高強(qiáng)SMA-13路用性能與工程應(yīng)用研究

洪盛祥，陳 濤，袁 勇

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 南京 211112；2. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室, 南京 211112)

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)因其優(yōu)異的路用性能，特別是突出的高溫抗車轍性能，在高速公路、一級公路等公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中廣泛應(yīng)用，有效延緩了常規(guī)路段車轍病害的發(fā)生[1]。但近年來，隨著交通量的進(jìn)一步增長，在特重交通、干線公路和市政道路交叉口等特殊路段，傳統(tǒng)SMA的高溫穩(wěn)定性能已不能滿足上述路段的抗車轍需求[2-3]。為進(jìn)一步提高SMA的高溫抗車轍性能，使其適用于特重交通和市政道路交叉口等特殊路段，研究工作者進(jìn)行了大量嘗試，其中在SMA中摻加高性能改性劑已成為重要的研究方向[4-6]。在傳統(tǒng)SMA-13中摻加具有高黏、高彈特性的高黏改性劑制備為高強(qiáng)SMA-13(以下簡稱“HSMA-13”)，以提升其高溫穩(wěn)定性能。高黏改性劑是一種有機(jī)高分子材料，可以顯著提升改性瀝青的60 ℃動力黏度，保障SMA的骨架穩(wěn)定性，減少剪切變形，從而提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

本文通過對不同摻配比例(m高黏改性劑：mSBS改性瀝青)的復(fù)配改性瀝青性能進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇最佳摻配比例?；趦?yōu)選確定的最佳摻配比例進(jìn)行HSMA-13配合比設(shè)計(jì)及其路用性能試驗(yàn)研究。基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果在某干線公路交叉口路面的上面層進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，對工程應(yīng)用效果進(jìn)行檢測評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果以期為各級公路的特重交通、干線公路和市政道路交叉口等對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能要求較為苛刻的特殊路段新建及養(yǎng)護(hù)工程提供借鑒和參考。

1 原材料性能

1.1 粗集料

采用的粗集料為常規(guī)玄武巖，粒徑分為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm。粗集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表1所示，該粗集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求。

表1 粗集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.2 細(xì)集料

采用的細(xì)集料為玄武巖石屑，表面潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，粒徑為0～3 mm。細(xì)集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表2所示，該細(xì)集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求。

表2 細(xì)集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.3 改性瀝青

采用的瀝青為SBS(苯乙烯類熱塑性彈性體、I-C)改性瀝青，SBS改性瀝青檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表3所示，其各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求。

表3 SBS改性瀝青檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.4 填料

采用的礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，礦粉檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表4所示，該礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求。

表4 礦粉檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.5 高黏改性劑

采用的高黏改性劑外觀呈黃色顆粒狀?；旌狭仙a(chǎn)時(shí)，高黏改性劑通過專用設(shè)備投入拌和樓，在拌和過程融溶改性瀝青，從而達(dá)到對改性瀝青性能進(jìn)一步提升的目的。為確定高黏改性劑與SBS改性瀝青的最佳摻配比例，本文檢測了不同摻配比例條件下復(fù)配瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)，如表5所示。

表5 不同摻配比例條件下復(fù)配瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)

由表5可知，摻加高黏改性劑后，瀝青的針入度、延度指標(biāo)均有所下降，軟化點(diǎn)和60 ℃動力黏度明顯提升，表明隨著高黏改性劑摻配比例增加，瀝青膠結(jié)料高溫穩(wěn)定性能逐漸提升?？紤]到施工和易性以及相關(guān)規(guī)范要求，復(fù)配瀝青135 ℃運(yùn)動黏度應(yīng)≤3.0 Pa·s，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，選擇高黏改性劑與SBS改性瀝青的最佳摻配比例為4∶96，此時(shí)復(fù)配瀝青的60 ℃ 動力黏度相比原樣瀝青提升10.8倍，瀝青高溫穩(wěn)定性能改善顯著。

1.6 其他外加劑

采用木質(zhì)素纖維、抗剝落劑等其他外加劑后，瀝青的性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 HSMA-13配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 礦料的篩分

礦料的篩分結(jié)果如表6所示，其中1#料粒徑為10～15 mm、2#料粒徑為5～10 mm、3#料粒徑為3～5 mm。

表6 礦料的篩分結(jié)果 (%)

2.1.2 礦料級配確定

根據(jù)礦料篩分結(jié)果，參考改性SMA-13級配上下限控制要求，進(jìn)行礦料級配試配，初步確定HSMA-13 的粗、中、細(xì)3種級配(級配A、級配B和級配C)。

3種級配組成如表7所示，HSMA-13級配曲線如圖1所示。

表7 3種級配組成 (%)

圖1 HSMA-13級配曲線

初試油石比選擇6.2%(m高黏改性劑∶mSBS改性瀝青=4∶94)，考慮到高黏改性劑融溶瀝青后成為瀝青的組成部分，因此高黏改性劑的摻量計(jì)算在瀝青用量內(nèi)。采用馬歇爾擊實(shí)法雙面各擊實(shí)75次制作試件，3種級配HSMA-13初試級配試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，其中級配B體積指標(biāo)滿足要求，級配A和級配C的體積指標(biāo)不滿足要求，因此選擇級配B為目標(biāo)級配。

表8 3種級配HSMA-13初試級配試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 最佳油石比選擇

根據(jù)確定的礦料級配，采用油石比為5.9%、6.2%、6.5%的HSMA-13瀝青混合料，馬歇爾擊實(shí)法雙面擊實(shí)75次制作試件，檢測瀝青混合料各項(xiàng)體積指標(biāo)，瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)SMA設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，HSMA-13的油石比為6.2%時(shí)，其空隙率為3.8%，其他體積指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]要求，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選取6.2%為HSMA-13的最佳油石比。

2.2 SMA-13配合比設(shè)計(jì)

采用同一批原材料進(jìn)行SMA-13配合比設(shè)計(jì)，并與HSMA-13進(jìn)行路用性能對比分析。SMA-13設(shè)計(jì)級配如表10所示，SMA-13體積指標(biāo)如表11所示。

表10 SMA-13設(shè)計(jì)級配 (%)

表11 SMA-13體積指標(biāo)

3 路用性能對比分析

3.1 高溫性能

車轍試驗(yàn)可以較好地反映瀝青路面在高溫條件下抵抗車輪荷載永久變形的能力。車轍試驗(yàn)在(60±1)℃、(0.7±0.05)MPa條件下進(jìn)行，對比分析HSMA-13和SMA-13高溫抗車轍能力，車轍試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

由表12可知，HSMA-13車轍動穩(wěn)定度為12 740次/mm，相比于采用同一原材料的SMA-13提升了89.4%，表明摻加高黏改性劑后的HSMA-13高溫抗車轍性能顯著提升。

表12 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水穩(wěn)定性

3.2.1 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

將HSMA-13與SMA-13馬歇爾試件在恒溫水槽保溫0.5 h和48 h，然后進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表13所示，兩者試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表13 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

將HSMA-13與SMA-13馬歇爾試件在(-18±2)℃下進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表14 所示，兩者試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表14 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表13和表14可知，HSMA-13殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度與SMA-13基本一致，表明兩者的抗水損害性能基本一致。

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

在-10 ℃、50 mm/min條件下進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，對HSMA-13和SMA-13的低溫性能進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)，小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表15所示。

由表15可知，HSMA-13的破壞應(yīng)變均值為2 579.2 με，SMA-13破壞應(yīng)變均值為2 605.7 με,HSMA-13與SMA-13試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表15 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4 工程應(yīng)用效果

4.1 工程概況

南京市某一級公路新建項(xiàng)目工程，該項(xiàng)目為城際主干道，設(shè)計(jì)末期主線路平均交通量為43 863 pcu/d，預(yù)期交通量較大，且夏季高溫氣候突出。原路面雙向設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為4 cm SBS改性瀝青SMA-13+8 cm SBS改性瀝青AC-20C(摻加抗車轍劑)，為提升交叉口路段抗車轍性能，在某一交叉路口實(shí)施了4 cm HSMA-13+8 cm半柔性路面試驗(yàn)段。試驗(yàn)段實(shí)施過程中對HSMA-13施工關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究，試驗(yàn)段實(shí)施后，及時(shí)開展相關(guān)試驗(yàn)檢測，以評價(jià)HSMA-13實(shí)施效果。

4.2 關(guān)鍵施工工藝

HSMA-13與SMA-13相比，主要區(qū)別在于生產(chǎn)過程中需要投放高黏改性劑，為保障高黏改性劑摻量的精確性，需采用專用的投放、計(jì)量設(shè)備，同時(shí)增加拌和時(shí)間，保障高黏改性劑拌和均勻性，攤鋪、碾壓工藝與SMA-13基本一致。

高黏改性劑添加順序和礦料的拌和時(shí)間為：骨料+纖維+高黏改性劑干拌15 s→噴灑瀝青拌和10 s→投放礦粉拌和35 s。

HSMA-13生產(chǎn)溫度控制如表16所示。

4.3 HSMA-13現(xiàn)場實(shí)施效果

施工結(jié)束后，對路面厚度、平整度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了檢測，HSMA-13路面施工效果如表17所示，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均滿足要求，與SMA-13現(xiàn)場實(shí)施效果相當(dāng)。

表16 HSMA-13生產(chǎn)溫度控制 (℃)

表17 HSMA-13路面施工效果

5 結(jié)論

本文對摻加高黏改性劑的HSMA-13路用性能與工程應(yīng)用進(jìn)行了研究，并與采用同一原材料的SMA-13進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 摻加高黏改性劑后，SBS改性瀝青高溫性能隨著摻配比例增加逐漸提升，但瀝青的施工和易性逐漸下降，綜合考慮施工、易性與成本，推薦高黏改性劑與改性瀝青的摻配比例為 4∶96。

(2) 摻加高黏改性劑的HSMA-13相比SMA-13，車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度提升約89%，提升效果顯著，同時(shí)低溫性能和水穩(wěn)定性與SMA-13基本相當(dāng)。

(3) 為保障高黏改性劑拌和均勻，在HSMA-13生產(chǎn)時(shí)應(yīng)將高黏改性劑與骨料先干拌，并適當(dāng)延長礦料拌和時(shí)間，其運(yùn)輸、攤鋪和碾壓施工工藝與SMA-13基本一致。

(4) 從現(xiàn)場實(shí)施效果看，HSMA-13路面施工效果較好，路面平整度、滲水和抗滑性能等指標(biāo)檢測結(jié)果與常規(guī)SMA-13基本一致。