SMA瀝青混合料路用性能試驗研究

曾星梅

(廣東冠粵路橋有限公司)

隨著我國國民經濟的快速發展,交通運輸事業發展迅速。雖然我國公路建設取得了令人注目的成就,但公路質量的通病仍未根除,特別是有不少高速公路的瀝青路面使用不久就出現了損壞,如瀝青路面的裂縫、車轍和水損害等。為了滿足日益增長的交通量,車輛大型化及重載超載交通對路面的越來越高要求,如何提高瀝青路面的高溫穩定性、低溫抗裂性、耐久性、抗滑性及抗滲性等使用性能己經成為廣大道路工作者的重要研究對象。而對于這些性能而言,混合料的配合比和瀝青的性能是兩個重要的方面。傳統的瀝青混凝土混合料(AC)的組成中,瀝青砂漿已經把粗集料撐開,粗集料上是懸浮在瀝青砂漿中,彼此互相并未緊密接觸,因此交通荷載主要是由瀝青砂漿承受著,AC抵抗荷載變形的能力很大程度上受到礦料級配、礦料間隙率(VMA)、空隙率以及瀝青砂漿的比例的影響。在高溫條件下,瀝青砂漿的粘度變小,承受變形的能力急劇降低,很容易產生永久變形,造成車轍、推擁等;和以前我國常用的瀝青碎石混合料(AM)相比,AM同樣有相當多的粗集料,也有良好的石料嵌擠作用,但使用瀝青太少(因為礦粉很少,瀝青想加也加不進去),空隙率太大,瀝青與集料的粘結性不足,集料之間充滿了水分,水分對混合料的浸蝕使瀝青與集料脫開,造成剝落,很容易造成雨季及春融季節的大面積破壞,而且低溫抗裂性也不好;我國規范提出的抗滑表層級配(AK)實際上也存在同樣的缺點,抗滑與耐久性的矛盾不好解決。而 SMA的應用,為解決這些矛盾,提供了一個非常有效的途徑。

1 SMA的強度形成機理

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)最基本的組成是粗集料骨架和瀝青瑪蹄脂兩大部分,是由瀝青、纖維穩定劑、礦粉及少量的細集料組成的瀝青瑪蹄脂來填充間斷級配的粗集料骨架的間隙,屬于骨架密實型的瀝青混合料結構。

在SMA的組成中,粗集料骨架占到 70%以上,混合料中粗集料相互之問的接觸面(或支撐點)很多,細集料很少,瑪蹄脂部分僅僅填充了粗集料之間的孔隙。路面的交通荷載主要由粗集料骨架承受,由于粗集料顆粒之間有互相良好的嵌擠作用,瀝青混合料能產生非常好的抵抗荷載變形的能力,即使在高溫條件下,瀝青瑪蹄脂的粘度下降了,但由于SMA結構中細集料很少,瑪蹄脂部分僅僅填充了粗集料之間的孔隙,這種結構對抵抗高溫的能力比一般的瀝青混合料強,因而具有較強的高溫抗車轍能力。同樣的在低溫條件下,提高抗裂性能的機理主要依靠結合料的拉伸性能,由于 SMA結構中瑪蹄脂部分對溫度的影響引起的變化較其他結構的瀝青路面少,因而也具有較強的低溫抗開裂性能。SMA瀝青混合料還通過依靠防止水的侵蝕,提高瀝青混合集料的粘結性,有效的提高了混合料的水穩性的機能。延長路面壽命需要瀝青混合料有良好的耐久性。SMA的混合料內部被瀝青瑪蹄脂充分填充,瀝青膜較厚,混合料的空隙率很小,瀝青與空氣的接觸少,因而SMA的耐老化性能比一般的瀝青混合料好。

2 SMA瀝青混合料路用性能分析

SMA瀝青混合料通常用于鋪筑路面的面層,它直接受車輛作用和大氣因素的影響,同時瀝青材料的物理、力學性質受氣候因素與時間因素影響較大。因此,為了能使路面給車輛提供安全高速舒適等服務性能,必須要求組成瀝青路面的瀝青混合料具有以下的路用性能。

(1)高溫穩定性:《公路改性瀝青路面施工技術規范》(JTJ036-98)明確規定,對于高速公路瀝青路面的上面層和中面層的瀝青混合料進行配合比設計時,應在溫度 60℃、輪壓 0.7MPa驗對抗車轍能力進行檢驗。

(2)低溫抗裂性:按各表面層瀝青混合料配合比設計結果配制瀝的各改性瀝青混合料進行了低溫彎曲破壞試驗,試驗條件為溫度 -10℃,加載速率 50mm/min。

(3)水穩定性:在《公路改性瀝青路面施工技術規范》(JTJ036-98)對于改性瀝青混合料的水穩定性提出了明確的要求。對于改性瀝青混合料,其水穩定性應同時滿足浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂試驗的劈裂強度比均不小于80%的要求。

(4)防滲能力。

當瀝青路面防滲能力較差時,不僅影響瀝青路面本身的穩定性,而且還影響到基層的穩定性。因此,瀝青路面必須具有較高的抗滲能力,在潮濕多雨地區尤為重要。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

某高速公路主線以瀝青混凝土路面為主,其路面結構(見圖 1)為:主線路基段 4 cm厚 SMA-16上面層 +5 cm厚AC-20I中面層 +6 cm厚 AC-25I下面層 +1 cm厚下封層+40 cm厚水泥穩定碎石基層 +20 cm水泥穩定石屑底基層;橋面鋪裝部分沒有下面層,中面層與上面層與路基段相同。而沿線的石場調查顯示,石料基本是花崗巖,限于工期和造價的制約,材料設計只能采用花崗巖,這無疑為設計高性能的瀝青混合料增加相當大的難度。

圖 1 瀝青路面層狀結構

3.2 施工工藝

(1)施工溫度

由于改性瀝青的粘度的增大,保證較高的施工溫度成了施工的最重要的技術關鍵。如果溫度不夠,混合料不可能拌和均勻,攤鋪平整度無法保證,碾壓不可能達到壓實度,施工質量就根本無法保證。適宜的施工溫度應由瀝青結合料的粘度—溫度曲線決定。以粘度為 0.17±0.02Pa?s(170±20mm2/s)溫度作為拌和溫度,以 0.28±0.03Pa? s(280±30mm2/s)的溫度作為壓實溫度。當采用塞波特粘度計測定時,以粘度為 85±10 s的溫度作為拌和溫度,以粘度為140±15 s的溫度為壓實溫度。

(2)拌和

生產 SMA應采用間隙式瀝青拌和機拌和,且必須配備有材料配比和施工溫度的自動檢測和記錄設備,逐盤打印作為施工質量檢測的依據。當采用現場制作的改性瀝青時,拌和廠的瀝青貯罐與拌和機之間必須有足夠的空曠的場地。基質瀝青的導熱油加熱爐應具有足夠的功率,拌和廠的電力供應能滿足改性設備需要。

拌和機必須配備有纖維穩定劑投料裝置,不具有投料裝置的可在原有基礎上改造后實現。根據纖維的品種和形狀不同,可采用廠家指定的方式添加,但均應能在拌和過程中充分分散,且與瀝青混合料拌和均勻。

(3)運輸與攤鋪

①SMA混合料比較粘,為了防止瀝青與車廂板粘結,運輸車廂側板和底板、可涂薄層隔離劑或防粘結劑,如油水混合液(柴油與水比例為 1∶3),攤鋪機的受料斗也應涂薄層隔離劑或防粘結劑,但不得有余液。

②運料車在運輸過程中應加蓋苫布,以防運料車表面混合料結成硬殼,運料車到達現場后,應嚴格檢查 SMA混合料的溫度,不得低于攤鋪溫度的要求。

③SMA混合料在運輸過程中如發現有瀝青結合料沿車廂板滴漏時,應采取措施予以避免。

④SMA混合料可壓實余地很小,松鋪系數要比普通混合料小得多,應通過試鋪試壓確定。

(4)碾壓

SMA混合料內部含有大量瀝青馬蹄脂膠漿,粘度大,溫度低時很難壓實,因而確保攤鋪碾壓溫度尤為重要。SMA不宜使用輪胎壓路機碾壓,以防將瀝青結合料搓揉擠壓上浮。宜采用振動壓路機或鋼筒式壓路機碾壓。振動壓路機遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則,即緊跟在攤鋪機后面,采取高頻率、低振幅的方式慢速碾壓。在碾壓過程中,要求必須特別注意表面構造深度,以便有適宜的構造深度;在SMA路面碾壓成型過程中,路面可能會出現油斑,當油斑直徑大于 5 cm時,應及時在油斑區域撒機制砂。

(5)接縫

SMA混合料的鋪筑應避免產生縱向冷接縫,橫向施工縫應采用平接縫。對無法避免而產生的縱向冷接縫,以及橫向施工縫,若使用改性瀝青切縫困難時,可用鎬在混合料未完全冷卻時刨除端部作接縫。當采用切縫方式時,應在混合料尚未完全冷卻結硬之前進行,切縫后必須用水將接縫處沖洗干凈,干燥后涂刷粘層油,方可鋪筑新混合料。

3.3 實驗分析

(1)某高速公路路面材料組成:瀝青 SMA結合料;粗集料(生產 SMA-16的粗集料一采用兩種花崗巖,,其中 1#料為 10～20mm,2#料為 5～10mm);細集料(采用生產粗集料時得到的石屑作為細集料);填料(采用石灰巖磨細的礦粉);纖維穩定劑(采用純木質素松散纖維,纖維相對密度為2.38 g/cm3,纖維用量為混合料質量的 0.33%。)

(2)配合比設計:按照 SMA-16的標準級配建議,經過配合比設計計算確定 3組冷料倉投料比例,使 4.75mm的通過率大體上為 23%,26%,29%,0.075 mm的通過率為10%左右(相當于固定礦粉用量的 10%)。材料的配比如下:

甲 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =58∶21∶11∶100

乙 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =57∶19∶14∶100

丙 1#料(10～ 20mm)∶2#料(5～ 0mm)∶3#料(石屑)∶礦粉 =55∶18∶17∶100

(3)目標配合比設計檢驗①謝倫堡瀝青析漏檢驗

采用燒杯法進行瀝青析漏試驗,試驗溫度為 185℃析漏損失為 0.04%,符合不大于 0.1%的要求。

②肯塔堡飛散損失試驗

飛散試驗的試驗溫度為 20℃,水中養護時間為 20h,飛散損失為 4.0%,符合不大于 20%的要求。

③高溫穩定性試驗

在 60℃、0.7MPa條件下進行車轍試驗,動穩定度5 759次/mm,符合大于 3 000次/mm的要求。

④水穩定性檢驗

按《公路改性瀝青路面施工技術規范》(JTJ036-98)和《SMA路面設計施工指南》的規定,采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗檢驗水穩定性。浸水馬歇爾試驗結果如表 2。殘留馬歇爾穩定度為 110.5%,符合大于 80%的要求。

表 1 浸水馬歇爾試驗結果

④滲水系數和構造深度檢驗

用 SMA混合料一采用輪碾法成型的試件進行試驗,滲水系數幾乎接近 0,試件表面的構造深度均符合要求。

由此確定目標配合比為:1#料(10～20mm)∶2#料(5～10mm)∶3#石屑:礦粉 =55∶18∶17∶10,最佳油石比為 6.0%。

(4)檢驗:對施工工程進行了壓實度、平整度、構造深度及透水系數等方面的檢測,檢測結果見表 2。

表 2 路面性能檢測結果

檢測結果表明,施工后路面的壓實度、平整度、構造深度均與試驗段施工水平相當,且有較小的變異系數,質量較為穩定。

4 結束語

通過對 SMA路用性能進行系統研究,以及在某高速公路上應用,可以得到以下結論:

(1)對 SMA混合料的結構組成及強度形成機理進行研究,SMA與其他配比相比,有更厚、膠結力更強,且礦料骨架內摩擦力更高,空隙率小等優點,故 SMA混合料路用性能得到全面改善。

(2)SMA瀝青結合料應用于某高速公路檢測結果表明:施工后路面的壓實度、平整度、構造深度均與試驗段施工水平相當,且有較小的變異系數,質量較為穩定。

[1] 沈金安.改性瀝青與 SMA路而[M].人民交通出版社,1999.

[2] 張爭奇.改性瀝青與改性瀝青混合料研究[D].博士論文,1997.

[3] 張登良.瀝青路面[M].人民交通出版社,1998.