SMA瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

曾星梅

(廣東冠粵路橋有限公司)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速。雖然我國公路建設(shè)取得了令人注目的成就,但公路質(zhì)量的通病仍未根除,特別是有不少高速公路的瀝青路面使用不久就出現(xiàn)了損壞,如瀝青路面的裂縫、車轍和水損害等。為了滿足日益增長的交通量,車輛大型化及重載超載交通對(duì)路面的越來越高要求,如何提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性、抗滑性及抗?jié)B性等使用性能己經(jīng)成為廣大道路工作者的重要研究對(duì)象。而對(duì)于這些性能而言,混合料的配合比和瀝青的性能是兩個(gè)重要的方面。傳統(tǒng)的瀝青混凝土混合料(AC)的組成中,瀝青砂漿已經(jīng)把粗集料撐開,粗集料上是懸浮在瀝青砂漿中,彼此互相并未緊密接觸,因此交通荷載主要是由瀝青砂漿承受著,AC抵抗荷載變形的能力很大程度上受到礦料級(jí)配、礦料間隙率(VMA)、空隙率以及瀝青砂漿的比例的影響。在高溫條件下,瀝青砂漿的粘度變小,承受變形的能力急劇降低,很容易產(chǎn)生永久變形,造成車轍、推擁等;和以前我國常用的瀝青碎石混合料(AM)相比,AM同樣有相當(dāng)多的粗集料,也有良好的石料嵌擠作用,但使用瀝青太少(因?yàn)榈V粉很少,瀝青想加也加不進(jìn)去),空隙率太大,瀝青與集料的粘結(jié)性不足,集料之間充滿了水分,水分對(duì)混合料的浸蝕使瀝青與集料脫開,造成剝落,很容易造成雨季及春融季節(jié)的大面積破壞,而且低溫抗裂性也不好;我國規(guī)范提出的抗滑表層級(jí)配(AK)實(shí)際上也存在同樣的缺點(diǎn),抗滑與耐久性的矛盾不好解決。而 SMA的應(yīng)用,為解決這些矛盾,提供了一個(gè)非常有效的途徑。

1 SMA的強(qiáng)度形成機(jī)理

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)最基本的組成是粗集料骨架和瀝青瑪蹄脂兩大部分,是由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量的細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂來填充間斷級(jí)配的粗集料骨架的間隙,屬于骨架密實(shí)型的瀝青混合料結(jié)構(gòu)。

在SMA的組成中,粗集料骨架占到 70%以上,混合料中粗集料相互之問的接觸面(或支撐點(diǎn))很多,細(xì)集料很少,瑪蹄脂部分僅僅填充了粗集料之間的孔隙。路面的交通荷載主要由粗集料骨架承受,由于粗集料顆粒之間有互相良好的嵌擠作用,瀝青混合料能產(chǎn)生非常好的抵抗荷載變形的能力,即使在高溫條件下,瀝青瑪蹄脂的粘度下降了,但由于SMA結(jié)構(gòu)中細(xì)集料很少,瑪蹄脂部分僅僅填充了粗集料之間的孔隙,這種結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗高溫的能力比一般的瀝青混合料強(qiáng),因而具有較強(qiáng)的高溫抗車轍能力。同樣的在低溫條件下,提高抗裂性能的機(jī)理主要依靠結(jié)合料的拉伸性能,由于 SMA結(jié)構(gòu)中瑪蹄脂部分對(duì)溫度的影響引起的變化較其他結(jié)構(gòu)的瀝青路面少,因而也具有較強(qiáng)的低溫抗開裂性能。SMA瀝青混合料還通過依靠防止水的侵蝕,提高瀝青混合集料的粘結(jié)性,有效的提高了混合料的水穩(wěn)性的機(jī)能。延長路面壽命需要瀝青混合料有良好的耐久性。SMA的混合料內(nèi)部被瀝青瑪蹄脂充分填充,瀝青膜較厚,混合料的空隙率很小,瀝青與空氣的接觸少,因而SMA的耐老化性能比一般的瀝青混合料好。

2 SMA瀝青混合料路用性能分析

SMA瀝青混合料通常用于鋪筑路面的面層,它直接受車輛作用和大氣因素的影響,同時(shí)瀝青材料的物理、力學(xué)性質(zhì)受氣候因素與時(shí)間因素影響較大。因此,為了能使路面給車輛提供安全高速舒適等服務(wù)性能,必須要求組成瀝青路面的瀝青混合料具有以下的路用性能。

(1)高溫穩(wěn)定性:《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036-98)明確規(guī)定,對(duì)于高速公路瀝青路面的上面層和中面層的瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在溫度 60℃、輪壓 0.7MPa驗(yàn)對(duì)抗車轍能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2)低溫抗裂性:按各表面層瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果配制瀝的各改性瀝青混合料進(jìn)行了低溫彎曲破壞試驗(yàn),試驗(yàn)條件為溫度 -10℃,加載速率 50mm/min。

(3)水穩(wěn)定性:在《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036-98)對(duì)于改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提出了明確的要求。對(duì)于改性瀝青混合料,其水穩(wěn)定性應(yīng)同時(shí)滿足浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)的劈裂強(qiáng)度比均不小于80%的要求。

(4)防滲能力。

當(dāng)瀝青路面防滲能力較差時(shí),不僅影響瀝青路面本身的穩(wěn)定性,而且還影響到基層的穩(wěn)定性。因此,瀝青路面必須具有較高的抗?jié)B能力,在潮濕多雨地區(qū)尤為重要。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某高速公路主線以瀝青混凝土路面為主,其路面結(jié)構(gòu)(見圖 1)為:主線路基段 4 cm厚 SMA-16上面層 +5 cm厚AC-20I中面層 +6 cm厚 AC-25I下面層 +1 cm厚下封層+40 cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層 +20 cm水泥穩(wěn)定石屑底基層;橋面鋪裝部分沒有下面層,中面層與上面層與路基段相同。而沿線的石場調(diào)查顯示,石料基本是花崗巖,限于工期和造價(jià)的制約,材料設(shè)計(jì)只能采用花崗巖,這無疑為設(shè)計(jì)高性能的瀝青混合料增加相當(dāng)大的難度。

圖 1 瀝青路面層狀結(jié)構(gòu)

3.2 施工工藝

(1)施工溫度

由于改性瀝青的粘度的增大,保證較高的施工溫度成了施工的最重要的技術(shù)關(guān)鍵。如果溫度不夠,混合料不可能拌和均勻,攤鋪平整度無法保證,碾壓不可能達(dá)到壓實(shí)度,施工質(zhì)量就根本無法保證。適宜的施工溫度應(yīng)由瀝青結(jié)合料的粘度—溫度曲線決定。以粘度為 0.17±0.02Pa?s(170±20mm2/s)溫度作為拌和溫度,以 0.28±0.03Pa? s(280±30mm2/s)的溫度作為壓實(shí)溫度。當(dāng)采用塞波特粘度計(jì)測定時(shí),以粘度為 85±10 s的溫度作為拌和溫度,以粘度為140±15 s的溫度為壓實(shí)溫度。

(2)拌和

生產(chǎn) SMA應(yīng)采用間隙式瀝青拌和機(jī)拌和,且必須配備有材料配比和施工溫度的自動(dòng)檢測和記錄設(shè)備,逐盤打印作為施工質(zhì)量檢測的依據(jù)。當(dāng)采用現(xiàn)場制作的改性瀝青時(shí),拌和廠的瀝青貯罐與拌和機(jī)之間必須有足夠的空曠的場地。基質(zhì)瀝青的導(dǎo)熱油加熱爐應(yīng)具有足夠的功率,拌和廠的電力供應(yīng)能滿足改性設(shè)備需要。

拌和機(jī)必須配備有纖維穩(wěn)定劑投料裝置,不具有投料裝置的可在原有基礎(chǔ)上改造后實(shí)現(xiàn)。根據(jù)纖維的品種和形狀不同,可采用廠家指定的方式添加,但均應(yīng)能在拌和過程中充分分散,且與瀝青混合料拌和均勻。

(3)運(yùn)輸與攤鋪

①SMA混合料比較粘,為了防止瀝青與車廂板粘結(jié),運(yùn)輸車廂側(cè)板和底板、可涂薄層隔離劑或防粘結(jié)劑,如油水混合液(柴油與水比例為 1∶3),攤鋪機(jī)的受料斗也應(yīng)涂薄層隔離劑或防粘結(jié)劑,但不得有余液。

②運(yùn)料車在運(yùn)輸過程中應(yīng)加蓋苫布,以防運(yùn)料車表面混合料結(jié)成硬殼,運(yùn)料車到達(dá)現(xiàn)場后,應(yīng)嚴(yán)格檢查 SMA混合料的溫度,不得低于攤鋪溫度的要求。

③SMA混合料在運(yùn)輸過程中如發(fā)現(xiàn)有瀝青結(jié)合料沿車廂板滴漏時(shí),應(yīng)采取措施予以避免。

④SMA混合料可壓實(shí)余地很小,松鋪系數(shù)要比普通混合料小得多,應(yīng)通過試鋪試壓確定。

(4)碾壓

SMA混合料內(nèi)部含有大量瀝青馬蹄脂膠漿,粘度大,溫度低時(shí)很難壓實(shí),因而確保攤鋪碾壓溫度尤為重要。SMA不宜使用輪胎壓路機(jī)碾壓,以防將瀝青結(jié)合料搓揉擠壓上浮。宜采用振動(dòng)壓路機(jī)或鋼筒式壓路機(jī)碾壓。振動(dòng)壓路機(jī)遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則,即緊跟在攤鋪機(jī)后面,采取高頻率、低振幅的方式慢速碾壓。在碾壓過程中,要求必須特別注意表面構(gòu)造深度,以便有適宜的構(gòu)造深度;在SMA路面碾壓成型過程中,路面可能會(huì)出現(xiàn)油斑,當(dāng)油斑直徑大于 5 cm時(shí),應(yīng)及時(shí)在油斑區(qū)域撒機(jī)制砂。

(5)接縫

SMA混合料的鋪筑應(yīng)避免產(chǎn)生縱向冷接縫,橫向施工縫應(yīng)采用平接縫。對(duì)無法避免而產(chǎn)生的縱向冷接縫,以及橫向施工縫,若使用改性瀝青切縫困難時(shí),可用鎬在混合料未完全冷卻時(shí)刨除端部作接縫。當(dāng)采用切縫方式時(shí),應(yīng)在混合料尚未完全冷卻結(jié)硬之前進(jìn)行,切縫后必須用水將接縫處沖洗干凈,干燥后涂刷粘層油,方可鋪筑新混合料。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

(1)某高速公路路面材料組成:瀝青 SMA結(jié)合料;粗集料(生產(chǎn) SMA-16的粗集料一采用兩種花崗巖,,其中 1#料為 10～20mm,2#料為 5～10mm);細(xì)集料(采用生產(chǎn)粗集料時(shí)得到的石屑作為細(xì)集料);填料(采用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉);纖維穩(wěn)定劑(采用純木質(zhì)素松散纖維,纖維相對(duì)密度為2.38 g/cm3,纖維用量為混合料質(zhì)量的 0.33%。)

(2)配合比設(shè)計(jì):按照 SMA-16的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配建議,經(jīng)過配合比設(shè)計(jì)計(jì)算確定 3組冷料倉投料比例,使 4.75mm的通過率大體上為 23%,26%,29%,0.075 mm的通過率為10%左右(相當(dāng)于固定礦粉用量的 10%)。材料的配比如下:

甲 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =58∶21∶11∶100

乙 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =57∶19∶14∶100

丙 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =55∶18∶17∶100

(3)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)①謝倫堡瀝青析漏檢驗(yàn)

采用燒杯法進(jìn)行瀝青析漏試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為 185℃析漏損失為 0.04%,符合不大于 0.1%的要求。

②肯塔堡飛散損失試驗(yàn)

飛散試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為 20℃,水中養(yǎng)護(hù)時(shí)間為 20h,飛散損失為 4.0%,符合不大于 20%的要求。

③高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

在 60℃、0.7MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn),動(dòng)穩(wěn)定度5 759次/mm,符合大于 3 000次/mm的要求。

④水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

按《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036-98)和《SMA路面設(shè)計(jì)施工指南》的規(guī)定,采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表 2。殘留馬歇爾穩(wěn)定度為 110.5%,符合大于 80%的要求。

表 1 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

④滲水系數(shù)和構(gòu)造深度檢驗(yàn)

用 SMA混合料一采用輪碾法成型的試件進(jìn)行試驗(yàn),滲水系數(shù)幾乎接近 0,試件表面的構(gòu)造深度均符合要求。

由此確定目標(biāo)配合比為:1#料(10～20mm)∶2#料(5～10mm)∶3#石屑:礦粉 =55∶18∶17∶10,最佳油石比為 6.0%。

(4)檢驗(yàn):對(duì)施工工程進(jìn)行了壓實(shí)度、平整度、構(gòu)造深度及透水系數(shù)等方面的檢測,檢測結(jié)果見表 2。

表 2 路面性能檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明,施工后路面的壓實(shí)度、平整度、構(gòu)造深度均與試驗(yàn)段施工水平相當(dāng),且有較小的變異系數(shù),質(zhì)量較為穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過對(duì) SMA路用性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,以及在某高速公路上應(yīng)用,可以得到以下結(jié)論:

(1)對(duì) SMA混合料的結(jié)構(gòu)組成及強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行研究,SMA與其他配比相比,有更厚、膠結(jié)力更強(qiáng),且礦料骨架內(nèi)摩擦力更高,空隙率小等優(yōu)點(diǎn),故 SMA混合料路用性能得到全面改善。

(2)SMA瀝青結(jié)合料應(yīng)用于某高速公路檢測結(jié)果表明:施工后路面的壓實(shí)度、平整度、構(gòu)造深度均與試驗(yàn)段施工水平相當(dāng),且有較小的變異系數(shù),質(zhì)量較為穩(wěn)定。

[1] 沈金安.改性瀝青與 SMA路而[M].人民交通出版社,1999.

[2] 張爭奇.改性瀝青與改性瀝青混合料研究[D].博士論文,1997.

[3] 張登良.瀝青路面[M].人民交通出版社,1998.