影響SMA高溫穩定性因素的試驗研究

王 璐

1 試驗設計

1.1 材料選取

1)瀝青。SMA瀝青混合料要求瀝青具有較高的粘度,與集料有良好的粘附性。本試驗采用蘭煉石油瀝青AH-90。2)石料。石料采用山西省太原市清徐采石場機械軋制的砂巖,礦粉采用石灰石粉。

1.2 級配選取

本文以SMA-16為研究對象,為說明級配對SMA高溫穩定性的影響,本文選取三種礦料級配(如表1所示)。

表1 SMA-16級配組成

1.3 試驗條件

試驗儀采用北京航天航宇測控技術研究所生產的HYCX-1型車轍試驗儀。將拌和均勻的瀝青混合料置于輪壓成型機上成型為300 mm×300 mm×50 mm試件,其密度為馬歇爾試驗標準擊實密度的(100±1)%,在室溫下冷卻12 h以上,然后置于已達到試驗溫度(60±1)℃的車轍儀中保溫5 h～24 h后進行車轍試驗,且一組試件不得少于3個[2,3]。

2 影響SMA高溫穩定性的因素分析

2.1 級配的影響

為了檢驗級配對SMA瀝青混合料高溫穩定性的影響,選取三種級配A,B,C分別進行車轍試驗。

試驗結果表明,在瀝青和礦料品種相同、油石比相近、碾壓次數相同情況下,B級配瀝青混合料的動穩定度最大,其次是A級配,C級配瀝青混合料的動穩定度最小。這是因為與A級配相比B級配礦料中粗骨料(粒徑不小于4.75 mm)的含量增加,而在適當的范圍內,隨著粗骨料增加SMA骨架嵌擠作用也得到充分發揮,進而使其內摩擦角和抗變形能力得到提高,從而提高SMA的高溫穩定性;與B級配相比雖然C級配礦料中粗骨料的含量有所增加,但其動穩定度反而下降,這是因為在碾壓次數不變的情況下,當礦料中粗骨料含量超過一定范圍時,由于粗骨料顆粒間過度地相互擠壓,致使其破碎,從而使SMA動穩定度降低。因此SMA動穩定度大小與礦料的級配密切相關。

2.2 瀝青用量影響

為檢驗SMA中瀝青含量對其高溫穩定性的影響,本文在通過馬歇爾試驗所得出的最佳油石比5.7%的基礎上上下波動0.3%,即選用5.4%,5.7%,6.0%三種油石比進行車轍試驗。

試驗結果表明,SMA中瀝青含量對其高溫穩定性有顯著的影響。當混合料中瀝青用量小于最佳用量時,由于其用量過小不足以形成結構瀝青薄膜,致使礦料顆粒間的粘附作用減小,在外荷載作用下瀝青混合料將發生過大變形,其高溫穩定性下降。但當混合料中瀝青用量超過最佳用量時,進一步增加瀝青,集料表面的瀝青膜增厚,自由瀝青增多,此時自由瀝青猶如集料顆粒之間的潤滑劑,不但起不到增加集料間粘結力的作用,反而減小了集料之間的內摩擦阻力和穩定性,增大了集料的流動性,從而降低了SMA的高溫穩定性。

2.3 碾壓次數影響

本文采用動穩定度和相對變形兩種指標評價碾壓次數對SMA高溫穩定性的影響[4-7]。本文為了便于對比,在車轍試驗時間60 min(42次/min),測定瀝青混合料車轍試驗總變形(車轍深度),據此計算車轍試驗的相對變形。試驗結果見表2。

表2 碾壓次數對SMA高溫穩定性的影響

從表2可以看出：1)在最佳瀝青用量下,不同的碾壓次數對SMA動穩定度DS的影響情況不同,碾壓18次與碾壓12次相比較其動穩定度DS明顯提高,提高幅度為 110%,碾壓24次與12次相比較其提高幅度為134%。因為在瀝青用量和礦料品種相同的情況下,隨著碾壓次數提高,瀝青混合料的壓實度增大,空隙率小,抗變形能力增強,動穩定度提高。2)從相對變形量來看,不同碾壓次數下的相對變形量大小順序為A＜B＜C;從變形速率來看A＜B＜C。可以看出,隨著碾壓次數的增大,SMA的相對變形量和變形速率的變化趨勢相同,但與動穩定度DS的變化趨勢相反。

2.4 溫度影響

文獻[8]～[11]指出溫度對瀝青混合料的高溫穩定性有顯著的影響,本文采用60℃,65℃,70℃三種溫度分別進行車轍試驗,試驗結果如圖1所示。

圖1試驗結果表明,在瀝青和礦料品種、級配、油石比及碾壓次數相同條件下,車轍試驗溫度對SMA動穩定度的影響非常顯著,當車轍試驗溫度從5℃升高至15℃時,SMA的動穩定度呈現出明顯的下降趨勢,試驗溫度每升高5℃,其動穩定度降低 24%～68%。

2.5 粗集料骨架間隙率影響

SMA瀝青混合料是“石—石接觸”的骨架嵌擠結構,由瀝青、細集料及礦粉拌和而成的瀝青瑪脂填充于“骨架”間隙中,并將“骨架”膠結成整體,從而使其具有較高的強度、柔韌性和耐久性。為了充分發揮SMA“石—石骨架”的嵌擠作用,在壓實狀態下,瀝青混合料中的粗集料骨架間隙率必須滿足：

其中,VCAmix為壓實狀態下瀝青混合料中粗集料間隙率;VCADRC為搗實狀態下粗集料骨架間隙率。要使SMA具有好的高溫穩定性,其粗骨料間需有一定的間隙率,以使粗骨料之間形成骨架嵌擠作用,從而提高SMA的高溫穩定性。

3 結語

1)在瀝青和礦料品種相同、油石比相近、碾壓次數相同情況下,級配對SMA的高溫穩定性的影響很大。在級配設計時,應適當地增大集料中粗骨料(粒徑不大于4.75 mm)及礦粉的含量,減少細集料的用量,以充分發揮SMA粗集料之間嵌擠作用,進而提高其高溫穩定性。2)在其他條件相同的情況下,SMA的高溫穩定性的評價指標——動穩定度,隨著瀝青混合料中瀝青含量的變化而變化,制作車轍試件時應嚴格按照馬歇爾試驗所確定的最佳瀝青含量控制瀝青的用量。3)溫度對SMA高溫穩定性的影響是非常顯著的。試驗過程中應按照規范要求嚴格控制試驗的溫度。4)SMA的粗骨料骨架間隙率VCAmix對集料的嵌擠作用至關重要,對SMA高溫穩定性有很大的影響,并應嚴格控制VCAmix,使其滿足VCAmix≤VCADRC要求。5)嚴格控制SMA瀝青混合料的碾壓次數,以使其具有合適的壓實密度。

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