溫拌橡膠瀝青瑪蹄脂碎石路面關(guān)鍵控制技術(shù)研究

趙丹

（徐州市公路工程總公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

SMA是瀝青瑪蹄脂碎石混合料的簡(jiǎn)稱(chēng)，該混合料主要是由粗集料、瀝青瑪蹄脂等材料混合而成，其中粗集料能夠在混合料當(dāng)中形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，使SMA混合料能夠獲得較強(qiáng)的抗車(chē)轍能力，而瑪蹄脂結(jié)合料則是由細(xì)集料、纖維穩(wěn)定劑、礦粉以及瀝青等材料構(gòu)成，能夠有效填充粗骨料構(gòu)成的骨架空隙，起到提高混合料低溫抗裂性以及耐用性的作用。尤其是橡膠改性瀝青的應(yīng)用，由于其具有較強(qiáng)的黏度、綜合性能良好，將其用在SMA混合料當(dāng)中，能夠減少纖維穩(wěn)定劑、礦粉等原料的用量，在保證混合料性能的同時(shí)，有效降低工程施工成本。但為了在公路工程施工中最大限度地發(fā)揮出SMA混合料的應(yīng)用價(jià)值和效果，還需要在具體施工過(guò)程中強(qiáng)化對(duì)其關(guān)鍵控制技術(shù)的研究。

1 溫拌橡膠瀝青SMA配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)研究及以往施工經(jīng)驗(yàn)可以確定，瀝青混合料在路用性能方面經(jīng)常會(huì)受到礦料級(jí)配的影響，而良好的礦料級(jí)配是確?；旌狭蠌?qiáng)度及耐久性的基礎(chǔ)。因此，為確保SMA瀝青路面的施工質(zhì)量，必須要針對(duì)混合料級(jí)配進(jìn)行合理的設(shè)置。

當(dāng)前階段，國(guó)內(nèi)外在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)的過(guò)程中，常用的方法有兩種：一是以最大密度曲線為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法；二是，針對(duì)集料體積特性進(jìn)行綜合考慮的設(shè)計(jì)方法。其中，前者由于沒(méi)有對(duì)集料顆粒特性以及混合料體積特性進(jìn)行考慮，所以很難通過(guò)體積結(jié)構(gòu)特征對(duì)混合料自身的路用性能加以體現(xiàn)。而基于集料體積特性的貝雷法則可以對(duì)第一種方法的不足之處進(jìn)行有效彌補(bǔ)。具體如下：

1.1 相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從某種程度上來(lái)講，貝雷法是一種具有較強(qiáng)系統(tǒng)性的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用該方法能夠使粗集料較好地構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu)，有效提高混合料的抗車(chē)轍能力，并且可以準(zhǔn)確控制粗細(xì)集料比例，確?；旌狭系哪途眯?。其級(jí)配思路主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

第一，由粗集料構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，并在骨架間隙當(dāng)中填充細(xì)集料，能夠使瀝青混合料的強(qiáng)度和抗車(chē)轍能力得到有效保障。第二，對(duì)體積參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能夠確保瀝青混合料的耐久性，而具體的體積參數(shù)包括礦粉用量、空隙率以及礦料間隙率等。

但在落實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)工作前，相關(guān)人員需要對(duì)三項(xiàng)因素進(jìn)行考慮。第一，設(shè)計(jì)密度。改變?cè)O(shè)計(jì)密度，能夠?qū)Υ旨?xì)集料比例進(jìn)行調(diào)整。第二，篩孔通過(guò)率。通過(guò)對(duì)篩孔通過(guò)率進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)礦粉用量以及細(xì)集料用量的有效控制。第三，粗細(xì)集料的體積構(gòu)成，改變兩者的體積構(gòu)成，同樣會(huì)對(duì)粗細(xì)集料的比例造成影響，使兩者的組成結(jié)構(gòu)得到有效的控制[1]。

從理論角度來(lái)看，設(shè)計(jì)密度通常會(huì)介于干搗密度和松裝密度之間，據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)密度和粗集料的骨架形成性能具有密切的關(guān)聯(lián)，如果設(shè)計(jì)密度比松裝密度小，則通常粗集料無(wú)法構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，而如果設(shè)計(jì)密度過(guò)高于干搗密度，則在施工當(dāng)中需要設(shè)置較大的壓力，才能使混合料的壓實(shí)度達(dá)標(biāo)，但這會(huì)增加壓實(shí)施工的難度，且容易出現(xiàn)集料破碎的情況。因此，設(shè)計(jì)密度通常是以松裝密度為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般取95%～105%的松裝密度。

1.2 確定最佳石油比

第一，瀝青用量下限。SMA混合料當(dāng)中，粗骨料構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)空隙需要使用瀝青瑪蹄脂進(jìn)行填充。因此，為了保證SMA路面的抗?jié)B性以及耐久性，通常會(huì)使用大量的瀝青結(jié)合料，其用量可能超出常規(guī)用量的1%以上。正因如此，很多國(guó)家都針對(duì)SMA中的瀝青用量有明確規(guī)定。例如，歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)礦料合成毛體積密度和瀝青用量下限間的關(guān)聯(lián)確定初始的瀝青用量[2]。

第二，以最緊密狀態(tài)設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)來(lái)明確最佳石油比。正常來(lái)說(shuō)，瀝青混合料在體積狀態(tài)方面的描述都會(huì)涉及兩種類(lèi)型，一種是密實(shí)狀態(tài)，另一種是緊密狀態(tài)。而兩者是完全不同的概念。尤其是緊密狀態(tài)，能夠?qū)旌狭袭?dāng)中的礦料結(jié)構(gòu)構(gòu)成加以反映，屬于混合料壓實(shí)期間的某種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不僅能夠確?；旌狭瞎羌芙Y(jié)構(gòu)被瑪蹄脂有效填充，還能避免其結(jié)構(gòu)被撐開(kāi)。而礦料的組成通常取決于級(jí)配，在瀝青用量不斷增加的情況下，骨料結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨之提升，因此，緊密狀態(tài)又可視為混合料骨架結(jié)構(gòu)撐開(kāi)以前的狀態(tài)[3]。

從理論上講，如果瀝青混合料及其級(jí)配處在固定狀態(tài)時(shí)，在試驗(yàn)條件相同的情況下，混合料礦料間隙率、毛體積密度以及粗集料間隙均為混合料油石比的函數(shù)，且其極值具有唯一性。所以，借助二次曲線對(duì)其中的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，最終獲得三種級(jí)配的最佳油石比為6.3%、6.2%以及6.4%。這三種級(jí)配的最佳油石比在飛散損失以及析漏損失方面分別為5.8%、8.4%、6.2%和0.058%、0.072%、0.061%。由此可以確定，通過(guò)最緊密設(shè)計(jì)方法獲得的最佳油石比，能夠滿(mǎn)足工程的設(shè)計(jì)以及瀝青使用下限的要求。

第三，確定最佳混合料級(jí)配。對(duì)于瀝青混合料來(lái)說(shuō)，其在高溫環(huán)境中的抗剪切強(qiáng)度即為其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)合庫(kù)侖定律可以確定，這種抗剪切強(qiáng)度通常是從瀝青混合料間的嵌擠作用以及黏結(jié)力當(dāng)中獲取。而SMA的抗剪強(qiáng)度則主要來(lái)源于礦料間的嵌擠力。所以，保證級(jí)配構(gòu)成的科學(xué)性與合理性，將會(huì)使混合料的強(qiáng)度大幅度的提升，避免路面出現(xiàn)永久變形的情況，從而使路面獲得更長(zhǎng)的使用壽命。而為了獲取最佳的油石比，針對(duì)上文獲得了三個(gè)級(jí)配展開(kāi)車(chē)轍試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)確定級(jí)配1的嵌擠效果最佳。圖1為三個(gè)級(jí)配試件經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)以后切開(kāi)的斷面，根據(jù)圖1可以清晰地看到，級(jí)配1的粗骨料具有更高的嵌擠程度[4]。

圖1 三個(gè)級(jí)配試件經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)以后切開(kāi)的斷面

2 溫拌橡膠瀝青SMA路用性能分析

由于SMA經(jīng)常被作為路面施工材料，其在使用期間會(huì)暴露在自然環(huán)境當(dāng)中，再加上車(chē)輛荷載等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)逐漸弱化的情況。而為了確保路面的使用性能和使用壽命，必須要對(duì)其路用性進(jìn)行確定，而路用性的評(píng)定主要涉及三個(gè)指標(biāo)，即低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。

2.1 低溫抗裂性

SMA的低溫抗裂性，主要是指其在低溫環(huán)境當(dāng)中對(duì)于收縮開(kāi)裂現(xiàn)象的抵抗能力，而由于低溫抗裂性不高造成的路面裂縫主要有2種：第一，收縮裂縫。在一些冬夏分明的區(qū)域，由于冬季寒流侵襲、氣溫驟降，會(huì)在公路面層材料當(dāng)中形成較強(qiáng)的溫度應(yīng)力，而這種應(yīng)力通常短時(shí)間之內(nèi)無(wú)法利用應(yīng)力松弛進(jìn)行釋放，如果溫度應(yīng)力過(guò)高，大于面層材料的極限，就會(huì)在面層當(dāng)中出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。第二，溫度疲勞裂縫。在溫度反復(fù)變化的情況下，溫度應(yīng)力對(duì)于SMA路面的影響是反復(fù)循環(huán)的，再加上SMA路面在自然環(huán)境當(dāng)中長(zhǎng)期使用，因紫外線、熱、氧等相關(guān)因素的影響，會(huì)逐漸老化，進(jìn)而導(dǎo)致其極限的應(yīng)力松弛能力、拉應(yīng)變能力不斷衰減，雖然反復(fù)循環(huán)狀態(tài)下的溫度應(yīng)力普遍較小，并不會(huì)在路面當(dāng)中立即形成裂縫問(wèn)題，但隨著溫度應(yīng)力的積累以及路面結(jié)構(gòu)的反復(fù)變化，就容易出現(xiàn)疲勞裂縫[5]。

對(duì)于SMA的低溫性能評(píng)價(jià)，主要是依靠疲勞試驗(yàn)以及低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，低溫彎曲實(shí)驗(yàn)涉及諸多的種類(lèi)，且評(píng)價(jià)指標(biāo)較為繁雜。目前，較為常用的方法包括半圓彎曲試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、溫度應(yīng)力試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)以及直接拉伸試驗(yàn)等，而低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)則包含彎曲勁度模量、最大彎拉應(yīng)變模量、J積分以及低溫抗彎拉強(qiáng)度等。而本文主要借助小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)溫拌橡膠SMA的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)使用250mm×30mm×35mm的試件，其跨徑設(shè)置為200mm，按照50mm/min的加載速率展開(kāi)試驗(yàn)[6]。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定，溫拌橡膠SMA的低溫彎拉強(qiáng)度是10.9MPa，而極限彎拉應(yīng)變模量為3247με，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

2.2 高溫穩(wěn)定性

所謂的高溫穩(wěn)定性，主要是指瀝青路面受到環(huán)境溫度以及車(chē)輛荷載作用雙重影響下的抗變形能力。若SMA缺乏高溫穩(wěn)定性，就很容易在路面當(dāng)中形成各種早期病害，如推移、車(chē)轍等。而通過(guò)試驗(yàn)也可以確定，瀝青混合料受到高溫環(huán)境的影響，其剛度以及強(qiáng)度都會(huì)有所下降，這也意味著抗變形能力會(huì)隨之下降。而在車(chē)輛荷載影響下的變形問(wèn)題主要包含兩部分，一部分是永久變形，無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)，另一部分則會(huì)在時(shí)間推移下逐漸恢復(fù)。其中，前者即為人們所說(shuō)的車(chē)轍損害，這種損害會(huì)造成連鎖破壞問(wèn)題，對(duì)行車(chē)的舒適性以及安全性產(chǎn)生極大的威脅。

而能夠?qū)MA高溫穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)的方法多種多樣，包括動(dòng)載試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)以及彎曲蠕變?cè)囼?yàn)等。本文決定通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)永久變形以及穩(wěn)定度DS，對(duì)SMA自身的高溫抗變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體要根據(jù)國(guó)家相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)試件進(jìn)行準(zhǔn)備，試件長(zhǎng)寬高分別為300mm、300mm、50mm。試驗(yàn)期間的溫度設(shè)置為60℃，針對(duì)試件設(shè)置0.7MPa±0.05MPa的輪壓，碾壓速度按照42次/min設(shè)置。正常情況下，溫拌橡膠SMA的高溫穩(wěn)定性DS要在3000次/mm以上，而試驗(yàn)試件的穩(wěn)定度均遠(yuǎn)超該指標(biāo)，并且試驗(yàn)期間的永久變形問(wèn)題相對(duì)較小，由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的SMA級(jí)配骨料有著良好的嵌擠能力[7]。

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性顧名思義就是SMA路面對(duì)于水損害的抵抗能力。而在瀝青路面當(dāng)中，水損害是一種較為常見(jiàn)的病害問(wèn)題。水損害會(huì)因?yàn)樗蛘邇鋈谘h(huán)，加上車(chē)輛動(dòng)態(tài)荷載，在路面空隙當(dāng)中形成真空負(fù)壓泵吸或者動(dòng)水壓力，導(dǎo)致路面受損，水分進(jìn)入集料和瀝青界面當(dāng)中降低瀝青黏結(jié)性，致使瀝青脫落導(dǎo)致路面形成坑槽，影響車(chē)輛正常通行[8]。

對(duì)于水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法包括，浸水車(chē)轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、水煮法以及水浸法等，由于凍融劈裂試驗(yàn)以及浸水車(chē)轍試驗(yàn)與路面實(shí)際情況最為接近，且前者為行業(yè)普遍應(yīng)用的試驗(yàn)方法，所以本文也通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)SMA自身的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)之前，根據(jù)相關(guān)規(guī)程對(duì)試件進(jìn)行制作，獲得8個(gè)溫拌橡膠SMA試件，并平均將其分為兩組，第一組在室溫條件下備用，第二組放在真空條件下15min，在恢復(fù)常壓以后靜置在水中0.5h，再放入密封環(huán)境中，添加純凈水10mL，再置于-18℃的恒溫冰箱當(dāng)中16h，最后使用60℃的恒溫水進(jìn)行24h的養(yǎng)護(hù)。取出試件以后與第一組試件同時(shí)放在25℃的恒溫水槽當(dāng)中靜置2h，并利用馬歇爾穩(wěn)定度儀對(duì)其劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)試件加載期間的荷載峰值進(jìn)行記錄，做好試件凍融劈裂強(qiáng)度比的計(jì)算工作[9]。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，溫拌橡膠SMA試件在凍融劈裂強(qiáng)度方面均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以確定該混合料的水穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，溫拌橡膠瀝青瑪蹄脂路面具有穩(wěn)定性好、成本投入低等諸多的優(yōu)勢(shì)，將其進(jìn)行應(yīng)用能夠使公路建設(shè)質(zhì)量得到顯著的提升，這對(duì)于公路建設(shè)活動(dòng)的有效開(kāi)展以及國(guó)家交通運(yùn)輸能力的不斷提升有著非常積極的作用。因此，相關(guān)部門(mén)應(yīng)該對(duì)這種路面施工技術(shù)保持重視，并且要做好關(guān)鍵控制技術(shù)的研究工作，確保其能在公路建設(shè)中得到更好的應(yīng)用。