重載交通下SMA高溫穩(wěn)定性影響因素研究

匡強， 周再恒， 徐程

(1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司， 廣東 佛山 528000；2.廣東云茂高速公路有限公司， 廣東 廣州 511440；3.湖南建工交通建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410004)

近年來，隨著交通量及車輛軸載的急劇增加，瀝青路面出現(xiàn)了較多不良病害。尤其是南方地區(qū)受高溫環(huán)境作用的影響，重載高溫下的瀝青路面承受更多考驗。而中國應(yīng)用最廣泛的普通密級配瀝青混合料受級配組成理論所限，很難較好地解決這一問題。瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)是在德國澆注式瀝青砼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型混合料，其主要依靠間斷級配理論和纖維瀝青膠漿填充理論，近年在湖南、江西、廣西、廣東等南方地區(qū)得到推廣應(yīng)用。但由于南方地區(qū)存在的重載交通導(dǎo)致SMA路面高溫穩(wěn)定性較難控制。該文對環(huán)境、級配(粗細)、木質(zhì)素纖維摻量、溫度等高溫穩(wěn)定性影響因素展開研究，為提高SMA高溫穩(wěn)定性提供參考。

1 原材料性能

1.1 瀝青

采用殼牌SBS改性瀝青，其性能指標達到中國I-D、SHRP PG76-22級要求(見表1)。

表1 SBS改性瀝青的技術(shù)指標

1.2 集料填料

考慮到中國嚴重的重載和超載情況，根據(jù)國內(nèi)大量研究成果，巖石的硬度較高或石質(zhì)較好的粗集料有利于混合料的抗車轍性能。集料采用廣西貴港輝綠巖，礦粉由石灰?guī)r磨細而成，同時采用32.5 MPa水泥提高集料與瀝青的黏附性。各集料的技術(shù)指標見表2、表3。

表3 集料的技術(shù)指標

表2 礦粉的技術(shù)指標

1.3 纖維

采用江蘇理想環(huán)球新材料有限公司生產(chǎn)的絮狀木質(zhì)素纖維，其技術(shù)指標見表4。

表4 木質(zhì)素纖維的技術(shù)指標

1.4 合成級配

采用SMA-13級配，通過搗實試驗確定搗實骨架間隙率VCADRC，然后根據(jù)設(shè)計級配選取3組不同的級配，其差異主要以4.75 mm篩孔通過率來反映。合成級配見表5。

表5 SMA的合成級配

由表5可知：3組級配通過控制4.75 mm篩孔通過率來實現(xiàn)，填料為水泥與礦粉的混合物(水泥∶礦粉=2∶7)，控制空隙率3%～4.5%為最佳油石比初選依據(jù)。成型馬歇爾試件進行試驗，結(jié)果見表6。

表6 馬歇爾試驗結(jié)果

由表6可知：1#級配(粗)、2#級配(中)、3#級配(細)的最佳油石比分別為6.5%、6.2%、5.9%。

2 正交試驗設(shè)計

通過均勻正交設(shè)計試驗探討環(huán)境、級配(粗細)、木質(zhì)素纖維摻量、溫度對SMA高溫穩(wěn)定性的影響程度及對應(yīng)評價指標，采用德國infraTest輪碾成型機成型試件、infraTest漢堡車轍儀進行試驗。

2.1 影響因素

油石比與級配固定對應(yīng)，因此選取油石比與級配(粗細)、木質(zhì)素纖維摻量、溫度(空氣、水浴溫度)作為分析對象，每個因素選取3個水平進行正交試驗(見表7)。

表7 正交試驗設(shè)計

2.2 評價指標

瀝青混合料高溫性能的主要評價指標為馬歇爾穩(wěn)定度及車轍動穩(wěn)定度?？紤]到歐盟EN 12697-22規(guī)范《熱拌瀝青混合料的輪轍試驗方法》、美國AASHTO T324-04《漢堡車轍儀規(guī)范》及中國規(guī)范JTG E20-2011《瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青混合料車轍試驗的參數(shù)設(shè)置、條件均有所不同，主要按照歐盟EN 12697-22、美國AASHTO T324-04的試驗參數(shù)及條件設(shè)置，空氣浴下試驗輪載使用橡膠輪，水浴下試驗輪載使用鋼輪。為更好地模擬重載交通下瀝青路面的性能，荷載選為1.4 MPa，高于國內(nèi)規(guī)范要求0.7 MPa，加載速率均為52次/min，次數(shù)上限為20 000次，車轍深度上限為20 mm。以車轍變形率為評價指標，其值越小，混合料的高溫穩(wěn)定性能越好。表達式如下：

rRD=RD/t

(1)

式中：rRD為車轍變形率(mm/h)；RD為最大車轍深度(mm)；t為荷載作用時間(h)，t=n/(52×60)；n為最大車轍深度時的荷載作用次數(shù)。

由于馬歇爾試驗的成型方式不同，同時現(xiàn)場的相關(guān)性不如輪碾成型模擬路面壓實效果，故取車轍試件相同成型條件下德國infraTest輪碾成型機成型的試件鉆芯取樣(見圖1)，并在與車轍試件相同的養(yǎng)護條件下進行馬歇爾試驗。

圖1 馬歇爾試件

2.3 正交試驗方案

依照上述影響因素及不同水平數(shù)，忽略交互作用，選取L9(33)正交表開展試驗?？諝庠∨c水浴下正交試驗設(shè)計方案分別見表8、表9。

表8 正交試驗方案及結(jié)果(空氣浴)

表9 正交試驗方案及結(jié)果(水浴)

3 試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果見表8、表9和圖2、圖3。

3.1 直觀分析

從表8、表9、圖2、圖3可看出：1) 在高溫重載條件下，不論是在空氣中還是水浴中，SMA-13均具備較好的高溫穩(wěn)定性。2) 在重載1.4 MPa條件下，在60 ℃空氣或水浴環(huán)境下，試驗數(shù)據(jù)較均勻且能較好地評價SMA-13瀝青混合料的高溫性能。3) 不同因素對SMA-13混合料在高溫重載條件下高溫穩(wěn)定性的影響強弱為環(huán)境>級配(粗細)>溫度>木質(zhì)素纖維摻量。4) 在選定的兩種試驗環(huán)境中，在高溫重載條件下環(huán)境對SMA-13混合料高溫穩(wěn)定性的影響強弱為水浴>空氣浴。這主要是水在車轍往返過程中與溫度對車轍試件的耦合作用對孔隙的沖刷更明顯，同時增加了動水壓力，使在水浴條件下高溫抗車轍性能更差。5) 不同級配(粗細)SMA-13混合料的高溫性能差異顯著，在高溫重載條件下，在選定的粗、中、細級配混合料中，其高溫性能優(yōu)劣依次為粗>中>細。SMA-13混合料為骨架密實型級配，其含量較多的粗集料互相嵌鎖組成高穩(wěn)定性(抗變形能力強)的結(jié)構(gòu)骨架，細集料和礦粉、瀝青和纖維穩(wěn)定劑組成的瀝青瑪蹄脂將骨架膠結(jié)一起，并填充骨架空隙，使混合料具有較好的柔性及耐久性，而粗級配的粗集料更多，骨架更密實，其高溫抗車轍性能更好。

圖2 正交試驗結(jié)果(空氣浴)

圖3 正交試驗結(jié)果(水浴)

3.2 方差分析

在同一環(huán)境及重載1.4 MPa條件下，級配(粗細)、木質(zhì)素纖維摻量和溫度等因素對SMA-13混合料高溫性能的影響均具備一定的交聯(lián)耦合作用，故引入單因素方差，分別對級配(粗細)、木質(zhì)素纖維摻量和溫度等進行分項方差分析，結(jié)果見由表10、表11。

表10 正交試驗方差分析結(jié)果(空氣浴)

表11 正交試驗方差分析結(jié)果(水浴)

從表10、表11可看出：1) 在空氣浴中，木質(zhì)素纖維摻量及溫度對馬歇爾穩(wěn)定度與車轍變形率的影響不顯著；在水浴中，級配(粗細)、溫度、木質(zhì)素纖維摻量對馬歇爾穩(wěn)定度與車轍變形率的影響均不顯著。與實際不符，這是因為該文在高溫重載條件下開展試驗，同時環(huán)境對其影響較大，導(dǎo)致選定因素對高溫性能的影響被弱化。2) 在空氣浴中，級配(粗細)對馬歇爾穩(wěn)定度及車載變形率的影響顯著，不同因素對SMA混合料在高溫重載條件下高溫穩(wěn)定性的影響強弱為級配(粗細)>溫度>木質(zhì)素纖維摻量，與3.1節(jié)結(jié)論相同?？梢姡壟?粗細)在高溫重載條件下是影響混合料高溫性能的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1) SMA-13在高溫重載條件下性能優(yōu)異，同時具有較高的行車舒適性、安全性，建議在高溫、重載及多雨地區(qū)優(yōu)先作為路面級配類型使用，以達到較好的瀝青路面性能，減少養(yǎng)護成本。

(2) 在同一環(huán)境下，級配(粗細)是影響SMA-13高溫穩(wěn)定性的主要因素；溫度高低對SMA-13高溫穩(wěn)定性的影響較大；木質(zhì)素纖維摻量增加可改善SMA-13的高溫抗車轍性能。

(3) 在水浴中，級配(粗細)、溫度、木質(zhì)素纖維摻量對SMA-13馬歇爾穩(wěn)定度與車轍變形率的影響均不顯著，說明在重載地區(qū)，高溫與雨水是SMA路面的主要影響因素。

(4) 在交通量較大的南方濕熱地區(qū)，瀝青路面面層推薦最佳組合為A1B2，即粗級配SMA-13，木質(zhì)素纖維摻量為0.4%。