在机场时，与一般的夹层相比，其能够急剧提高尺寸稳定性的程度。本发明的夹层含有下述量的各种级别的聚集体表8-聚集体级别-单一物和混合物

实施例2制备本发明的另一种夹层混合物。其含有的聚集体中包括0％的天然砂。该混合物在60℃下的Hveem稳定性是30.5，在10℃、2000微应变和10Hz条件下的疲劳寿命是300016周。夹层具有下述性能基于混合物总重量的沥青含量Pb＝8.4％；Gmm＝2.426；Gmb＝2.392；Gb＝1.025；Va＝1.4％；VMA＝18.4％；Gse＝2.774；吸收的沥青(Pba)＝1.2％。当本发明的夹层混合物铺设在机场时，与上述一般的夹层相比，其能够急剧提高尺寸稳定性的程度。本发明的夹层含有下述量的各种级别的聚集体
表9-聚集体级别-单一物和混合物

图1示出本发明的夹层混合物(实施例1和2)的Hveem稳定性与传统HMA的类似。图2示出本发明的夹层混合物(实施例1和2)的疲劳性能大大优于传统HMA的疲劳性能。图3示出与传统HMA的渗透性及织物夹层的渗透性相比的本发明的夹层混合物(实施例1和2)的渗透性。本发明的夹层混合物优于传统HMA，本发明的混合物的一种设计比织物夹层优越得多。
从以上说明可以看出，本发明是为实现上述所有目的而进行的一种改进，其他优点对于本系统来说是明显和内在的。应当理解的是，某些特征和次组合(subcombination)是可用的，而不需要参考其他特征和次组合。这在本发明的保护范围内。因为在不背离本发明保护范围的情况下可以对本发明作出多种可能的实施方案，因此应当理解的是，本申请中给出的所有情况都应当解释为例示性的，不具有限定的意义。
权利要求
1.一种铺设在铺路表面上的夹层，其包括下述组分的混合物天然砂含量不超过约15wt％的聚集体；和沥青粘结剂，其中，所述夹层在60℃和50环转下的Hveem稳定性至少约为22，在2000微应变、10Hz、3.0±2.0％气泡、0-30℃的条件下挠性梁疲劳寿命至少约为50000周。
2.根据权利要求1的夹层，其中，所述的沥青粘结剂是聚合物改性的沥青粘结剂。
3.根据权利要求1的夹层，其中，所述的夹层在所述铺路表面上的厚度约为0.5-2英寸。
4.根据权利要求1的夹层，其中，所述的粘结剂是基于气候选择的。
5.根据权利要求1的夹层，其中，用于北方气候时，从类型I粘结剂中选择所述的粘结剂，用于中部气候时，从类型II粘结剂中选择所述的粘结剂，用于南方气候时，从类型III粘结剂中选择所述的粘结剂。
6.根据权利要求1的夹层，其中，所述的夹层基本上是不渗透性的。
7.根据权利要求1的夹层，其中，所述的聚集体包括不超过约10wt％的天然砂。
8.根据权利要求1的夹层，其中，所述的聚集体包括不超过约5wt％的天然砂。
9.一种在铺路表面上制备夹层的方法，其包括选择天然砂含量不超过约15wt％的聚集体；选择聚合物改性的沥青；将所述的粘结剂和所述的聚集体混合，形成夹层混合物；在所述夹层混合物上进行稳定性试验；和在所述夹层混合物上进行疲劳试验。
10.根据权利要求9的方法，其中，所述的稳定性试验是Hveem稳定性试验。
11.根据权利要求9的方法，其中，所述的疲劳试验是挠性梁疲劳试验。
12.根据权利要求9的方法，其还包括测定所述粘结剂的剪切模量和延展性。
13.根据权利要求9的方法，其还包括将所述的夹层混合物用于铺路表面。
14.根据权利要求9的方法，其中，所述的铺路表面是机场跑道。
全文摘要
本发明提供一种高应变耐性、基本不渗水、能够降低反射裂纹的夹层。该夹层包括与含大量人工砂的致密微细聚集体混合物混合的聚合物改性的沥青粘结剂。用疲劳试验和稳定性试验设计夹层混合物。优选的是，将与夹层、当地交通需求和气候相适应的热混合沥青覆层铺置在夹层上，以提供受到保护的光滑铺路表面。本发明的夹层与传统热混合覆层相比，能够将裂纹的第一次出现时间和裂纹的严重程度延迟几年且能够延长路面的使用寿命。
文档编号C08L95/00GK1580408SQ20041005562
公开日2005年2月16日 申请日期2004年7月30日 优先权日2003年7月31日
发明者菲利普·B·布兰肯希普, 理查德·K·斯蒂格, 理查德·W·梅 申请人:Kmc企业公司