SMA-13高黏瀝青混合料路用性能研究及應(yīng)用

白宏光

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

目前我國早期修建的高速公路已逐步進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期，出現(xiàn)了不同層次的裂縫及剝落等病害問題，針對該類病害一般采用銑刨路面后鋪設(shè)瀝青薄層罩面的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但相比于普通瀝青混合料，對于高低溫及水穩(wěn)定性能要求也更高[1-2]。

高黏改性瀝青作為膠結(jié)料以其優(yōu)異的高低溫性能及儲存性能近年來逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，國內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。李夢怡[3]的研究表明在基質(zhì)瀝青中加入一定量的高黏改性劑后，瀝青的車轍因子G*/sinδ得到了顯著提高，4%高黏改性劑摻量，64℃測試條件下，提高了約1.2倍；梁亞軍[4]在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步論證了高黏改性劑對瀝青混合料的積極影響；江瑜[5]建立了計算模型并結(jié)合工程經(jīng)驗對高黏改性瀝青混合料配合比設(shè)計方法進(jìn)行了優(yōu)化。但國內(nèi)外目前針對高黏改性混合料的研究較少，缺乏系統(tǒng)的試驗與應(yīng)用支撐。

本文針對SMA-13型級配進(jìn)行了高黏瀝青混合料性能試驗及在瀝青薄層罩面中的應(yīng)用研究，該研究對于我國舊路的維修與養(yǎng)護(hù)具有重要意義。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

選用SBS類I-D級改性瀝青，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[6]檢測主要性能，結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青檢測指標(biāo)

1.1.2 集料

粗細(xì)集料均選用玄武巖，礦粉選用石灰?guī)r，按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）檢測性能，結(jié)果見表2。

表2 碎石集料的性能檢測結(jié)果

1.1.3 纖維穩(wěn)定劑

在瀝青混合料的各生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)節(jié)中加入一定量的纖維有助于提高混合料穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)離析等現(xiàn)象，并有效提高路用性能。本文選用路用木質(zhì)素纖維，根據(jù)相關(guān)研究成果[7]，木質(zhì)素纖維摻量取0.3%，相關(guān)性能見表3。

表3 木質(zhì)素纖維的物理性能指標(biāo)

1.1.4 HVA高黏劑

試驗選用路特牌LT-HVA高黏劑，顆粒狀，顏色為黃色，相關(guān)物理性能見表4。綜合相關(guān)研究成果[5]及廠家推薦，HVA的用量取HVA∶SBS改性瀝青=7∶93。

表4 LT-HVA瀝青高黏劑物理性能指標(biāo)

1.2 高黏復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計

1.2.1 級配組成設(shè)計

SMA-13型礦料級配設(shè)計如表5所示。

表5 礦料級配設(shè)計（SMA-13）

1.2.2 油石比設(shè)計

油石比初選6.8%、6.5%、6.2%、5.9%、5.6%，制備相應(yīng)試件進(jìn)行馬歇爾試驗。參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對表6所示試驗結(jié)果進(jìn)行分析后，確定6.2%為最佳油石比。

表6 馬歇爾試驗結(jié)果

1.3 試驗方案

參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，分別對摻加HVA高黏劑與未摻HVA高黏劑兩種混合料試件進(jìn)行室內(nèi)試驗分析路用性能，試驗方案如表7所示。

表7 室內(nèi)試驗方案及條件

2 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

兩種瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果如表8所示。

表8 車轍試驗結(jié)果 次/mm

由表8可知，兩組試件的動穩(wěn)定度值均大于規(guī)范要求值，其中，在加入HVA改性劑后，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高了47.37%，高溫性能顯著提升。

2.2 低溫抗裂性能

試驗設(shè)備為MTS-810試驗機(jī)，對試件的彎拉應(yīng)變與強(qiáng)度進(jìn)行測定以評定低溫抗裂性能，得到表9所示結(jié)果。

表9 小梁彎曲試驗結(jié)果

表9表明，SBS+HVA復(fù)合改性瀝青的彎拉破壞應(yīng)變相比于SBS改性瀝青提高了21.26%，低溫抗裂性能有一定的提升。

2.3 水穩(wěn)定性能

浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

由圖1可知，兩種混合料的水穩(wěn)定性能相差不大，凍融劈裂強(qiáng)度比與殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比與殘留穩(wěn)定度在摻入HVA高黏劑后分別提高了2.35%、3.20%，水穩(wěn)定性能稍有提升。

2.4 疲勞性能

試驗儀器采用MTS-810型萬能試驗機(jī)，結(jié)果見表10。

表10 疲勞試驗結(jié)果

表10表明，加入HVA高黏劑后的SBS改性瀝青混合料，其疲勞壽命均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，其中應(yīng)力比0.5、0.7時，分別提高了10.48%、10.89%，疲勞性能有一定的提升。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某高速公路長約49.6 km，建成于2010年，通車期間交通流量大，重載交通多，10年內(nèi)未進(jìn)行大修，2020年3月對其進(jìn)行了路面病害調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該路段病害路面比重達(dá)到了22.4%，主要病害為車轍、碎裂、網(wǎng)裂及線裂，PCI（路面狀況指數(shù)）評定為C級，擬對該高速公路進(jìn)行病害處治，處治措施為：舊路銑刨掉4 cm厚SMA-16上面層后，加鋪SMA-13型瀝青混合料罩面（SBS+HVA復(fù)合改性），選定K11+267—K12+267段作為試驗路段，現(xiàn)場施工所用SBS瀝青、HVA改性劑、木質(zhì)素纖維及礦料等材料均同室內(nèi)試驗，生產(chǎn)配合比設(shè)計同室內(nèi)試驗，油石比取6.2%，HVA的用量取HVA∶SBS改性瀝青=7∶93，該路段鋪筑過程嚴(yán)格控制施工工藝與施工質(zhì)量并及時做好試驗檢測。

3.2 施工工藝

K11+267—K12+267試驗路段舊路鋪設(shè)薄層罩面的施工工序為：舊路面層銑刨→灑布黏層油→測量放樣→拌和→運(yùn)輸→攤鋪→碾壓→養(yǎng)護(hù)。各施工階段混合料溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表11。

表11 混合料溫度控制標(biāo)準(zhǔn) ℃

a）舊路面層銑刨 采用銑刨機(jī)，準(zhǔn)確設(shè)定并控制銑刨厚度，確保平整度。對銑刨面進(jìn)行徹底清掃，采用清掃車+人工掃帚+大型空壓機(jī)三者結(jié)合的方式進(jìn)行清掃。

b）灑布黏層油 應(yīng)在晴朗無大風(fēng)天氣進(jìn)行，確保氣溫大于等于10℃。

c）測量放樣 采用非接觸式平衡梁自動找平控制方式，兩側(cè)邊線即路緣石內(nèi)側(cè)邊線。

d）混合料拌和 采用間歇式拌和機(jī)（型號LB4000B型），纖維添加設(shè)備FX-5000纖維投料機(jī)。投料順序如下：同步倒入熱集料、HVA顆粒與木質(zhì)素纖維干拌（時間控制為15 s左右）→噴入SBS改性瀝青→濕拌（時間控制為45 s左右）→出料。

e）混合料運(yùn)輸 運(yùn)料車選用大于等于5輛，載荷量為30 t的自卸卡車以確保攤鋪的連續(xù)。運(yùn)輸車應(yīng)做好清潔及保溫措施。運(yùn)輸過程中以35 km/h左右速度勻速前行，避免急剎、急停。

f）混合料攤鋪 采用3臺攤鋪機(jī)（機(jī)器型號ABG8820）以1.5～3 m/min的速度進(jìn)行攤鋪，施工時提前對攤鋪機(jī)器進(jìn)行預(yù)熱（預(yù)熱時間0.5～1 h，燙平板的預(yù)熱溫度≥110℃），攤鋪時應(yīng)保證路面干燥，應(yīng)在天氣晴朗（溫度≥15℃）情況下進(jìn)行。

g）混合料碾壓。

（a）初壓 采用2臺13 t雙鋼輪振動壓路機(jī)（BW203AD-4）各占半幅碾壓2遍，前靜后振1遍，弱振1遍，碾壓速度2～3 km/h，壓輪重疊寬度不超過20 cm。

（b）復(fù)壓 采用2臺13 t雙鋼輪振動壓路機(jī)（BW203AD-4）各占半幅振動碾壓（強(qiáng)震）2～3遍，碾壓速度3～4.5 km/h。

（c）終壓 采用1臺13 t壓路機(jī)（型號CC622，速度3～6 km/h）全幅穩(wěn)壓1～2遍。

h）養(yǎng)護(hù) 路面碾壓完成并自然冷卻，養(yǎng)護(hù)48 h后開放交通。

3.3 試驗路段性能檢測

K11+267—K12+267試驗路段上面層完成鋪筑后，對其相應(yīng)性能進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表12。

表12 上面層驗收檢測結(jié)果

分析檢測結(jié)果可知，表12所示各項檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求[7]標(biāo)準(zhǔn)值，且K11+267—K12+267試驗路段在加鋪HVA+SBS改性瀝青混合料（SMA-13）罩面后，路面密實平整，無離析、輪跡、擁包等現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.4 跟蹤觀測與評價

試驗路段K11+267—K12+267通車1年內(nèi)，對其進(jìn)行了持續(xù)的觀測，觀測發(fā)現(xiàn)：舊路在加鋪HVA+SBS改性瀝青混合料（SMA-13）罩面后，路面平整密實，無車轍、擁包及裂縫等病害產(chǎn)生，實際應(yīng)用效果良好。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

對比分析高速公路舊路上面層SBS改性瀝青混合料（SMA-16）及加鋪罩面中所采用的HVA+SBS改性瀝青混合料（SMA-13）的每公里成本，可得表13所示結(jié)果。

表13 成本對比 萬元

由表13可知，相比于舊路面SMA-16，上面層采用HVA+SBS高黏改性SMA-13后，路面的成本增加了約67.4%，但根據(jù)室內(nèi)試驗可知，加入HVA高黏劑后的SBS改性瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性能提升顯著。同時具備較好的低溫抗裂性能，可有效延長瀝青路面的使用壽命，全壽命周期的分?jǐn)偝杀镜玫接行Ы档?。雖一次性投資較大，但長期來看能夠降低維修與養(yǎng)護(hù)成本，延長了使用壽命。

5 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗對高黏瀝青混合料路用性能進(jìn)行了研究，并對其在瀝青薄層罩面中的應(yīng)用效果進(jìn)行檢測評價，得出以下主要結(jié)論：

a）SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度在加入HVA高黏劑后提高了47.37%，高溫穩(wěn)定性能顯著提升。

b）SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂、抗疲勞及水穩(wěn)性能均在加入HVA高黏劑后有一定程度的提升。

c）舊路在加鋪SMA-13型高黏瀝青混合料罩面后，構(gòu)造深度及抗滑值（BPN）較大，路面抗?jié)B性能優(yōu)異，實際應(yīng)用效果較好。

d）SMA-13型SBS+HVA復(fù)合改性瀝青混合料可有效延長瀝青路面的使用壽命，雖一次性投資較大，但長期來看能夠有效延長道路使用壽命，有效降低維修與養(yǎng)護(hù)成本。