匡強(qiáng)， 周再恒， 徐程

(1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528000；2.廣東云茂高速公路有限公司， 廣東 廣州 511440；3.湖南建工交通建設(shè)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

近年來(lái)，隨著交通量及車(chē)輛軸載的急劇增加，瀝青路面出現(xiàn)了較多不良病害。尤其是南方地區(qū)受高溫環(huán)境作用的影響，重載高溫下的瀝青路面承受更多考驗(yàn)。而中國(guó)應(yīng)用最廣泛的普通密級(jí)配瀝青混合料受級(jí)配組成理論所限，很難較好地解決這一問(wèn)題。瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)是在德國(guó)澆注式瀝青砼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型混合料，其主要依靠間斷級(jí)配理論和纖維瀝青膠漿填充理論，近年在湖南、江西、廣西、廣東等南方地區(qū)得到推廣應(yīng)用。但由于南方地區(qū)存在的重載交通導(dǎo)致SMA路面高溫穩(wěn)定性較難控制。該文對(duì)環(huán)境、級(jí)配(粗細(xì))、木質(zhì)素纖維摻量、溫度等高溫穩(wěn)定性影響因素展開(kāi)研究，為提高SMA高溫穩(wěn)定性提供參考。

1 原材料性能

1.1 瀝青

采用殼牌SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)達(dá)到中國(guó)I-D、SHRP PG76-22級(jí)要求(見(jiàn)表1)。

表1 SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料填料

考慮到中國(guó)嚴(yán)重的重載和超載情況，根據(jù)國(guó)內(nèi)大量研究成果，巖石的硬度較高或石質(zhì)較好的粗集料有利于混合料的抗車(chē)轍性能。集料采用廣西貴港輝綠巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，同時(shí)采用32.5 MPa水泥提高集料與瀝青的黏附性。各集料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2、表3。

表3 集料的技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

1.3 纖維

采用江蘇理想環(huán)球新材料有限公司生產(chǎn)的絮狀木質(zhì)素纖維，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 木質(zhì)素纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.4 合成級(jí)配

采用SMA-13級(jí)配，通過(guò)搗實(shí)試驗(yàn)確定搗實(shí)骨架間隙率VCADRC，然后根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配選取3組不同的級(jí)配，其差異主要以4.75 mm篩孔通過(guò)率來(lái)反映。合成級(jí)配見(jiàn)表5。

表5 SMA的合成級(jí)配

由表5可知：3組級(jí)配通過(guò)控制4.75 mm篩孔通過(guò)率來(lái)實(shí)現(xiàn)，填料為水泥與礦粉的混合物(水泥∶礦粉=2∶7)，控制空隙率3%～4.5%為最佳油石比初選依據(jù)。成型馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：1#級(jí)配(粗)、2#級(jí)配(中)、3#級(jí)配(細(xì))的最佳油石比分別為6.5%、6.2%、5.9%。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)均勻正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)探討環(huán)境、級(jí)配(粗細(xì))、木質(zhì)素纖維摻量、溫度對(duì)SMA高溫穩(wěn)定性的影響程度及對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用德國(guó)infraTest輪碾成型機(jī)成型試件、infraTest漢堡車(chē)轍儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 影響因素

油石比與級(jí)配固定對(duì)應(yīng)，因此選取油石比與級(jí)配(粗細(xì))、木質(zhì)素纖維摻量、溫度(空氣、水浴溫度)作為分析對(duì)象，每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)(見(jiàn)表7)。

表7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青混合料高溫性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為馬歇爾穩(wěn)定度及車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度?？紤]到歐盟EN 12697-22規(guī)范《熱拌瀝青混合料的輪轍試驗(yàn)方法》、美國(guó)AASHTO T324-04《漢堡車(chē)轍儀規(guī)范》及中國(guó)規(guī)范JTG E20-2011《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置、條件均有所不同，主要按照歐盟EN 12697-22、美國(guó)AASHTO T324-04的試驗(yàn)參數(shù)及條件設(shè)置，空氣浴下試驗(yàn)輪載使用橡膠輪，水浴下試驗(yàn)輪載使用鋼輪。為更好地模擬重載交通下瀝青路面的性能，荷載選為1.4 MPa，高于國(guó)內(nèi)規(guī)范要求0.7 MPa，加載速率均為52次/min，次數(shù)上限為20 000次，車(chē)轍深度上限為20 mm。以車(chē)轍變形率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小，混合料的高溫穩(wěn)定性能越好。表達(dá)式如下：

rRD=RD/t

(1)

式中：rRD為車(chē)轍變形率(mm/h)；RD為最大車(chē)轍深度(mm)；t為荷載作用時(shí)間(h)，t=n/(52×60)；n為最大車(chē)轍深度時(shí)的荷載作用次數(shù)。

由于馬歇爾試驗(yàn)的成型方式不同，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)性不如輪碾成型模擬路面壓實(shí)效果，故取車(chē)轍試件相同成型條件下德國(guó)infraTest輪碾成型機(jī)成型的試件鉆芯取樣(見(jiàn)圖1)，并在與車(chē)轍試件相同的養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。

圖1 馬歇爾試件

2.3 正交試驗(yàn)方案

依照上述影響因素及不同水平數(shù)，忽略交互作用，選取L9(33)正交表開(kāi)展試驗(yàn)?？諝庠∨c水浴下正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別見(jiàn)表8、表9。

表8 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果(空氣浴)

表9 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果(水浴)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8、表9和圖2、圖3。

3.1 直觀分析

從表8、表9、圖2、圖3可看出：1) 在高溫重載條件下，不論是在空氣中還是水浴中，SMA-13均具備較好的高溫穩(wěn)定性。2) 在重載1.4 MPa條件下，在60 ℃空氣或水浴環(huán)境下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較均勻且能較好地評(píng)價(jià)SMA-13瀝青混合料的高溫性能。3) 不同因素對(duì)SMA-13混合料在高溫重載條件下高溫穩(wěn)定性的影響強(qiáng)弱為環(huán)境>級(jí)配(粗細(xì))>溫度>木質(zhì)素纖維摻量。4) 在選定的兩種試驗(yàn)環(huán)境中，在高溫重載條件下環(huán)境對(duì)SMA-13混合料高溫穩(wěn)定性的影響強(qiáng)弱為水浴>空氣浴。這主要是水在車(chē)轍往返過(guò)程中與溫度對(duì)車(chē)轍試件的耦合作用對(duì)孔隙的沖刷更明顯，同時(shí)增加了動(dòng)水壓力，使在水浴條件下高溫抗車(chē)轍性能更差。5) 不同級(jí)配(粗細(xì))SMA-13混合料的高溫性能差異顯著，在高溫重載條件下，在選定的粗、中、細(xì)級(jí)配混合料中，其高溫性能優(yōu)劣依次為粗>中>細(xì)。SMA-13混合料為骨架密實(shí)型級(jí)配，其含量較多的粗集料互相嵌鎖組成高穩(wěn)定性(抗變形能力強(qiáng))的結(jié)構(gòu)骨架，細(xì)集料和礦粉、瀝青和纖維穩(wěn)定劑組成的瀝青瑪蹄脂將骨架膠結(jié)一起，并填充骨架空隙，使混合料具有較好的柔性及耐久性，而粗級(jí)配的粗集料更多，骨架更密實(shí)，其高溫抗車(chē)轍性能更好。

圖2 正交試驗(yàn)結(jié)果(空氣浴)

圖3 正交試驗(yàn)結(jié)果(水浴)

3.2 方差分析

在同一環(huán)境及重載1.4 MPa條件下，級(jí)配(粗細(xì))、木質(zhì)素纖維摻量和溫度等因素對(duì)SMA-13混合料高溫性能的影響均具備一定的交聯(lián)耦合作用，故引入單因素方差，分別對(duì)級(jí)配(粗細(xì))、木質(zhì)素纖維摻量和溫度等進(jìn)行分項(xiàng)方差分析，結(jié)果見(jiàn)由表10、表11。

表10 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果(空氣浴)

表11 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果(水浴)

從表10、表11可看出：1) 在空氣浴中，木質(zhì)素纖維摻量及溫度對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度與車(chē)轍變形率的影響不顯著；在水浴中，級(jí)配(粗細(xì))、溫度、木質(zhì)素纖維摻量對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度與車(chē)轍變形率的影響均不顯著。與實(shí)際不符，這是因?yàn)樵撐脑诟邷刂剌d條件下開(kāi)展試驗(yàn)，同時(shí)環(huán)境對(duì)其影響較大，導(dǎo)致選定因素對(duì)高溫性能的影響被弱化。2) 在空氣浴中，級(jí)配(粗細(xì))對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度及車(chē)載變形率的影響顯著，不同因素對(duì)SMA混合料在高溫重載條件下高溫穩(wěn)定性的影響強(qiáng)弱為級(jí)配(粗細(xì))>溫度>木質(zhì)素纖維摻量，與3.1節(jié)結(jié)論相同。可見(jiàn)，級(jí)配(粗細(xì))在高溫重載條件下是影響混合料高溫性能的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1) SMA-13在高溫重載條件下性能優(yōu)異，同時(shí)具有較高的行車(chē)舒適性、安全性，建議在高溫、重載及多雨地區(qū)優(yōu)先作為路面級(jí)配類型使用，以達(dá)到較好的瀝青路面性能，減少養(yǎng)護(hù)成本。

(2) 在同一環(huán)境下，級(jí)配(粗細(xì))是影響SMA-13高溫穩(wěn)定性的主要因素；溫度高低對(duì)SMA-13高溫穩(wěn)定性的影響較大；木質(zhì)素纖維摻量增加可改善SMA-13的高溫抗車(chē)轍性能。

(3) 在水浴中，級(jí)配(粗細(xì))、溫度、木質(zhì)素纖維摻量對(duì)SMA-13馬歇爾穩(wěn)定度與車(chē)轍變形率的影響均不顯著，說(shuō)明在重載地區(qū)，高溫與雨水是SMA路面的主要影響因素。

(4) 在交通量較大的南方濕熱地區(qū)，瀝青路面面層推薦最佳組合為A1B2，即粗級(jí)配SMA-13，木質(zhì)素纖維摻量為0.4%。