SMA沥青混合料路用性能试验研究

曾星梅

(广东冠粤路桥有限公司)

随着我国国民经济的快速发展,交通运输事业发展迅速。虽然我国公路建设取得了令人注目的成就,但公路质量的通病仍未根除,特别是有不少高速公路的沥青路面使用不久就出现了损坏,如沥青路面的裂缝、车辙和水损害等。为了满足日益增长的交通量,车辆大型化及重载超载交通对路面的越来越高要求,如何提高沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性及抗渗性等使用性能己经成为广大道路工作者的重要研究对象。而对于这些性能而言,混合料的配合比和沥青的性能是两个重要的方面。传统的沥青混凝土混合料(AC)的组成中,沥青砂浆已经把粗集料撑开,粗集料上是悬浮在沥青砂浆中,彼此互相并未紧密接触,因此交通荷载主要是由沥青砂浆承受着,AC抵抗荷载变形的能力很大程度上受到矿料级配、矿料间隙率(VMA)、空隙率以及沥青砂浆的比例的影响。在高温条件下,沥青砂浆的粘度变小,承受变形的能力急剧降低,很容易产生永久变形,造成车辙、推拥等;和以前我国常用的沥青碎石混合料(AM)相比,AM同样有相当多的粗集料,也有良好的石料嵌挤作用,但使用沥青太少(因为矿粉很少,沥青想加也加不进去),空隙率太大,沥青与集料的粘结性不足,集料之间充满了水分,水分对混合料的浸蚀使沥青与集料脱开,造成剥落,很容易造成雨季及春融季节的大面积破坏,而且低温抗裂性也不好;我国规范提出的抗滑表层级配(AK)实际上也存在同样的缺点,抗滑与耐久性的矛盾不好解决。而 SMA的应用,为解决这些矛盾,提供了一个非常有效的途径。

1 SMA的强度形成机理

沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)最基本的组成是粗集料骨架和沥青玛蹄脂两大部分,是由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂来填充间断级配的粗集料骨架的间隙,属于骨架密实型的沥青混合料结构。

在SMA的组成中,粗集料骨架占到 70%以上,混合料中粗集料相互之问的接触面(或支撑点)很多,细集料很少,玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的孔隙。路面的交通荷载主要由粗集料骨架承受,由于粗集料颗粒之间有互相良好的嵌挤作用,沥青混合料能产生非常好的抵抗荷载变形的能力,即使在高温条件下,沥青玛蹄脂的粘度下降了,但由于SMA结构中细集料很少,玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的孔隙,这种结构对抵抗高温的能力比一般的沥青混合料强,因而具有较强的高温抗车辙能力。同样的在低温条件下,提高抗裂性能的机理主要依靠结合料的拉伸性能,由于 SMA结构中玛蹄脂部分对温度的影响引起的变化较其他结构的沥青路面少,因而也具有较强的低温抗开裂性能。SMA沥青混合料还通过依靠防止水的侵蚀,提高沥青混合集料的粘结性,有效的提高了混合料的水稳性的机能。延长路面寿命需要沥青混合料有良好的耐久性。SMA的混合料内部被沥青玛蹄脂充分填充,沥青膜较厚,混合料的空隙率很小,沥青与空气的接触少,因而SMA的耐老化性能比一般的沥青混合料好。

2 SMA沥青混合料路用性能分析

SMA沥青混合料通常用于铺筑路面的面层,它直接受车辆作用和大气因素的影响,同时沥青材料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大。因此,为了能使路面给车辆提供安全高速舒适等服务性能,必须要求组成沥青路面的沥青混合料具有以下的路用性能。

(1)高温稳定性:《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ036-98)明确规定,对于高速公路沥青路面的上面层和中面层的沥青混合料进行配合比设计时,应在温度 60℃、轮压 0.7MPa验对抗车辙能力进行检验。

(2)低温抗裂性:按各表面层沥青混合料配合比设计结果配制沥的各改性沥青混合料进行了低温弯曲破坏试验,试验条件为温度 -10℃,加载速率 50mm/min。

(3)水稳定性:在《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ036-98)对于改性沥青混合料的水稳定性提出了明确的要求。对于改性沥青混合料,其水稳定性应同时满足浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验的劈裂强度比均不小于80%的要求。

(4)防渗能力。

当沥青路面防渗能力较差时,不仅影响沥青路面本身的稳定性,而且还影响到基层的稳定性。因此,沥青路面必须具有较高的抗渗能力,在潮湿多雨地区尤为重要。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某高速公路主线以沥青混凝土路面为主,其路面结构(见图 1)为:主线路基段 4 cm厚 SMA-16上面层 +5 cm厚AC-20I中面层 +6 cm厚 AC-25I下面层 +1 cm厚下封层+40 cm厚水泥稳定碎石基层 +20 cm水泥稳定石屑底基层;桥面铺装部分没有下面层,中面层与上面层与路基段相同。而沿线的石场调查显示,石料基本是花岗岩,限于工期和造价的制约,材料设计只能采用花岗岩,这无疑为设计高性能的沥青混合料增加相当大的难度。

图 1 沥青路面层状结构

3.2 施工工艺

(1)施工温度

由于改性沥青的粘度的增大,保证较高的施工温度成了施工的最重要的技术关键。如果温度不够,混合料不可能拌和均匀,摊铺平整度无法保证,碾压不可能达到压实度,施工质量就根本无法保证。适宜的施工温度应由沥青结合料的粘度—温度曲线决定。以粘度为 0.17±0.02Pa◦s(170±20mm2/s)温度作为拌和温度,以 0.28±0.03Pa◦ s(280±30mm2/s)的温度作为压实温度。当采用塞波特粘度计测定时,以粘度为 85±10 s的温度作为拌和温度,以粘度为140±15 s的温度为压实温度。

(2)拌和

生产 SMA应采用间隙式沥青拌和机拌和,且必须配备有材料配比和施工温度的自动检测和记录设备,逐盘打印作为施工质量检测的依据。当采用现场制作的改性沥青时,拌和厂的沥青贮罐与拌和机之间必须有足够的空旷的场地。基质沥青的导热油加热炉应具有足够的功率,拌和厂的电力供应能满足改性设备需要。

拌和机必须配备有纤维稳定剂投料装置,不具有投料装置的可在原有基础上改造后实现。根据纤维的品种和形状不同,可采用厂家指定的方式添加,但均应能在拌和过程中充分分散,且与沥青混合料拌和均匀。

(3)运输与摊铺

①SMA混合料比较粘,为了防止沥青与车厢板粘结,运输车厢侧板和底板、可涂薄层隔离剂或防粘结剂,如油水混合液(柴油与水比例为 1∶3),摊铺机的受料斗也应涂薄层隔离剂或防粘结剂,但不得有余液。

②运料车在运输过程中应加盖苫布,以防运料车表面混合料结成硬壳,运料车到达现场后,应严格检查 SMA混合料的温度,不得低于摊铺温度的要求。

③SMA混合料在运输过程中如发现有沥青结合料沿车厢板滴漏时,应采取措施予以避免。

④SMA混合料可压实余地很小,松铺系数要比普通混合料小得多,应通过试铺试压确定。

(4)碾压

SMA混合料内部含有大量沥青马蹄脂胶浆,粘度大,温度低时很难压实,因而确保摊铺碾压温度尤为重要。SMA不宜使用轮胎压路机碾压,以防将沥青结合料搓揉挤压上浮。宜采用振动压路机或钢筒式压路机碾压。振动压路机遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则,即紧跟在摊铺机后面,采取高频率、低振幅的方式慢速碾压。在碾压过程中,要求必须特别注意表面构造深度,以便有适宜的构造深度;在SMA路面碾压成型过程中,路面可能会出现油斑,当油斑直径大于 5 cm时,应及时在油斑区域撒机制砂。

(5)接缝

SMA混合料的铺筑应避免产生纵向冷接缝,横向施工缝应采用平接缝。对无法避免而产生的纵向冷接缝,以及横向施工缝,若使用改性沥青切缝困难时,可用镐在混合料未完全冷却时刨除端部作接缝。当采用切缝方式时,应在混合料尚未完全冷却结硬之前进行,切缝后必须用水将接缝处冲洗干净,干燥后涂刷粘层油,方可铺筑新混合料。

3.3 实验分析

(1)某高速公路路面材料组成:沥青 SMA结合料;粗集料(生产 SMA-16的粗集料一采用两种花岗岩,,其中 1#料为 10～20mm,2#料为 5～10mm);细集料(采用生产粗集料时得到的石屑作为细集料);填料(采用石灰岩磨细的矿粉);纤维稳定剂(采用纯木质素松散纤维,纤维相对密度为2.38 g/cm3,纤维用量为混合料质量的 0.33%。)

(2)配合比设计:按照 SMA-16的标准级配建议,经过配合比设计计算确定 3组冷料仓投料比例,使 4.75mm的通过率大体上为 23%,26%,29%,0.075 mm的通过率为10%左右(相当于固定矿粉用量的 10%)。材料的配比如下:

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

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

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

(3)目标配合比设计检验①谢伦堡沥青析漏检验

采用烧杯法进行沥青析漏试验,试验温度为 185℃析漏损失为 0.04%,符合不大于 0.1%的要求。

②肯塔堡飞散损失试验

飞散试验的试验温度为 20℃,水中养护时间为 20h,飞散损失为 4.0%,符合不大于 20%的要求。

③高温稳定性试验

在 60℃、0.7MPa条件下进行车辙试验,动稳定度5 759次/mm,符合大于 3 000次/mm的要求。

④水稳定性检验

按《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ036-98)和《SMA路面设计施工指南》的规定,采用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验检验水稳定性。浸水马歇尔试验结果如表 2。残留马歇尔稳定度为 110.5%,符合大于 80%的要求。

表 1 浸水马歇尔试验结果

④渗水系数和构造深度检验

用 SMA混合料一采用轮碾法成型的试件进行试验,渗水系数几乎接近 0,试件表面的构造深度均符合要求。

由此确定目标配合比为:1#料(10～20mm)∶2#料(5～10mm)∶3#石屑:矿粉 =55∶18∶17∶10,最佳油石比为 6.0%。

(4)检验:对施工工程进行了压实度、平整度、构造深度及透水系数等方面的检测,检测结果见表 2。

表 2 路面性能检测结果

检测结果表明,施工后路面的压实度、平整度、构造深度均与试验段施工水平相当,且有较小的变异系数,质量较为稳定。

4 结束语

通过对 SMA路用性能进行系统研究,以及在某高速公路上应用,可以得到以下结论:

(1)对 SMA混合料的结构组成及强度形成机理进行研究,SMA与其他配比相比,有更厚、胶结力更强,且矿料骨架内摩擦力更高,空隙率小等优点,故 SMA混合料路用性能得到全面改善。

(2)SMA沥青结合料应用于某高速公路检测结果表明:施工后路面的压实度、平整度、构造深度均与试验段施工水平相当,且有较小的变异系数,质量较为稳定。

[1] 沈金安.改性沥青与 SMA路而[M].人民交通出版社,1999.

[2] 张争奇.改性沥青与改性沥青混合料研究[D].博士论文,1997.

[3] 张登良.沥青路面[M].人民交通出版社,1998.