改進(jìn)型SMA13在桂柳高速水泥路面瀝青加鋪層中的應(yīng)用

王小華， 馬進(jìn)

(1.柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司， 廣西 柳州 545005；2.廣西交投科技有限公司)

1 前言

桂(林)柳(州)高速公路為水泥混凝土路面，自1997年通車(chē)以來(lái)，由于交通流量較大、超載重載車(chē)輛比例高、又地處桂北山區(qū)，水泥路面損壞嚴(yán)重。為了改善路況，桂柳高速公路于2015年開(kāi)始實(shí)施水泥路面加鋪瀝青面層的舊路改造工作。針對(duì)桂柳高速公路沿線夏季炎熱、高溫多雨，交通量大、荷載重，長(zhǎng)大縱坡較多等工程特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多方論證，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的表面層最終設(shè)計(jì)為SMA13瀝青混凝土。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)SMA路面開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》也對(duì)其如何設(shè)計(jì)做出了相應(yīng)的規(guī)定。既有研究中，SMA在進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)時(shí)，通常使用50次馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定最佳油石比，并據(jù)此進(jìn)行路用性能評(píng)價(jià)。這種設(shè)計(jì)思想對(duì)于中、輕交通等級(jí)的道路具有一定的合理性，但對(duì)于桂柳高速公路這種重載交通、長(zhǎng)大縱坡路段多的山區(qū)道路而言，由于擊實(shí)次數(shù)偏低、擊實(shí)功較小，不能很好地模擬重載交通的實(shí)際情況，碾壓完成后SMA瀝青混凝土路面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空隙率會(huì)明顯小于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致壓實(shí)度超100%的現(xiàn)象十分普遍，相應(yīng)地，路用性能也會(huì)與設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。由于桂柳高速公路地處華南濕熱山區(qū)，夏季氣溫高，加上重載交通嚴(yán)重，長(zhǎng)大縱坡處貨車(chē)車(chē)速低、行駛緩慢，對(duì)瀝青加鋪層的材料組成設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。

此外，由于原材料生產(chǎn)加工時(shí)不可避免地存在變異性，當(dāng)原材料級(jí)配的變異水平過(guò)大時(shí)，會(huì)引起合成級(jí)配曲線發(fā)生明顯波動(dòng)，瀝青混合料的材料組成會(huì)受到較大影響，從而導(dǎo)致路用性能降低。如果能在材料組成設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)原材料的級(jí)配波動(dòng)給予充分重視，并考慮到這一波動(dòng)對(duì)路用性能所產(chǎn)生的不利影響，對(duì)于施工質(zhì)量控制而言，具有重要意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，該文依托廣西桂柳高速公路水泥路面改造工程，提出在材料組成設(shè)計(jì)中提高SMA13瀝青混合料的擊實(shí)功并充分考慮原材料級(jí)配波動(dòng)范圍對(duì)路用性能產(chǎn)生影響的技術(shù)思路，對(duì)SMA13瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，得到改進(jìn)型SMA13瀝青混凝土路面，通過(guò)在桂柳高速公路中的應(yīng)用，以檢驗(yàn)其路用性能。

2 原材料

改進(jìn)型SMA13瀝青混合料，瀝青使用SBS改性瀝青I-D，其性能指標(biāo)如表1所示。粗集料使用輝綠巖，規(guī)格為10～15、5～10 mm，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2、3所示。細(xì)集料使用石灰?guī)r機(jī)制砂，規(guī)格為0～3 mm，其性能指標(biāo)如表4所示。礦粉為普通礦粉，纖維使用德國(guó)進(jìn)口顆粒狀木質(zhì)素纖維，其性能指標(biāo)如表5、6所示。由表1～6可以看出：使用的原材料均符合相關(guān)技術(shù)要求。

表1 瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

表2 粒徑10～15 mm輝綠巖粗集料性能檢測(cè)結(jié)果

表3 粒徑5～10 mm輝綠巖粗集料性能檢測(cè)結(jié)果

表4 石灰?guī)r機(jī)制砂性能檢測(cè)結(jié)果

表5 礦粉性能檢測(cè)結(jié)果

表6 纖維性能檢測(cè)結(jié)果

3 改進(jìn)型SMA瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

桂柳高速公路水泥路面改造工程地處夏炎熱區(qū)，交通荷載為特重交通等級(jí)。通過(guò)前面的調(diào)研可知，目前SMA13通常使用50次馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定最佳油石比，這對(duì)于特重交通等級(jí)、長(zhǎng)大縱坡路段多的桂柳高速公路而言，由于擊實(shí)功較小，不能很好地模擬實(shí)際交通狀況。為此，將擊實(shí)功提高：由SMA13室內(nèi)配合比試驗(yàn)時(shí)的50次馬歇爾擊實(shí)提高至75次，使得室內(nèi)試驗(yàn)的擊實(shí)功與現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)水平、交通荷載水平更加匹配。此外，考慮到桂柳高速公路地處夏炎熱區(qū)，瀝青路面的高溫性能十分關(guān)鍵，為此將車(chē)轍試驗(yàn)溫度由60 ℃提高為70 ℃，并引入相對(duì)變形指標(biāo)，綜合保證SMA13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，瀝青混合料的部分設(shè)計(jì)參數(shù)也根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，將礦料間隙率(VMA)要求調(diào)整為不小于16.5%、空隙率(VV)范圍調(diào)整為3.0%～4.5%，調(diào)整后的SMA13材料組成設(shè)計(jì)及路用性能技術(shù)要求見(jiàn)表7。

表7 改進(jìn)型SMA13材料組成設(shè)計(jì)及路用性能技術(shù)要求

3.2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

目前目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中瀝青混合料的合成級(jí)配曲線，主要根據(jù)各檔原材料礦料級(jí)配篩分結(jié)果的平均值進(jìn)行合成后而獲得，在設(shè)計(jì)階段最終只以某一條單一的級(jí)配曲線進(jìn)行體積指標(biāo)及路用性能驗(yàn)證，如果原材料礦料級(jí)配的變異性過(guò)高，在各檔冷料比例不變的情況下，會(huì)引起合成級(jí)配曲線發(fā)生顯著波動(dòng)，從而影響到瀝青混合料的級(jí)配組成，并最終導(dǎo)致路用性能的降低，這將直接導(dǎo)致施工質(zhì)量控制難度增大。而如果能在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段，對(duì)原材料級(jí)配波動(dòng)所引起的路用性能變化給予充分重視，使得變異性導(dǎo)致的性能降低在可控的范圍之內(nèi)，對(duì)于保證工程質(zhì)量具有重要意義。為此，在借鑒柳(州)南(寧)高速公路路面改造工程成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出桂柳高速公路表面層SMA13設(shè)計(jì)的改進(jìn)思路，即：在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段，充分考慮礦料級(jí)配變異對(duì)合成級(jí)配曲線和路用性能產(chǎn)生的影響，并通過(guò)對(duì)均值合成級(jí)配、上控制線合成級(jí)配和下控制線合成級(jí)配的性能驗(yàn)證，評(píng)價(jià)原材料變異性的可接受程度，當(dāng)無(wú)法接受時(shí)，需要進(jìn)一步控制原材料的加工質(zhì)量，以保證混合料的耐久性。采用這一思路進(jìn)行改進(jìn)后的SMA13目標(biāo)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述如下。

(1) 對(duì)原材料中的各檔礦料進(jìn)行多次取樣篩分，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的平均值、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

(2) 按照各檔礦料篩分結(jié)果的平均值加k倍標(biāo)準(zhǔn)差，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的上波動(dòng)線；按照各檔礦料篩分結(jié)果的平均值減k倍標(biāo)準(zhǔn)差，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的下波動(dòng)線；由上、下波動(dòng)線組成各檔礦料篩分結(jié)果的波動(dòng)范圍，用于反映原材料的變異性。

(3) 根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果的平均值，參考設(shè)計(jì)級(jí)配要求，確定各檔礦料的合理比例，得到基于篩分結(jié)果平均值的合成級(jí)配曲線，稱(chēng)為均值合成級(jí)配，據(jù)此開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)工作，確定最佳油石比以及路用性能驗(yàn)證結(jié)果。

(4) 根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動(dòng)線，采用(3)中確定的各檔礦料比例，進(jìn)行級(jí)配合成，得到的兩條級(jí)配曲線分別稱(chēng)為：上控制線合成級(jí)配、下控制線合成級(jí)配，開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)工作，確定兩條級(jí)配曲線的最佳油石比和路用性能驗(yàn)證結(jié)果。

(5) 當(dāng)均值合成級(jí)配、上控制線合成級(jí)配和下控制線合成級(jí)配的路用性能均滿足要求時(shí)，可選擇均值合成級(jí)配曲線作為目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。否則，說(shuō)明原材料變異性過(guò)大，應(yīng)調(diào)整礦料的生產(chǎn)加工工藝，提高質(zhì)量控制水平，降低變異性。

4 桂柳高速公路改進(jìn)型SMA13瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

桂柳高速公路路面改造工程路面1標(biāo)使用的SMA13設(shè)計(jì)級(jí)配要求如表8所示。根據(jù)工程特點(diǎn)，SMA13由10～15、5～10 mm輝綠巖粗集料、0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂、石灰?guī)r礦粉共4檔礦料組成，目標(biāo)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)流程按照下述幾個(gè)步驟進(jìn)行。

表8 SMA13瀝青混凝土設(shè)計(jì)級(jí)配

(1) 獲取4檔礦料的級(jí)配變異性統(tǒng)計(jì)參數(shù)

對(duì)4檔礦料進(jìn)行多次取樣，開(kāi)展20次以上的平行篩分試驗(yàn)，計(jì)算4檔礦料篩分結(jié)果的平均值、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，結(jié)果如表9所示。

表9 4檔礦料篩分試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(2) 獲取4檔礦料的級(jí)配變異區(qū)間

按照4檔礦料篩分結(jié)果的平均值加、減兩倍標(biāo)準(zhǔn)差，獲得每檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動(dòng)線，得到4檔礦料篩分結(jié)果的級(jí)配變異區(qū)間，用于反映原材料的變異性，結(jié)果如表10所示。

表10 4檔礦料的級(jí)配變異區(qū)間

(3) 確定基于均值合成級(jí)配的4檔礦料合理比例

根據(jù)4檔礦料篩分結(jié)果的平均值，參考表8設(shè)計(jì)級(jí)配要求，確定4檔礦料的合理比例，得到均值合成級(jí)配。經(jīng)試配，桂柳高速公路路面改造工程路面1標(biāo)使用的SMA13礦料的合理比例如表11所示。

表11 均值合成級(jí)配的礦料比例及級(jí)配

(4) 開(kāi)展基于均值合成級(jí)配的材料組成設(shè)計(jì)和路用性能驗(yàn)證

采用表11中的級(jí)配開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)工作，確定最佳油石比，驗(yàn)證路用性能。根據(jù)3.1節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化思路，試驗(yàn)時(shí)將SMA13的擊實(shí)功提高，由室內(nèi)配合比試驗(yàn)時(shí)的50次馬歇爾擊實(shí)提高至75次，將車(chē)轍試驗(yàn)溫度由60 ℃提高為70 ℃，并引入相對(duì)變形指標(biāo)。同時(shí)，瀝青混合料礦料間隙率(VMA)要求調(diào)整為不小于16.5%、空隙率(VV)范圍調(diào)整為3.0%～4.5%。SMA13材料組成設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合表7中的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，可確定最佳油石比為5.6%。開(kāi)展最佳油石比下的相關(guān)路用性能驗(yàn)證，結(jié)果如表12所示。

圖1 SMA13材料組成設(shè)計(jì)結(jié)果

表12 SMA13路用性能驗(yàn)證

由表12可知：均值合成級(jí)配下混合料的路用性能優(yōu)異，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，不用對(duì)4檔礦料比例做出調(diào)整。

(5) 上、下控制線合成級(jí)配的性能驗(yàn)證

根據(jù)4檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動(dòng)線，采用(4)中確定的各檔礦料比例，進(jìn)行級(jí)配合成，得到上控制線合成級(jí)配、下控制線合成級(jí)配，結(jié)果如表13所示。

從表13可以看出：受礦料級(jí)配變異性的作用，上、下控制線的一些篩孔，與表8中的設(shè)計(jì)級(jí)配要求相比，存在一定偏差，會(huì)給材料組成帶來(lái)較大影響。

采用表13中的級(jí)配開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)和路用性能驗(yàn)證工作，主要試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表13 上、下控制線合成級(jí)配組成

表14 上、下控制線配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證結(jié)果

由表14可知：雖然上、下控制線合成級(jí)配的路用性能符合技術(shù)指標(biāo)要求，但總體上二者的性能都不如均值合成級(jí)配，由原材料級(jí)配變異性所引起的瀝青混合料路用性能的降低還是比較顯著。所以，為了保證工程質(zhì)量，對(duì)于原材料的級(jí)配控制一定要給予充分重視，使其處于較低的變異水平，將合成級(jí)配曲線控制在上、下控制線之間。

通過(guò)上述試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于桂柳高速公路路面改造工程路面1標(biāo)而言，均值合成級(jí)配、上控制線合成級(jí)配和下控制線合成級(jí)配3條級(jí)配曲線的路用性能均可通過(guò)驗(yàn)證，最終可以選擇均值合成級(jí)配所確定的4檔礦料比例作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

4.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以確定用于該工程的SMA13瀝青混合料的目標(biāo)配合比冷料比例為(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～3 mm)∶礦粉=39%∶35%∶17%∶9%，最佳油石比為5.6%。

5 工程應(yīng)用效果

改進(jìn)型SMA13在桂柳高速公路路面改造工程中共鋪筑96.025 km，施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了大樣本量的路用性能抽檢試驗(yàn)，路面1標(biāo)的抽檢試驗(yàn)結(jié)果如表15所示。

表15 桂柳高速公路路面改造工程路面1標(biāo)

從表15可以看出：① 改進(jìn)型SMA13瀝青混合料路用性能的變異性較低，油石比、礦料級(jí)配、壓實(shí)度和路用性能等均處于較低的變異水平，工程質(zhì)量控制良好；② 改進(jìn)后SMA13的70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度抽檢結(jié)果可達(dá)6 354次/mm，高溫性能十分優(yōu)異，對(duì)于地處夏炎熱區(qū)、交通荷載重的桂柳高速公路而言，有利于保證路面的高溫耐久性，工程應(yīng)用效果良好。

根據(jù)前面的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用可知：桂柳高速公路使用的改進(jìn)型SMA13之所以具有較低的施工變異性，是由于在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段充分考慮了礦料級(jí)配變異對(duì)合成級(jí)配曲線和路用性能所產(chǎn)生的影響，并通過(guò)對(duì)均值合成級(jí)配、上控制線合成級(jí)配和下控制線合成級(jí)配的性能驗(yàn)證，評(píng)價(jià)原材料變異性的可接受程度，以保證混合料的耐久性，對(duì)施工質(zhì)量控制而言更加有利。

6 結(jié)語(yǔ)

為了保證SMA13瀝青混凝土路面能夠更好地模擬實(shí)際交通情況和自然環(huán)境，減少原材料變異性所引起的路用性能降低，依托桂柳高速公路路面改造工程，提出了一種改進(jìn)型SMA13瀝青混凝土設(shè)計(jì)思想，利用提高馬歇爾擊實(shí)功的方法模擬車(chē)輛荷載對(duì)壓實(shí)混合料的實(shí)際作用，通過(guò)在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中考慮原材料級(jí)配波動(dòng)的影響保證瀝青混合料處于較低的變異水平。所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型SMA13瀝青混凝土在桂柳高速公路中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，抽檢得到的油石比、礦料級(jí)配、壓實(shí)度和路用性能等均處于較低的變異水平，路用性能優(yōu)異，取得了較好的工程應(yīng)用效果。研究成果可為同類(lèi)工程提供一定的借鑒和參考。