李明博

[山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司)，太原 030032]

瀝青瑪蹄脂碎石混合料起源于德國(guó)，20世紀(jì)90年代被引入我國(guó)，1993年首次被應(yīng)用于首都機(jī)場(chǎng)高速公路路面工程[1]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)已成功推廣SMA的中粒式(SMA-20、SMA-16)和細(xì)粒式(SMA-13、SMA-10)瀝青混凝土，其在高速公路、一級(jí)公路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，且國(guó)內(nèi)已有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

SMA為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既規(guī)避了傳統(tǒng)密級(jí)配瀝青混凝土(AC)、瀝青碎石混合料(AM)和排水性瀝青混合料(OGFC)的缺點(diǎn)，又保留了它們的優(yōu)點(diǎn)[2]。SMA的抗車轍性、疲勞耐久性、抗裂性、水穩(wěn)定性、滲水性、抗老化性、抗磨損性和抗滑性等各項(xiàng)性能優(yōu)異，尤其是解決了傳統(tǒng)瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性與抗滑性、耐久性不兼容的問(wèn)題[3]。

為提高路面質(zhì)量，降低SMA路面成本，尤其是減少面層優(yōu)質(zhì)石料的用量，施工中常用的方法是減少面層厚度。為了達(dá)到減少面層厚度、降低成本的目的，本文將上面層SMA最大粒徑縮小到9.5 mm，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究SMA-8的技術(shù)性能，結(jié)合試驗(yàn)段鋪筑探究SMA在新建高速公路路面工程中的應(yīng)用效果，以期為其他公路路面工程提供借鑒和參考。

1 原材料

1.1 粗集料

粗集料選用輝綠巖，粒徑為3～5 mm和5～8 mm 兩檔，粗集料技術(shù)性能如表1所示。

表1 粗集料技術(shù)性能

1.2 細(xì)集料

細(xì)集料選用變質(zhì)砂巖加工制成的機(jī)制砂，其表面潔凈、干燥，質(zhì)量穩(wěn)定，粒徑為0～3 mm。細(xì)集料技術(shù)性能如表2所示。

表2 細(xì)集料技術(shù)性能

1.3 瀝青

瀝青采用高黏改性瀝青，瀝青技術(shù)性能如表3所示。

表3 瀝青技術(shù)性能

1.4 填料

填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，外觀無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊，礦粉技術(shù)性能如表4所示。

表4 礦粉技術(shù)性能

1.5 纖維穩(wěn)定劑

纖維穩(wěn)定劑采用絮狀木質(zhì)素纖維，纖維長(zhǎng)度為4 mm，灰分含量為20%，含水量為1%，相對(duì)密度為1.123，其摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配范圍的確定

現(xiàn)有規(guī)范未明確SMA-8的級(jí)配范圍。在世界上，德國(guó)最早使用SMA，用量大、填料多、空隙率小，但德國(guó)夏季氣溫不高，因此不會(huì)出現(xiàn)泛油和車轍問(wèn)題。美國(guó)對(duì)SMA進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，其SMA技術(shù)基本成熟。我國(guó)的緯度和氣候條件與美國(guó)相近，可使用與美國(guó)相似的SMA設(shè)計(jì)方法[4]。

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)中SMA推薦級(jí)配最細(xì)的為SMA-10，但級(jí)配范圍較大，尤其是篩孔尺寸4.75 mm的通過(guò)率為28%～60%，增大了設(shè)計(jì)難度?？紤]本次施工路段所屬氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，參考國(guó)內(nèi)外SMA級(jí)配范圍的規(guī)范要求和國(guó)內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)[5]，進(jìn)行SMA-8級(jí)配設(shè)計(jì)，SMA-8級(jí)配設(shè)計(jì)如表5所示。

表5 SMA-8級(jí)配設(shè)計(jì)

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

原材料篩分結(jié)果如表6所示。

表6 原材料篩分結(jié)果

根據(jù)原材料篩分結(jié)果，參考SMA-8級(jí)配范圍，初步確定甲、乙、丙3種級(jí)配。級(jí)配甲的摻配比例為：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(礦粉)=64∶6∶20∶10；級(jí)配乙的摻配比例為：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(礦粉)=66∶6∶18∶10；級(jí)配丙的摻配比例為：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(礦粉)=68∶6∶16∶10。SMA-8合成礦料級(jí)配如表7所示。

表7 SMA-8合成礦料級(jí)配 (%)

設(shè)定6.3%為初試油石比，對(duì)SMA-8進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，馬歇爾試件雙面各擊實(shí)50次成型，成型溫度為170 ℃～180 ℃，SMA-8不同設(shè)計(jì)級(jí)配的體積參數(shù)如表8所示。

上述3組級(jí)配以2.36 mm為下限，檢測(cè)粒徑>2.36 mm粗集料的松方密度分別為1.640、1.637和1.632，粒徑>2.36 mm粗集料的毛體積相對(duì)密度為2.794，進(jìn)而得到3組級(jí)配的VCADRC分別為41.3%、41.4%和41.6%。

由表8可知，級(jí)配甲和級(jí)配丙的空隙率均不滿足技術(shù)要求。因此，選擇級(jí)配乙為SMA-8的目標(biāo)級(jí)配。

2.3 最佳油石比

根據(jù)選定級(jí)配，設(shè)定油石比6.1%、6.4%和6.7%進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，SMA-8不同油石比的體積參數(shù)如表9所示。

根據(jù)《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》(SHC F40—01—2002)，南方炎熱地區(qū)SMA設(shè)計(jì)空隙率為4%。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)選取6.4%為SMA-8的最佳油石比。

3 路用性能

為檢驗(yàn)SMA-8配合比設(shè)計(jì)，對(duì)前文選擇的級(jí)配乙進(jìn)行路用性能研究。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)對(duì)SMA-8的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定。將車轍試件在規(guī)定試驗(yàn)溫度和輪碾條件下，沿試件表面同一輪跡反復(fù)碾壓，測(cè)定試件表面形成的車轍深度。以每產(chǎn)生1 mm車轍變形所需要的碾壓次數(shù)(以動(dòng)穩(wěn)定度表征)作為評(píng)定抗車轍能力的指標(biāo)，動(dòng)穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性越好。

車轍試驗(yàn)結(jié)果為：SMA-8的動(dòng)穩(wěn)定度為7 412 次/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)動(dòng)穩(wěn)定度>3 000次/mm的技術(shù)要求。

3.2 低溫抗裂性

采用低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)SMA-8的低溫抗裂性進(jìn)行測(cè)定。將車轍試件切割為長(zhǎng)250 mm、寬30 mm、高35 mm的小梁試件，在-10 ℃下養(yǎng)護(hù)5 h，支撐點(diǎn)間距為200 mm，加載速度為50 mm/min。

根據(jù)荷載-撓度曲線，求得最大荷載和跨中撓度，進(jìn)而得出抗彎拉強(qiáng)度為8.96 MPa，破壞時(shí)的梁底最大彎拉為2 875 MPa，破壞時(shí)的彎曲勁度模量為3 125 MPa。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)SMA-8的抗水損害能力進(jìn)行測(cè)定。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果為：SMA-8的浸水0.5 h和48 h的穩(wěn)定度分別為11.2 kN和10.95 kN，SMA-8的殘留穩(wěn)定度為97.8%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)殘留穩(wěn)定度≥80%的技術(shù)要求。

3.4 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)

謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)是德國(guó)為SMA配合比設(shè)計(jì)制定的方法，能夠確定瀝青混合料中是否含有多余的自由瀝青或?yàn)r青瑪蹄脂，進(jìn)而確定SMA的最大瀝青用量。采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)對(duì)SMA-8的析漏損失進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為185 ℃。結(jié)果表明SMA-8的析漏損失為0.08%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)析漏損失≤0.1%的技術(shù)要求。

3.5 肯塔堡飛散試驗(yàn)

肯塔堡飛散試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)路面由于瀝青用量或黏結(jié)性不足，在交通荷載作用下路面表層集料脫落而散失的程度。將養(yǎng)護(hù)好的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)，以30～33 r/min旋轉(zhuǎn)300 r，計(jì)算質(zhì)量損失，進(jìn)而確定SMA所需最小瀝青用量。

試驗(yàn)結(jié)果表明SMA-8的飛散損失為1.36%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)飛散損失≤15%的技術(shù)要求。

4 工程應(yīng)用

某新建高速公路所處地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季最高溫32.9 ℃，極端值39.2 ℃，且降雨量大，氣候條件要求路面結(jié)構(gòu)具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗車轍性。將SMA-8進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段試鋪，施工過(guò)程中注意以下幾點(diǎn)：

(1) 施工前要求處治下承層，同時(shí)徹底清掃路面、去除積水，確保路面干燥潔凈后方可加鋪。

(2) SMA-8采用高黏改性瀝青，拌和溫度為170 ℃～190 ℃。瀝青混合料拌和后外觀應(yīng)均勻黝黑，無(wú)花白料、結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象。

(3) 熱瀝青混合料攤鋪溫度控制在165 ℃以上，攤鋪一次成型。應(yīng)合理安排，將人工干預(yù)最小化，如果出現(xiàn)少量攤鋪缺陷，應(yīng)及時(shí)用熱料進(jìn)行人工修補(bǔ)并壓實(shí)。為避免離析，攤鋪寬度不得超過(guò)8 m，攤鋪速度不超過(guò)3 m/min。

(4) 攤鋪成型后，初壓采用13 t雙鋼輪壓路機(jī)在靜壓模式下進(jìn)行壓實(shí)、收光整平，復(fù)壓采用重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，遍數(shù)不少于3遍。振動(dòng)壓路機(jī)遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”原則。初壓溫度控制在160 ℃以上。

(5) 路面溫度冷卻到50 ℃以下方可開放交通。

施工結(jié)束后，對(duì)路面厚度、平整度、滲水系數(shù)和構(gòu)造深度進(jìn)行檢測(cè)，SMA-8路面試驗(yàn)段實(shí)測(cè)結(jié)果如表10所示。SMA-8的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)的技術(shù)要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和國(guó)內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)，確定了SMA-8的級(jí)配設(shè)計(jì)范圍；通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)SMA-8進(jìn)行了級(jí)配設(shè)計(jì)，確定了最佳油石比為6.4%。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段試鋪試驗(yàn)結(jié)果表明，SMA-8的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、滲水性和抗滑性等性能優(yōu)異。相較于厚度為24～26 mm的SMA-16，SMA-8，降低了造價(jià)。且SMA-8不易離析，降低了施工難度，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。