高彈改性瀝青SMA-10路用性能研究及其在橋面鋪裝中的應(yīng)用

楊振富

(云南重嶺公路勘察設(shè)計(jì)有限公司 大理市 671001)

0 引言

目前，我國(guó)在道路設(shè)計(jì)中對(duì)適應(yīng)惡劣天氣、抵抗重載及重交通提出了更高的要求，提高普通瀝青的性能被視為其中一項(xiàng)有效措施。高彈性改性瀝青是在普通瀝青的基礎(chǔ)上，通過特殊的配方與工藝改性而成，其延伸性能與疲勞性能十分優(yōu)異，成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[1-2]。國(guó)內(nèi)外已有研究表明：高彈改性瀝青混合料具有優(yōu)異的疲勞壽命，是SBS改性瀝青混合料的十倍以上，此外其具有良好的高低溫穩(wěn)定性，適合于惡劣天氣、重載及復(fù)雜交通狀況下的瀝青路面面層及橋面鋪裝層[3-5]。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)該新型改性瀝青綜合路用性能的研究還不夠完善，在橋面鋪裝中的應(yīng)用效果介紹與評(píng)價(jià)還很少。

針對(duì)性選用橋面鋪裝中常采用的SMA-10級(jí)配類型，對(duì)高彈改性瀝青SMA-10的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以SBS改性瀝青SMA-10為對(duì)照組，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究了高彈改性瀝青SMA-10的路用性能。并通過工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)高彈改性瀝青的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)瀝青：高彈改性瀝青為韓國(guó)生產(chǎn)，SBS改性瀝青采用國(guó)產(chǎn)。兩者的相關(guān)性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，兩種改性瀝青的彈性恢復(fù)值與軟化點(diǎn)有一定差距，高彈改性瀝青性能較優(yōu)。

表1 瀝青的性能指標(biāo)

(2)集料與纖維：橋面鋪裝工程中對(duì)于集料的性能提出嚴(yán)格的要求。室內(nèi)試驗(yàn)集料選用玄武巖，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2所示，礦粉填料采用磨細(xì)后的石灰石礦粉。

SMA-10瀝青混合料中摻入質(zhì)量份數(shù)為0.2%的海川聚酯纖維。

表2 集料的性能檢測(cè)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

(1)礦料級(jí)配

礦料的級(jí)配設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 SMA-10礦料級(jí)配設(shè)計(jì)(通過篩孔質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

(2)最佳油石比的確定

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6]，最佳油石比由馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行確定，如表4所示。由表4可知SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為6.2%，纖維摻量為0.2%，高彈改性瀝青混合料的最佳油石比為6.4%。

表4 SMA-10混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

最佳油石比下的混合料主要性能檢測(cè)結(jié)果均符合規(guī)范要求。

1.3 試驗(yàn)方案

以相關(guān)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)[7]，按設(shè)計(jì)好的級(jí)配與最佳油石比，分別制備高彈改性瀝青及SBS改性瀝青SMA-10混合料試件，進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)、低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 重載下抗車轍性能

車轍試驗(yàn)時(shí)的軸載分別取標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa與重載1.0MPa，試驗(yàn)溫度為60℃。分別制備標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件進(jìn)行不同軸載下兩種改性瀝青SMA-10的車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表5、圖1所示。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，高彈性改性瀝青SMA-10的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性明顯低于SBS改性瀝青混合料SMA-10，其中標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa降低約23.1%，重載1.0MPa時(shí)，降低約19.8%。但重載作用下，二者的動(dòng)穩(wěn)定度均大于3000次/mm-1。結(jié)果表明，高彈性改性瀝青混合料在重載下仍具有良好的重載抗車轍能力，適用于高溫重載交通。

圖1 不同軸載下改性瀝青SMA-10的車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫彎曲性能

低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在UTM-100試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別制備相應(yīng)的小梁試件，試件的長(zhǎng)寬高尺寸為300mm×100mm×50mm。試驗(yàn)時(shí)的溫度為-10℃，設(shè)定加載速率為50mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，橋面鋪裝中SMA瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變不得小于7000 uε。由表6可知，兩種改性瀝青混合料SMA-10在-10℃下的低溫彎拉應(yīng)變均超過7000 uε，其中，低溫下，高彈瀝青SMA-10的彎拉應(yīng)變?yōu)?0247 uε，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10，超過幅度約為20.1%。

2.3 抗水損害性能

采用凍融劈裂與浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)綜合對(duì)兩種改性瀝青SMA-10的抗水損害性能進(jìn)行研究。其中凍融劈裂試驗(yàn)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，制備時(shí)正反兩面各擊實(shí)50次。將試件分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)，即未凍融與凍融循環(huán)兩組，試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖2所示。

表7 抗水損害性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗水損害性能試驗(yàn)結(jié)果

表7表明，高彈瀝青SMA-10的浸水殘留穩(wěn)定度比及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10，其中殘留穩(wěn)定度比提升了約8.8%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提升了約8.3%，且二者的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均大于75%。因此，高彈改性瀝青混合料具有優(yōu)異的抗水損害性能。

2.4 抗疲勞性能

采用四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)兩種改性瀝青SMA-10混合料的疲勞性能進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)設(shè)備采用UTM-100設(shè)備。小梁試件的長(zhǎng)寬高分別為384mm×63.5mm×50mm，小梁下兩支點(diǎn)的距離為355.5mm。荷載為頻率10Hz的半正矢波，以三點(diǎn)加載方式進(jìn)行，應(yīng)變水平分別取1000uε、1500uε。當(dāng)試樣的初始模量下降50%時(shí)，測(cè)試終止。四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果見表8。

表8 四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，兩種應(yīng)變水平下，高彈瀝青SMA-10的疲勞壽命顯著優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10，疲勞壽命提高了近10倍，抗疲勞性能十分優(yōu)異。另一方面，相比于SBS改性瀝青混合料SMA-10，高彈改性瀝青混合料SMA-10的勁度模量要明顯降低，不同應(yīng)變水平下的降低幅度約為5%，表明高彈改性瀝青混合料SMA-10在同溫度下的剛度比要小于SBS改性瀝青混合料SMA-10，即相對(duì)變形能力大，這也印證了高彈瀝青SMA-10具有良好的疲勞壽命。

3 高彈改性瀝青混合料在橋面鋪裝上的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)高彈改性瀝青混合料在橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)常采用的結(jié)構(gòu)形式為：高彈改性瀝青SMA上層+澆注式瀝青混凝土下層，該典型結(jié)構(gòu)已普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一些大橋建設(shè)中并取得了良好的應(yīng)用效果，如重慶菜園壩大橋與朝天門大橋、南寧大橋及長(zhǎng)江隧橋工程。該典型鋪筑結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 澆注式+高彈改性瀝青混合料橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)

3.1 施工工藝

(1)施工溫度

施工過程中，應(yīng)對(duì)高彈瀝青SMA-10在各環(huán)節(jié)的施工溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制以防止溫度過高時(shí)產(chǎn)生離析現(xiàn)象。各環(huán)節(jié)的施工溫度范圍如表9所示。

表9 高彈瀝青SMA-10施工溫度范圍

(2)拌和

纖維必須在加入高彈改性瀝青之前摻入，其摻入時(shí)應(yīng)采用具備計(jì)量功能的添加設(shè)備自動(dòng)加入拌和設(shè)備中，混合料與纖維的干拌時(shí)間應(yīng)大于8s，高彈瀝青摻入后的濕拌時(shí)間在40～45s，拌和以纖維充分均勻分散于混合料中為準(zhǔn)。

(3)攤鋪

為減少高彈改性瀝青混合料SMA在攤鋪過程中的離析，宜采用兩臺(tái)前后相距5m的攤鋪機(jī)進(jìn)行聯(lián)合攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，行進(jìn)速度控制為2～3m/min，攤鋪應(yīng)與送料速度相平衡，攤鋪均勻、緩慢、連續(xù)。

(4)碾壓

路面碾壓時(shí)常采用先靜后振再靜的碾壓工藝，可使路面面層的壓實(shí)效果較好，保證面層的不透水性能。對(duì)于橋梁表面，壓實(shí)過程往往與路面壓實(shí)一樣，有時(shí)會(huì)降低振動(dòng)壓實(shí)度，以防止橋梁表面的振動(dòng)和壓實(shí)破壞。對(duì)于橋面鋪裝而言，即便保證壓實(shí)功相同，橋面鋪裝層的壓實(shí)效果也會(huì)低于路面。

因此，為了保證高彈改性瀝青混合料SMA橋面鋪裝層的不透水性能，必須對(duì)其碾壓工藝進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，工程實(shí)踐證明：當(dāng)鋪裝層表面溫度降低到100℃左右時(shí)，采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行輔助碾壓直至鋪裝層表面不透水，該過程需設(shè)專人隨時(shí)進(jìn)行檢查。

3.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2006年以前，國(guó)內(nèi)一些大橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)采用SMA鋪裝+澆注式，該結(jié)構(gòu)瀝青采用傳統(tǒng)普通瀝青，通常在2～3年后出現(xiàn)裂縫。而采用高彈改性瀝青SMA鋪裝+澆注式的多座大橋通車后數(shù)年內(nèi)，在承受復(fù)雜行車荷載及巨大交通量后，未出現(xiàn)裂縫，平整度較高、無車轍等路面病害產(chǎn)生，路用性能良好。表明橋面鋪裝層采用高彈瀝青SMA后，展現(xiàn)出了優(yōu)異的路用性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

(1)高彈改性瀝青混合料SMA-10的動(dòng)穩(wěn)定度要低于SBS改性瀝青混合料SMA-10，其中，標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa時(shí)，降低約23.1%，重載1.0MPa時(shí)，降低約19.8%，但仍較好滿足規(guī)范要求，適用于高溫重載交通。

(2)低溫下-10℃下，高彈瀝青SMA-10的彎拉應(yīng)變?yōu)?0247 uε，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10，超過幅度約為20.1%，表明高彈瀝青SMA-10具有良好的低溫變形性能。

(3)相比于SBS改性瀝青SMA-10，高彈改性瀝青SMA-10的水穩(wěn)定性能提升顯著，抗水損害性能優(yōu)異。

(4)高彈瀝青SMA-10的疲勞壽命顯著優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10，疲勞壽命提高了近10倍，抗疲勞性能十分優(yōu)異。

(5)工程應(yīng)用效果表明：采用高彈改性瀝青混合料SMA作為橋面鋪裝層后，路用性能優(yōu)異，具有廣闊的應(yīng)用前景。