溫拌橡膠瀝青瑪蹄脂碎石路面關鍵控制技術(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稱，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中形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，使SMA 混合料能夠獲得較強的抗車轍能力，而瑪蹄脂結(jié)合料則是由細集料、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用，由于其具有較強的黏度、綜合性能良好，將其用在SMA 混合料當中，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，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 混合料的應用價值和效果，還需要在具體施工過程中強化對其關鍵控制技術(shù)的研究。

1 溫拌橡膠瀝青SMA 配合比設計

結(jié)合相關研究及以往施工經(jīng)驗可以確定，瀝青混合料在路用性能方面經(jīng)常會受到礦料級配的影響，而良好的礦料級配是確保混合料強度及耐久性的基礎。因此，為確保SMA 瀝青路面的施工質(zhì)量，必須要針對混合料級配進行合理的設置。

當前階段，國內(nèi)外在對瀝青混合料進行級配設計的過程中，常用的方法有兩種：一是以最大密度曲線為基礎的設計方法；二是，針對集料體積特性進行綜合考慮的設計方法。其中，前者由于沒有對集料顆粒特性以及混合料體積特性進行考慮，所以很難通過體積結(jié)構(gòu)特征對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第一種方法的不足之處進行有效彌補。具體如下：

1.1 相關設計要點

從某種程度上來講，貝雷法是一種具有較強系統(tǒng)性的級配設計方法，應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轍能力，并且可以準確控制粗細集料比例，確?；旌狭系哪途眯?。其級配思路主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

第一，由粗集料構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，并在骨架間隙當中填充細集料，能夠使瀝青混合料的強度和抗車轍能力得到有效保障。第二，對體積參數(shù)進行合理的設計，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。

但在落實級配設計工作前，相關人員需要對三項因素進行考慮。第一，設計密度。改變設計密度，能夠?qū)Υ旨毤媳壤M行調(diào)整。第二，篩孔通過率。通過對篩孔通過率進行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)礦粉用量以及細集料用量的有效控制。第三，粗細集料的體積構(gòu)成，改變兩者的體積構(gòu)成，同樣會對粗細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。

從理論角度來看，設計密度通常會介于干搗密度和松裝密度之間，據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，設計密度和粗集料的骨架形成性能具有密切的關聯(lián)，如果設計密度比松裝密度小，則通常粗集料無法構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，而如果設計密度過高于干搗密度，則在施工當中需要設置較大的壓力，才能使混合料的壓實度達標，但這會增加壓實施工的難度，且容易出現(xiàn)集料破碎的情況。因此，設計密度通常是以松裝密度為基礎進行設計，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，很多國家都針對SMA 中的瀝青用量有明確規(guī)定。例如，歐洲標準要求根據(jù)礦料合成毛體積密度和瀝青用量下限間的關聯(lián)確定初始的瀝青用量。

第二，以最緊密狀態(tài)設計法為基礎來明確最佳石油比。正常來說，瀝青混合料在體積狀態(tài)方面的描述都會涉及兩種類型，一種是密實狀態(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)旌狭袭斨械牡V料結(jié)構(gòu)構(gòu)成加以反映，屬于混合料壓實期間的某種節(jié)點狀態(tài)，該節(jié)點狀態(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。而礦料的組成通常取決于級配，在瀝青用量不斷增加的情況下，骨料結(jié)構(gòu)的破壞風險也會隨之提升，因此，緊密狀態(tài)又可視為混合料骨架結(jié)構(gòu)撐開以前的狀態(tài)。

從理論上講，如果瀝青混合料及其級配處在固定狀態(tài)時，在試驗條件相同的情況下，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，借助二次曲線對其中的函數(shù)關系進行擬合，最終獲得三種級配的最佳油石比為6.3%、6.2%以及6.4%。這三種級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，通過最緊密設計方法獲得的最佳油石比，能夠滿足工程的設計以及瀝青使用下限的要求。

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

圖1 三個級配試件經(jīng)馬歇爾試驗以后切開的斷面

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，其在使用期間會暴露在自然環(huán)境當中，再加上車輛荷載等因素的影響，會出現(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，必須要對其路用性進行確定，而路用性的評定主要涉及三個指標，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)境當中對于收縮開裂現(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，會在公路面層材料當中形成較強的溫度應力，而這種應力通常短時間之內(nèi)無法利用應力松弛進行釋放，如果溫度應力過高，大于面層材料的極限，就會在面層當中出現(xiàn)開裂問題。第二，溫度疲勞裂縫。在溫度反復變化的情況下，溫度應力對于SMA 路面的影響是反復循環(huán)的，再加上SMA 路面在自然環(huán)境當中長期使用，因紫外線、熱、氧等相關因素的影響，會逐漸老化，進而導致其極限的應力松弛能力、拉應變能力不斷衰減，雖然反復循環(huán)狀態(tài)下的溫度應力普遍較小，并不會在路面當中立即形成裂縫問題，但隨著溫度應力的積累以及路面結(jié)構(gòu)的反復變化，就容易出現(xiàn)疲勞裂縫。

對于SMA 的低溫性能評價，主要是依靠疲勞試驗以及低溫彎曲試驗來實現(xiàn)。其中，低溫彎曲實驗涉及諸多的種類，且評價指標較為繁雜。目前，較為常用的方法包括半圓彎曲試驗、小梁彎曲試驗、溫度應力試驗、間接拉伸試驗以及直接拉伸試驗等，而低溫性能評價指標則包含彎曲勁度模量、最大彎拉應變模量、J 積分以及低溫抗彎拉強度等。而本文主要借助小梁彎曲試驗對溫拌橡膠SMA 的低溫抗裂性能進行評價，試驗使用250mm×30mm×35mm 的試件，其跨徑設置為200mm，按照50mm/min 的加載速率展開試驗。

經(jīng)過試驗確定，溫拌橡膠SMA 的低溫彎拉強度是10.9MPa，而極限彎拉應變模量為3247με，符合相關規(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，就很容易在路面當中形成各種早期病害，如推移、車轍等。而通過試驗也可以確定，瀝青混合料受到高溫環(huán)境的影響，其剛度以及強度都會有所下降，這也意味著抗變形能力會隨之下降。而在車輛荷載影響下的變形問題主要包含兩部分，一部分是永久變形，無法自動恢復，另一部分則會在時間推移下逐漸恢復。其中，前者即為人們所說的車轍損害，這種損害會造成連鎖破壞問題，對行車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)定性進行試驗的方法多種多樣，包括動載試驗、車轍試驗以及彎曲蠕變試驗等。本文決定通過車轍試驗進行檢驗，通過永久變形以及穩(wěn)定度DS，對SMA 自身的高溫抗變形能力進行評價。具體要根據(jù)國家相關試驗規(guī)程對試件進行準備，試件長寬高分別為300mm、300mm、50mm。試驗期間的溫度設置為60℃，針對試件設置0.7MPa±0.05MPa的輪壓，碾壓速度按照42 次/min 設置。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，而試驗試件的穩(wěn)定度均遠超該指標，并且試驗期間的永久變形問題相對較小，由此可見，本文設計的SMA 級配骨料有著良好的嵌擠能力。

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性顧名思義就是SMA 路面對于水損害的抵抗能力。而在瀝青路面當中，水損害是一種較為常見的病害問題。水損害會因為水或者凍融循環(huán)，加上車輛動態(tài)荷載，在路面空隙當中形成真空負壓泵吸或者動水壓力，導致路面受損，水分進入集料和瀝青界面當中降低瀝青黏結(jié)性，致使瀝青脫落導致路面形成坑槽，影響車輛正常通行。

對于水穩(wěn)定性的試驗方法包括，浸水車轍試驗、凍融劈裂試驗、水煮法以及水浸法等，由于凍融劈裂試驗以及浸水車轍試驗與路面實際情況最為接近，且前者為行業(yè)普遍應用的試驗方法，所以本文也通過凍融劈裂試驗對SMA 自身的水穩(wěn)定性進行評價。

試驗之前，根據(jù)相關規(guī)程對試件進行制作，獲得8個溫拌橡膠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℃的恒溫冰箱當中16h，最后使用60℃的恒溫水進行24h 的養(yǎng)護。取出試件以后與第一組試件同時放在25℃的恒溫水槽當中靜置2h，并利用馬歇爾穩(wěn)定度儀對其劈裂抗拉強度進行測定，對試件加載期間的荷載峰值進行記錄，做好試件凍融劈裂強度比的計算工作。

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

3 結(jié)語

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，將其進行應用能夠使公路建設質(zhì)量得到顯著的提升，這對于公路建設活動的有效開展以及國家交通運輸能力的不斷提升有著非常積極的作用。因此，相關部門應該對這種路面施工技術(shù)保持重視，并且要做好關鍵控制技術(shù)的研究工作，確保其能在公路建設中得到更好的應用。