雷 鑫

(中山市交通項目建設(shè)有限公司， 廣東 中山 528403)

0 引言

近些年來，SMA瀝青混合料受到了許多道路工作者的青睞，這與其具有良好的低溫抗裂性、防水性、高溫穩(wěn)定性等突出優(yōu)勢分不開。SMA是一種間斷級配骨架密實性混合料，借助于粗集料形成嵌擠結(jié)構(gòu)，再采用瀝青瑪蹄脂對空隙進(jìn)行填補(bǔ)，從而使得整個路面更加結(jié)實[1]。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)中對瀝青混合料的系列溫度(如拌和溫度、壓實溫度等)進(jìn)行了規(guī)定，但鑒于不同瀝青路面工程所處的環(huán)境、所用材料等差異性，完全遵循規(guī)范可能達(dá)不到預(yù)定的質(zhì)量要求，溫度很大程度上影響了瀝青混合料的物理及力學(xué)特性，為此有必要進(jìn)行瀝青混合料的溫度相關(guān)試驗研究[2]。國內(nèi)一些研究者就拌和溫度對瀝青混合料性能的影響進(jìn)行了研究，如范一冰[3]從瀝青對礦料的裹附、短期老化等方面對瀝青混合料的拌和溫度進(jìn)行了本質(zhì)分析，同時研究了拌和溫度變化對瀝青混合料性能的影響，并建立了拌和溫度和添加劑之間的共軛影響關(guān)系。此類的研究成果較多，大多根據(jù)試驗獲得最佳拌和溫度或獲得拌和溫度與瀝青混合料的各項性能關(guān)系，也有一些研究者研究了拌和溫度改變?yōu)r青混合料的機(jī)理。不同的試驗材料對應(yīng)不同的拌和溫度，但關(guān)于拌和溫度變化對瀝青混合料的疲勞性能影響的研究較少[4]，基于此，本文以實例項目的瀝青混合料材料為基礎(chǔ)，進(jìn)行拌和溫度對SMA — 13混合料的物理力學(xué)性能影響研究，以確定最佳拌和溫度，同時明確拌和溫度變化對SMA — 13混合料的疲勞性能影響程度。

1 原材料與級配

以中山縱四線公路工程為例，試驗路段選在K29+220～K29+620左幅終點位置，全長400 m，距離拌和站約9 km。瀝青上面層設(shè)計為SMA — 13瀝青混合料，厚度4 cm，寬度12 m，采用集中廠拌、機(jī)械攤鋪。

1.1 原材料

1.1.1粗、細(xì)集料

粗集料采用肇慶封開碎石場輝綠巖，規(guī)格為9.5～13.2 mm(1#)、4.7～9.5 mm (2#)、2.36～4.7 mm(3#)。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2015)確定粗集料物理性能，具體指標(biāo)滿足規(guī)范要求。細(xì)集料選用天然砂，天然砂的各項指標(biāo)均滿足規(guī)定要求。篩分試驗結(jié)果均滿足級配曲線分區(qū)要求。

1.1.2填料

礦粉采用生產(chǎn)單位自產(chǎn)的石灰石礦粉，礦粉質(zhì)量試驗結(jié)果均滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)要求。

1.1.3瀝青

瀝青采用改性瀝青，改性劑為SBS，具體用量由施工試驗決定，各項指標(biāo)滿足《SBS改性瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB33/T1170—2019)的要求，瀝青試驗結(jié)果見表1。

表1 SBS(Ⅰ-D類)改性瀝青技術(shù)要求及試驗結(jié)果類別針入度(25 ℃,100 g,5 s) /0.1 mm針入度指數(shù)PI 延度(5 ℃,5 cm/min)/cm軟化點TR&B /℃運(yùn)動粘度135 ℃ /(Pa·s)閃點/℃溶解度/%彈性恢復(fù)25 ℃/%技術(shù)要求30～60≥0≥20≥60≤3≥230≥99≥75檢驗結(jié)果52.60.3825932.3267.699.581.5

1.1.4纖維穩(wěn)定劑

采用鹽城歐路華纖維科技有限公司的成絮狀木質(zhì)素纖維，用量為瀝青混合料用量的0.4%，具體質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)以及檢測的各項試驗指標(biāo)結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2019)要求。

1.2 級配

綜合考慮到各主控因素對SMA — 13物理及力學(xué)性能的影響，選擇最佳配合比，其中，m(1#)∶m(2#)∶m(3#)∶m水泥∶m礦粉=45.5∶33.5∶11∶2∶8，級配試驗結(jié)果見表2所示，最終確定的最佳油石比為5.9%。級配試驗結(jié)果見表2。

表2 級配試驗結(jié)果集料集料所占比例/%不同方孔篩(mm)下的質(zhì)量通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#45.510086.317.21.91.61.41.41.41.40.92#33.510098.79.21.51.31.31.11.11.03#1110099.290.777.357.232.922.111.3水泥210097.5礦粉810081.2合成級配 10093.261.726.319.317.214.513.812.910.1級配范圍 100[90,100][50,72][20,30][16,24][14,21][12,18][10,16][9,14][8,12]

2 拌和溫度對瀝青混合料的物理力學(xué)性能試驗及分析

2.1 拌和溫度變量下SMA-13瀝青混合料的物理試驗

縱觀國內(nèi)研究者關(guān)于SMA — 13瀝青混合料的試驗結(jié)果可知，控制單一變量進(jìn)行馬歇爾試驗研究得到的SMA — 13瀝青混合料拌和溫度具有差異性。試驗確定的壓實溫度通過等粘溫度原則而定，但該方法確定的壓實溫度在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中重新進(jìn)行了修正。盡管進(jìn)行了修正，確定改性瀝青的拌和溫度仍然會發(fā)生較大的誤差，試驗獲得的結(jié)果往往偏高。因此，一些學(xué)者由此產(chǎn)生了不同的看法，即建議結(jié)合工程實踐來確定確切的拌和及壓實溫度。本文基于以上觀點，進(jìn)行不同拌和溫度下SMA — 13瀝青混合料的物理力學(xué)性能研究，設(shè)置合理試驗，以期獲得可靠試驗結(jié)果。

2.1.1試驗基本參數(shù)

以拌和溫度為研究變量，確定SMA — 13瀝青混合料的最佳拌和溫度。

試驗拌和溫度：160 ℃、170 ℃、180 ℃。試驗材料：采用油石比為5.9%的SMA — 13瀝青混合料。試驗指標(biāo)：馬歇爾試驗指標(biāo)。試驗過程：制作3組馬歇爾試件，進(jìn)行不同指標(biāo)下的平行試驗，各個指標(biāo)試件均為3個，試驗結(jié)果取均值，馬歇爾成型試件見圖1。試驗中對試件均雙面擊實75次，進(jìn)行馬歇爾試驗，馬歇爾試驗具體內(nèi)容參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求進(jìn)行。

圖1 馬歇爾成型試件

2.1.2試驗結(jié)果

不同拌和溫度下瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果見表3、圖2～5。

表3 不同拌和溫度下SMA-13瀝青混合料的馬歇爾試驗指標(biāo)結(jié)果拌和溫度/℃空隙率/%流值/0.1mm穩(wěn)定度/kN瀝青飽和度/%礦料間隙率/%毛體積密度/g·cm-3 馬歇爾模數(shù)/kN·mm-1 1604.725.514.0363.618.32.4195.541703.923.714.5270.217.72.4376.191803.728.914.5874.117.62.4464.95

圖2 不同拌和溫度下的空隙率、穩(wěn)定度變化曲線

圖3 不同拌和溫度下的流值變化曲線

圖4 不同拌和溫度下的瀝青飽和度、礦料間隙率變化曲線

圖5 不同拌和溫度下的毛體積密度、馬歇爾模數(shù)變化曲線

由圖2～5可知，隨著拌和溫度增大，SMA — 13瀝青混合料的穩(wěn)定度、瀝青飽和度、毛體積密度逐漸增大，呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，但空隙率及礦料間隙率隨著拌和溫度增大而逐漸降低，這有利于SMA — 13混合料性能的發(fā)展。流值呈現(xiàn)出隨拌和溫度增大先減少后增大趨勢，170 ℃拌和溫度下,SMA — 13的流值最低、馬歇爾穩(wěn)定度值最大。對于SMA — 13混合料，其流值越低、馬歇爾穩(wěn)定度越大越有利，其余馬歇爾指標(biāo)如穩(wěn)定度、瀝青飽和度、礦料間隙率也在170 ℃時保持適中值，顯然可以確定170 ℃為SMA — 13混合料的最佳拌和溫度。

分析其原因，較高的拌和溫度易造成SMA — 13混合料老化，而瀝青混合料的溫度離析現(xiàn)象在較高溫度下也比較明顯，施工中應(yīng)控制瀝青混合料的溫度，防止瀝青混合料的離析現(xiàn)象。隨著拌和溫度升高，瀝青粘度受溫度的影響越不明顯，瀝青鑲嵌在顆粒間從而降低了混合料的空隙率，一旦拌和溫度過低，瀝青有可能很難起到潤滑顆粒作用。

2.2 拌和溫度變量下SMA — 13瀝青混合料的疲勞試驗

SMA — 13瀝青混合料路面在車輛反復(fù)作用下處于一種應(yīng)力反復(fù)交替變化的狀態(tài)，此狀態(tài)下原有損傷持續(xù)累積或者產(chǎn)生新的損傷，并且不斷發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致瀝青混合料疲勞破壞。為考察拌和溫度對SMA — 13混合料的疲勞性能影響，進(jìn)行不同拌和溫度下SMA — 13混合料的疲勞試驗。采用四點彎曲試驗檢驗本文設(shè)計的不同拌和溫度下SMA — 13混合料的疲勞性能。

2.2.1疲勞試驗方案

制作400 mm×300 mm×75 mm尺寸試件，室溫下養(yǎng)護(hù)12 h，制作成尺寸為(380±5)mm×(63.5±5)mm×(50±5)mm的小梁試件，如圖6所示。

圖6 疲勞成型試件

為更合理地模擬路面實際疲勞過程，采用正弦波加載波形，加載應(yīng)力分為3個等級，分別為最大加載值的30%、40%、50%。同時依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(T0479—2011)選擇15 ℃加載溫度，該溫度值為國內(nèi)疲勞當(dāng)量最不利狀態(tài)下溫度，便于獲得疲勞加載的最不利結(jié)果[5]。

2.2.2疲勞試驗結(jié)果

為確定疲勞施加荷載大小(取彎拉強(qiáng)度)，取170 ℃拌和溫度下制作的試件進(jìn)行小梁彎拉試驗，試驗溫度設(shè)置為15 ℃，計算彎拉強(qiáng)度平均值為8.2 MPa，作為疲勞荷載加載值。試驗中，分級加載，確定不同加載荷載下的疲勞次數(shù)，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立不同應(yīng)力水平與疲勞壽命的相關(guān)函數(shù)關(guān)系，從而判斷SMA — 13疲勞性能。應(yīng)力與疲勞壽命的回歸方程表達(dá)式見式(1)。

(1)

式(1)中，k、n為常數(shù)，由瀝青混合料的成分及特性決定；Nf為疲勞試件破壞時的加載次數(shù)，次；σf為循環(huán)加載應(yīng)力值，MPa。

式(1)中，常數(shù)k、n間接展現(xiàn)了疲勞性能，k值越大，試件疲勞性能越好，相當(dāng)于一次正函數(shù)系數(shù)，系數(shù)越大則值越大。n則反映了疲勞曲線的斜率，其值越大試件受應(yīng)力變化越敏感，而SMA — 13混合料的抵抗疲勞性能越差。疲勞試驗結(jié)果見表4。

表4 SMA—13瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果拌和溫度/℃應(yīng)力水平疲勞壽命次數(shù)/次123平均值0.353 90154 39853 99254 0971600.416 65316 12916 00216 2610.53 6223 5533 6783 6180.359 66258 91360 31759 6311700.418 61219 67718 99819 0960.54 0794 2384 3104 2090.355 08254 98756 01255 3601800.417 23217 78317 19017 4020.53 8193 9033 8773 866

由表4可知，同一拌和溫度時，SMA — 13混合料不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命不同，低應(yīng)力水平下的疲勞壽命顯著高于高水平應(yīng)力下的疲勞壽命。同一應(yīng)力水平下，拌和溫度影響試件的疲勞壽命，拌和溫度由160 ℃升到180 ℃時，疲勞壽命先增大后減少。0.3應(yīng)力水平下,拌和溫度170 ℃的試件疲勞壽命較拌和溫度160 ℃的試件疲勞壽命大5 000多次，較拌和溫度180 ℃的試件疲勞壽命大4 000多次?？梢?，拌和溫度在170 ℃時試件的疲勞壽命最大。

將拌和溫度為170 ℃時試件的疲勞試驗數(shù)據(jù)繪制疲勞壽命與應(yīng)力倒數(shù)關(guān)系，見圖7。由圖可知，應(yīng)力倒數(shù)與疲勞壽命呈現(xiàn)出了正相關(guān)關(guān)系，隨著應(yīng)力倒數(shù)不斷增大，SMA — 13瀝青混合料的疲勞壽命不斷增大。0.3倍應(yīng)力水平下的疲勞壽命較0.5倍應(yīng)力水平下的疲勞壽命高出13倍以上?？梢?，重車對SMA — 13的疲勞壽命影響較大。

利用Origin軟件對圖7進(jìn)行式(1)基礎(chǔ)上的擬合，得到170 ℃拌和溫度下的關(guān)系曲線常數(shù)k=7236870，n=5.25。又SMA — 13瀝青混合料中的上面層應(yīng)力設(shè)計值以0.25 MPa計算，則代入式(1)可計算得到本次設(shè)計的SMA — 13瀝青混合料疲勞壽命，即8.76×109次，同理求得160 ℃拌和溫度下試件的疲勞壽命為6.73×109次，180 ℃拌和溫度下的試件疲勞壽命為7.39×109次。顯然，本次設(shè)計170 ℃拌和溫度下SMA — 13瀝青混合料的疲勞壽命值最大，滿足日常車輛運(yùn)營要求。

圖7 應(yīng)力倒數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系曲線

3 結(jié)語

1)隨著拌和溫度增大，SMA — 13瀝青混合料的穩(wěn)定度、瀝青飽和度、毛體積密度逐漸增大，呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，但空隙率及礦料間隙率隨著拌和溫度增大而逐漸降低。流值呈現(xiàn)出隨拌和溫度增大先減少后增大趨勢，170 ℃拌和溫度下SMA — 13混合料馬歇爾穩(wěn)定度值最大。對于SMA — 13混合料，其流值越低、馬歇爾穩(wěn)定度越大越有利，其他馬歇爾指標(biāo)如穩(wěn)定度、瀝青飽和度、礦料間隙率也在170 ℃時保持適中值，可確定170 ℃為SMA — 13混合料的最佳拌和溫度。

2)拌和溫度影響SMA — 13瀝青混合料的疲勞性能，同一應(yīng)力水平下，拌和溫度由160 ℃升到180 ℃時，疲勞壽命先增大后減少。拌和溫度在170 ℃時試件的疲勞壽命最大。