玄武巖纖維摻量對SMA-8瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響研究

王 敏，劉曉聰

(1.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司) 太原市 030006； 2.山西路橋第一工程有限公司 太原市 030006)

0 引言

SMA路面始建于德國，后在歐洲瑞典、丹麥和英國等國家得到廣泛應(yīng)用，我國根據(jù)國情、材料狀況、機(jī)械情況以及氣候、交通等條件，在北方地區(qū)先行推廣使用，用于路面結(jié)構(gòu)表面層為SMA-16和SMA-13[1]。1997年虎門大橋在國內(nèi)第一次采用SMA作為鋼橋面鋪裝，正式拉開我國SMA鋼橋面鋪裝的序幕，鋼橋面鋪裝表面層多采用SMA-13和SMA-10[2]。國內(nèi)部分學(xué)者對SMA研究也向著細(xì)粒式的方式發(fā)展，但實際工程SMA-8應(yīng)用較少[3]。

SMA-8瀝青混合料上面層可減輕橋面荷載及減小對隧道凈空的影響，達(dá)到提升路面性能、節(jié)約優(yōu)質(zhì)集料以及實現(xiàn)橋梁輕量化的目的。通過車轍試驗、單軸貫入試驗對不同纖維摻量的SMA-8瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性開展研究，為工程應(yīng)用和配合比設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 高粘改性瀝青

采用高粘改性瀝青作為膠結(jié)料，基質(zhì)瀝青為殼牌A級70#瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高粘改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

1.2.1粗集料

SMA-8瀝青混合料為間斷級配骨架密實型瀝青混合料，粗集料采用廣西貴港李因頭石場的5～10mm規(guī)格的碎石，巖性為輝綠巖，潔凈、干燥、表面粗糙，硬度和強(qiáng)度高，耐磨性好。因標(biāo)準(zhǔn)篩4.75～9.5mm跨度區(qū)間較大，為使粗集料能更好地形成骨架結(jié)構(gòu)，引入了8mm非標(biāo)準(zhǔn)篩對5～10mm檔集料的級配進(jìn)行限制，同時為了保證SMA-8瀝青混合料的密水性，合成級配中需有少量的3～5mm的集料，要求5～10mm檔集料4.75mm通過率為4%～10%。粗集料技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

1.2.2細(xì)集料

采用廣東郁南封開龍鑫石場的機(jī)制砂，巖性為變質(zhì)砂巖，機(jī)制砂潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，與瀝青有良好的粘結(jié)能力。細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

1.3 礦粉和纖維

瀝青混合料的填料宜采用石灰?guī)r等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，礦粉要求干燥、潔凈，其技術(shù)指標(biāo)見表4所示。纖維采用玄武巖纖維，纖維長度3mm。

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

2 SMA-8瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 級配選定

在進(jìn)行SMA-8瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計時，重點考慮瀝青混合料的抗高溫性能、抗水損害的能力，并結(jié)合廣東省內(nèi)已有的經(jīng)驗，采用最優(yōu)方案。工程設(shè)計級配范圍參照《高性能經(jīng)濟(jì)型薄層處治技術(shù)設(shè)計施工技術(shù)指南(SMA-8)》的礦料級配范圍。根據(jù)規(guī)范在級配范圍內(nèi)適配3組不同的礦料級配A、B、C作為初選級配。級配A的摻配比例為：5～10mm∶0～3mm∶礦粉=69.5%∶20.5%∶10%；級配B的摻配比例為：5～10mm∶0～3mm∶礦粉=72%∶18%∶10%；級配C的摻配比例為：5～10mm∶0～3mm∶礦粉=74.5%∶15.5%∶10%。見表5、圖1。

圖1 SMA-8瀝青混合料礦料級配曲線

表5 SMA-8 的A、B、C 三組合成礦料級配

選擇6.3%作為初試油石比，進(jìn)行馬歇爾試驗。3組級配成型溫度為170～180℃，玄武巖纖維的摻量為瀝青混合料的0.3%；對3 組級配的粗集料骨架(以2.36mm 為界)的松裝間隙率進(jìn)行測定，結(jié)果見表6和表7。根據(jù)混合料空隙率、礦料間隙率與瀝青飽和度試驗結(jié)果，選擇C級配進(jìn)行試驗。

表6 不同設(shè)計級配及計算油石比的馬歇爾試驗結(jié)果

表7 三組合成礦料級配的VCAmix～VCADRC

2.2 最佳油石比

根據(jù)選定C級配，以 6.4%、6.4%±0.3%進(jìn)行馬歇爾擊實試驗，成型溫度為170～180℃。試驗結(jié)果詳見表8。根據(jù)瀝青混合料空隙率試驗結(jié)果分析，則選取瀝青油石比6.4%進(jìn)行謝倫堡析漏損失、肯塔堡飛散損失試驗。選取瀝青油石比6.4%所測馬歇爾指標(biāo)、析漏損失、飛散損失試驗指標(biāo)均滿足《高性能經(jīng)濟(jì)型薄層處治技術(shù)設(shè)計施工技術(shù)指南(SMA-8)》瀝青混合料技術(shù)要求。

表8 SMA-8瀝青混合料試驗結(jié)果

3 SMA-8瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究

3.1 車轍試驗

考慮到廣東省夏季炎熱，且本路段屬于特重交通等級，以級配C、6.4%為最佳油石比對SMA-8瀝青混合料進(jìn)行60℃、70℃和80℃的車轍試驗，玄武巖纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，試驗結(jié)果如表9、圖10。

表9 不同纖維摻量車轍試驗結(jié)果

圖2 不同纖維摻量SMA-8瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

通過對比三個不同試驗溫度的動穩(wěn)定度可知，SMA-8瀝青混合料在60℃、70℃和80℃下的動穩(wěn)定度均大于2500次/mm，表現(xiàn)出良好的抵抗車轍能力；雖減小了集料最大公稱粒徑，粗集料之間仍可形成良好的嵌擠作用，高溫抗車轍能力強(qiáng)；試驗溫度升高至70℃和80℃，動穩(wěn)定度有所衰減，尤其試驗溫度從70℃升溫至80℃，SMA-8瀝青混合料高溫抗變形能力隨著溫度升高而逐漸降低，且降幅較大。

在不同試驗溫度下，當(dāng)纖維摻量為0.3%時，動穩(wěn)定度值最大。隨著纖維摻量增加，動穩(wěn)定度隨之減小。在60℃時，0.4%纖維摻量SMA-8瀝青混合料動穩(wěn)定度較0.3%纖維摻量動穩(wěn)定度降低16.8%，0.5%纖維摻量動穩(wěn)定度較0.3%纖維摻量動穩(wěn)定度降低29.4%。纖維摻量越大，SMA-8瀝青混合料動穩(wěn)定度越小，高溫穩(wěn)定性越差，抵抗車轍能力越差。降低纖維摻量時，60℃試驗時0.2%纖維摻量的動穩(wěn)定度較0.3%纖維摻量動穩(wěn)定度降低14.0%。70℃和80℃試驗結(jié)果同60℃試驗結(jié)果變化規(guī)律相同，均隨著纖維摻量的增加，動穩(wěn)定度先增大后減小，纖維摻量為0.3%時，動穩(wěn)定度值最大。

3.2 單軸貫入試驗

單軸貫入試驗的原理是在圓柱體試件上利用小直徑鋼壓頭進(jìn)行加壓，通過施壓過程中周邊材料對受壓部分形成側(cè)向約束，來模擬實際路面上圍壓對瀝青混合料的影響。設(shè)定試驗溫度為60℃，加載速率為1mm/min[4-5]，試驗結(jié)果如表10、圖3所示。

表10 單軸貫入試驗結(jié)果

圖3 不同纖維摻量SMA-8瀝青混合料單軸貫入試驗結(jié)果

由表10和圖3可知，SMA-8瀝青混合料貫入強(qiáng)度大小結(jié)果為：0.3%纖維摻量>0.4%纖維摻量>0.2%纖維摻量>0.5%纖維摻量，兩種高溫性能試驗結(jié)果存在相同之處，即纖維摻量超過一定量時容易引發(fā)團(tuán)聚效應(yīng)，致使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能下降。

適量摻加纖維可以顯著提高SMA-8瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，摻量高于或低于最佳摻量，高溫性能均會降低。摻入過量纖維容易結(jié)團(tuán)，不易分散開，影響混合料均勻性。摻入少量纖維，使得SMA-8瀝青混合料中瀝青增多，易發(fā)生析漏，有效瑪蹄脂數(shù)量不足，空隙率增大，降低混合料性能。

4 結(jié)論

(1)SMA-8瀝青混合料在60℃、70℃和80℃下的動穩(wěn)定度隨試驗溫度升高而降低，尤其試驗溫度從70℃升溫至80℃，SMA-8瀝青混合料高溫抗變形能力隨著溫度升高而逐漸降低，且降幅較大。

(2)70℃和80℃試驗結(jié)果同60℃試驗結(jié)果變化規(guī)律相同，均隨著纖維摻量的增加，動穩(wěn)定度先增大后減小，纖維摻量為0.3%時，動穩(wěn)定度值最大。

(3)SMA-8瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度大小結(jié)果為：0.3%纖維摻量>0.4%纖維摻量>0.2%纖維摻量>0.5%纖維摻量，兩種高溫性能試驗結(jié)果存在相同之處，適量摻加纖維可以顯著提高SMA-8瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，摻量高于或低于最佳摻量，高溫性能均會降低。