SMA-13瀝青混合料在濕熱地區(qū)高速公路路面中的應(yīng)用

李燁宏

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

SMA瀝青混合料為瀝青瑪蹄脂碎石，采用間斷級(jí)配設(shè)計(jì)理念?；旌狭现?，粗集料和瀝青含量高，細(xì)集料比例小，具有優(yōu)異的骨架結(jié)構(gòu)，使其混合料具有良好的耐高溫、抗滑性能，纖維起到吸收油脂和貫穿混合料的作用，使得混合料具有良好的表面構(gòu)造。廣東省內(nèi)高速公路路面磨耗層越來越多地采用SMA，與此同時(shí)，對(duì)SMA施工技術(shù)控制的要求較高。

國內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)SMA混合料從配合比設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制等多方面展開不同層次的研究。如張肖寧和龔鴿等人針對(duì)SMA瀝青路面施工質(zhì)量展開研究；李娟等對(duì)SMA瀝青路面抗滑輪廓構(gòu)造及施工質(zhì)量評(píng)價(jià)；陳永昌分析了SMA-10面層施工工藝；鐘國武等人通過試驗(yàn)研究了高性能SMA混合料的使用性能；郭偉堅(jiān)對(duì)改性瀝青SMA在鋼橋面鋪裝工程的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究。雖然目前針對(duì)SMA混合料取得了一定的成果，但進(jìn)一步的推廣應(yīng)用還需更多的理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目根據(jù)工程變更設(shè)計(jì)要求，將主線和樞紐互通立交匝道一般路段的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層由原設(shè)計(jì)4.5cm厚GAC-16(PG82 改性)+5.5cm厚GAC-20C(改性)+8cm厚粗粒式瀝青混凝土 GAC-25變更為4cm厚SMA-13(PG76改性)+6cm厚GAC-20C(PG76改性)+8cm厚粗粒式瀝青混凝土GAC-25，如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)變更

2 SMA-13目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

上面層SMA-13粗集料為輝綠巖，集料粒徑規(guī)格分別為10～15mm、5～10mm、3～5mm；細(xì)集料為輝綠巖自制0～3mm機(jī)制砂；采用五華縣譚下鎮(zhèn)君其石灰石廠生產(chǎn)的礦粉，由石灰?guī)r磨細(xì)制成；水泥為華潤水泥(封開)有限公司生產(chǎn)的PO42.5水泥；瀝青為殼牌新粵(佛山)瀝青有限公司生產(chǎn)的PG-76 SBS改性瀝青。

原材料試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

表1 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

表2 SBS(I-D)改性瀝青物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表3 RTFOT(163℃，75min)老化后物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)廣東省濕熱的環(huán)境氣候特點(diǎn)，在進(jìn)行SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮瀝青混合料的抗高溫性能和抗水損害的能力，取油石比為6.2%，設(shè)計(jì)級(jí)配見表4和圖2所示，混合料性能見表5。

圖2 SMA-13礦料合成級(jí)配曲線

表4 SMA-13礦料合成級(jí)配

表5 目標(biāo)配合比性能驗(yàn)證

從表5試驗(yàn)結(jié)果分析，選取瀝青混合料油石比6.2%所測(cè)馬歇爾指標(biāo)均滿足JTG F40-2004及SMA-13改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)技術(shù)要求。因此，最終選定礦料摻配比例為：10～15mm：5～10mm：3～5mm：0～3mm：礦粉：水泥=39：33：5：13：9：1，纖維摻量為瀝青混合料的0.35%，油石比為6.2%。

3 試驗(yàn)路鋪筑及性能檢測(cè)

3.1 鋪筑方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證配比和油石比對(duì)SMA-13的影響，在目標(biāo)配合比的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目按照5個(gè)生產(chǎn)配合比方案(表6)，分別鋪筑長度為280m、210m、210m、260m、280m的試驗(yàn)段，試驗(yàn)路寬度15.10m，厚度4cm。施工當(dāng)日天氣晴朗，最高氣溫31℃，最低氣溫25℃。

表6 不同方案的級(jí)配

3.2 混合料性能驗(yàn)證

3.2.1 馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)上述5種鋪筑方案的級(jí)配和油石比，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 5種鋪筑方案的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：5種鋪筑方案的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求；方案2和方案1相比，小于4.75mm的細(xì)粒材料摻配比例不變，油石比不變，僅變化11～16mm和6～11mm的摻配比例。結(jié)果表明，最大檔的占比增大，試件的毛體積相對(duì)密度減小，空隙率、飽和度增大，礦料間隙率增大，穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、流值減小。分析認(rèn)為主要是粗粒增大，合成級(jí)配的比表面積減小所致。方案5和方案4相比，級(jí)配完全相同，只是油石比降低0.1%，發(fā)現(xiàn)空隙率增加，飽和度、礦料間隙率降低，穩(wěn)定度和流值增加，殘留穩(wěn)定度減少，說明適當(dāng)降低瀝青用量可以提高瀝青混合料的初始穩(wěn)定度，但會(huì)降低抗水損壞的能力。

3.2.2 肯塔堡飛散試驗(yàn)

為了驗(yàn)證5種方案的SMA-13混合料在車輛荷載反復(fù)作用下瀝青與集料的粘結(jié)能力，對(duì)上述5種混合料進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20℃±0.5℃，試件在恒溫水箱養(yǎng)生時(shí)間為20h。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，飛散試驗(yàn)單值最大為方案4，最小為方案5，5種方案測(cè)試結(jié)果均小于設(shè)計(jì)要求的≯15。說明在合理的級(jí)配范圍內(nèi)，油石比的增大會(huì)降低瀝青混合料抗脫落和掉粒等能力。

3.2.3 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)

采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定SMA-13混合料的最大瀝青用量。依據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)溫度為185℃，烘箱加熱時(shí)間為60min±1min，共做4次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 SMA-13析漏損失試驗(yàn)結(jié)果

析漏損失單值最大是方案1和方案3，為0.07%；其余方案最小為0.06%。5種方案的謝倫堡瀝青析漏損失均小于設(shè)計(jì)要求的≯0.1。

3.2.4 高溫穩(wěn)定性

采用170℃的拌和溫度拌和5種SMA-13瀝青混合料，并以165℃的溫度成型三塊尺寸為300mm×300mm×50mm的車轍板，進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)采用輪壓為0.6MPa，試驗(yàn)溫度為60℃。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 SMA-13車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知，5種方案的動(dòng)穩(wěn)定度均大于10 000次/mm，大于設(shè)計(jì)要求的6 000次/mm，說明該瀝青混合料具有較好的抵抗高溫變形的能力，能夠滿足廣東省濕熱環(huán)境的要求。5種方案的滲水系數(shù)分別為28ml/min、23ml/min、24ml/min、27ml/min、32ml/min，大大小于設(shè)計(jì)要求的150ml/min。

3.3 路用性能檢測(cè)

整體來看，路面施工質(zhì)量較好(圖3)。通過對(duì)比不同方案的芯樣圖片，發(fā)現(xiàn)方案4的級(jí)配更加優(yōu)異，整體骨架結(jié)構(gòu)良好，如圖4所示。

圖3 整體鋪面效果

圖4 方案4芯樣骨架結(jié)構(gòu)

3.3.1 厚度與壓實(shí)度

路面鋪筑完成后次日，通過現(xiàn)場鉆取芯樣，測(cè)試其厚度和壓實(shí)度，每個(gè)鋪筑方案取2個(gè)芯樣，分別測(cè)試其厚度、密度，并計(jì)算出壓實(shí)度和空隙率。試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 不同方案芯樣壓實(shí)度

由表11可知：5種方案上面層厚度和總厚度均符合設(shè)計(jì)要求，單層厚度最大值為50mm，最小值為36mm，總厚度最大值195mm，最小值為177mm。按照馬歇爾壓實(shí)度，方案2、方案3、方案5出現(xiàn)壓實(shí)度“超百”現(xiàn)象。從空隙率來看，方案2和方案3的級(jí)配最差，空隙率不在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

3.3.2 彎沉和滲水

按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)5種方案的SMA-13上面層進(jìn)行彎沉和滲水系數(shù)的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 5種方案的彎沉值

圖6 5種方案的滲水系數(shù)

由圖5可知，方案3的實(shí)測(cè)彎沉值最小，為0.05mm；最大為0.098mm，但是均小于設(shè)計(jì)彎沉值0.198mm；方案1和方案2相比較可知在油石比相同的情況下，級(jí)配要求范圍內(nèi)10～15mm碎石所占比例的增加會(huì)使得彎沉值減小；方案4和方案5比較可知，礦料級(jí)配相同的情況下，在合理的油石比范圍之內(nèi)，隨著油石比的降低，彎沉增大。

由圖6可知，方案1和方案2的滲水系數(shù)明顯偏大，方案3和方案4的滲水系數(shù)較小，但都小于設(shè)計(jì)要求的≤150ml/min。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況分析，造成這種差異的主要原因，一是剛開始時(shí)攤鋪機(jī)各方面性能不佳，人機(jī)配合不足；二是級(jí)配和施工溫度的因素。

3.3.3 構(gòu)造深度

為了驗(yàn)證5種方案對(duì)構(gòu)造深度的影響，采用手工砂鋪儀對(duì)每種SMA-13試驗(yàn)方案測(cè)試兩次構(gòu)造深度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 5種方案的構(gòu)造深度

由圖7可知，采用手工鋪砂法測(cè)試5種路面鋪筑方案的構(gòu)造深度結(jié)果均大于設(shè)計(jì)要求的≥0.8mm，5種方案的構(gòu)造深度集中在0.8～1.0mm之間；方案1、方案2相比可知隨著最大檔粗集料的增加、構(gòu)造深度增加；方案3和方案5的突變說明施工均勻性對(duì)構(gòu)造深度的影響不容忽視。

3.3.4 平整度

采用連續(xù)式平整度儀測(cè)試5種鋪筑方案的平整度。每個(gè)試驗(yàn)段方案在主車道選取長度為100m的測(cè)試段，每10cm采集一次數(shù)據(jù)，輸出100m范圍內(nèi)的平整度,如圖8所示。

圖8 5種方案的平整度

由圖8可知，方案1～方案3的平整度為0.7mm，方案4的平整度最小，為0.61mm。方案5次之，為0.63mm。說明級(jí)配輕微的變化對(duì)平整度的影響較小，可以忽略，但是施工機(jī)械對(duì)平整度的影響不可小覷。

3.3.5 抗滑性能

采用指針式擺式儀對(duì)5種方案的SMA-13路面進(jìn)行抗滑測(cè)試。每個(gè)方案選取2個(gè)測(cè)試位置，每個(gè)測(cè)試位置選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試5次，取5次結(jié)果的平均值為測(cè)試路面溫度下測(cè)點(diǎn)的BPN值，取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值為該位置的測(cè)試值。為了使各溫度下的BPN值有可比性，對(duì)各測(cè)試溫度下的BPN值換算成20℃的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。方案1～方案3測(cè)試時(shí)路面溫度為38℃，方案4～方案5測(cè)試時(shí)路面溫度為40℃。換算后的結(jié)果如圖9所示。

圖9 5種方案的BPN測(cè)試值

由圖9可知，5種鋪筑方案的BPN值均大于54，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在級(jí)配范圍內(nèi)0～3mm細(xì)集料含量的增加，會(huì)在一定程度上提高路面的抗滑性能。

4 結(jié)語

SMA-13因其粗集料和瀝青含量偏高，木質(zhì)素纖維貫穿其中，屬于典型的骨架結(jié)構(gòu)，表面構(gòu)造分布致密，是一種具有優(yōu)良抗高溫和抗滑性能的磨耗層。本文依托實(shí)體工程，設(shè)計(jì)了5種不同級(jí)配和油石比的方案，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)段檢測(cè)，綜合分析5種方案對(duì)混合料路用性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)的5種SMA-13方案路面平整度、構(gòu)造深度、滲水抗滑等性能優(yōu)異。經(jīng)綜合分析，方案4的各項(xiàng)指標(biāo)最好。

(2)施工機(jī)械和人機(jī)配合對(duì)SMA-13混合料性能的影響不容忽視，以后的施工要對(duì)各施工機(jī)械調(diào)整，以求得到更加均勻的鋪面效果。

(3)本項(xiàng)目鋪筑5種試驗(yàn)路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)SMA-13路面的設(shè)計(jì)和施工提供參考。