馮冰天

[1.上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433；2.上海綠色路面材料工程技術(shù)研究中心，上海市 201901]

0 引言

截至目前我國(guó)公路總里程達(dá)到519.81萬(wàn)km，其中高速公路達(dá)16.1萬(wàn)km，而瀝青路面作為現(xiàn)階段公路最常用的路面形式在我國(guó)有著十分廣泛的應(yīng)用[1]。瀝青混合料作為一種粘彈塑性綜合體材料，其力學(xué)性能會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生顯著差異。夏季高溫時(shí)，易出現(xiàn)擁包、推擠和車轍等病害，在冬季低溫時(shí)，易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，并已然成為一個(gè)不可回避的問(wèn)題[2]。G15嘉瀏段作為出上海進(jìn)入江蘇的主要通道，目前雙向日均流量達(dá)到約12萬(wàn)veh/d（含匯源及嘉盛互通匝道），并保持著持續(xù)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。大量重載車輛的通行和高速公路運(yùn)營(yíng)多年路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的衰減，造成路面結(jié)構(gòu)承載力不足，車轍病害較為嚴(yán)重。而SMA瀝青混合料具有優(yōu)異的抗滑能力、耐磨損能力及耐車轍能力。所以，其在現(xiàn)代的高速公路面層建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，我國(guó)大部分地區(qū)均采用木質(zhì)素纖維摻入于SMA瀝青路面中。其作用是防止瀝青滴漏。但是，由于木質(zhì)素纖維本身屬性的原因，其內(nèi)部吸附的瀝青，對(duì)瀝青混合料的油膜厚度與強(qiáng)度沒有明顯的提升，反而增加了瀝青的使用量[3]。玄武巖纖維近年來(lái)因?yàn)槠渚哂袃r(jià)格低廉、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)在瀝青路面的建設(shè)中越來(lái)越受到重視。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)摻入玄武巖纖維的瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入能夠全面提高瀝青路面的抗車轍能力，抗水損害能力，以及抗低溫開裂能力等路用性能[4-8]。為此，現(xiàn)依托G15高速嘉瀏段拓寬改建工程，其工程起點(diǎn)與滬武高速公路（G15公路）江蘇段擴(kuò)建工程銜接，分界位置為滬蘇界瀏河中心（K1253+131），擬通過(guò)添加不同種類的纖維、外摻劑，對(duì)上面層SMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 集料

粗集料是由泰和縣滬泰玄武巖石業(yè)有限公司生產(chǎn)的玄武巖，規(guī)格為9.5~16.0 mm、4.75~9.5 mm；細(xì)集料為東方希望重慶水泥有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r，規(guī)格為0~2.36 mm，性能指標(biāo)如表1所列，性能滿足相關(guān)規(guī)范要求[5]。

1.1.2 填料

礦粉由上海滬長(zhǎng)建材有限公司生產(chǎn)，性能檢測(cè)指標(biāo)如表1所列，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求[5]。

表1 高彈性改性瀝青性能指標(biāo)及實(shí)測(cè)值一覽表

1.1.3 瀝青

瀝青采用上海城建日瀝特種瀝青有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，相對(duì)密度為1.032 g/cm3，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求[4]。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配上下限

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，SMA-13混合料級(jí)配范圍見表2所列。

表2 S MA-13混合料級(jí)配范圍一覽表

1.2.2 礦料配合比計(jì)算

先確定SMA-13的三種級(jí)配（1#:2#:細(xì)集料:礦粉），分別為級(jí)配A（44.0∶37.0∶9.0∶10.0）、級(jí)配B（42.0∶35.0∶13.0∶10.0）和級(jí)配C（40.0∶33.0∶17.0∶10.0），4.75 mm篩孔通過(guò)率分別為23.1%、26.9%、30.7%，三種級(jí)配組成見表3所列。分別測(cè)定三種級(jí)配的粗集料骨架間隙率VCADRC，初試油石比按6.0%，采用雙面各擊實(shí)75次制作瀝青混合料試件，分別測(cè)定空隙率VV、礦料間隙率VMA、飽和度VFA及粗集料骨架間隙率VCAmix等指標(biāo)。在混合料指標(biāo)滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上確定級(jí)配，測(cè)試結(jié)果如表4和表5所列。

表3 三種級(jí)配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果一覽表

由表4和表5可知：級(jí)配B體積指標(biāo)滿足要求，而級(jí)配A、級(jí)配C體積指標(biāo)不滿足要求，故選擇級(jí)配B作為設(shè)計(jì)級(jí)配，圖1為三種級(jí)配曲線圖。

表4 VCADRC試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表5 初試級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果一覽表 單位：%

圖1 級(jí)配曲線圖

1.2.3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

按級(jí)配B稱取礦料，采用3種油石比，雙面各擊實(shí)75次成型馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，得到的結(jié)果如表6所列。

表6 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一覽表

1.2.4 設(shè)計(jì)油石比的確定

根據(jù)SMA路面的設(shè)計(jì)要求，空隙率應(yīng)控制在3%~4.5%。選取油石比為6.0%時(shí)試件的空隙率為4.0%，其它指標(biāo)（礦料間隙率VMA、粗集料骨架間隙率VCA、穩(wěn)定度、飽和度VFA等）也均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定6.0%為設(shè)計(jì)油石比。

1.2.5 凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)瀝青混合料的抗水損害性能，分別進(jìn)行了該油石比下的瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7和表8所列。

表7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果一覽表

1.2.6 車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[4]在60±1℃，0.7±0.05 MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表9所列，圖2為車轍試件碾壓深度之實(shí)景。

表9 車轍試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖2 車轍試件碾壓深度之實(shí)景

2 纖維和外摻劑摻加對(duì)瀝青混合料路用性能影響分析

為進(jìn)一步對(duì)比SMA-13瀝青混合料的路用性能，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析不同纖維和外摻劑摻入對(duì)SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫性能的影響，其中瀝青混合料試件均按照本文1.2節(jié)中的級(jí)配進(jìn)行制備。

2.1 S MA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性能

在瀝青路面的營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，水是導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生各種病害的一個(gè)重要因素。瀝青路面在存在水分的條件下，經(jīng)受交通荷載和溫度漲縮的反復(fù)作用，一方面水分對(duì)瀝青起乳化作用，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度下降，同時(shí)水分逐步侵入到瀝青與集料界面上，由于水動(dòng)力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝離，導(dǎo)致集料之間的粘結(jié)力喪失而發(fā)生路面破壞。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[4]進(jìn)行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

摻入聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維與高強(qiáng)添加劑的試件浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表10所列。由表10中數(shù)據(jù)可知，摻入玄武巖纖維時(shí)，水穩(wěn)定性能相較于添加木質(zhì)素纖維有所提高。摻入聚酯纖維與只添加木質(zhì)素纖維時(shí)性能相差不大。摻入木質(zhì)素纖維與高強(qiáng)添加劑之后水穩(wěn)定性能相較于只添加木質(zhì)素纖維略有提升，但提升效果不明顯。摻入玄武巖素纖維與高強(qiáng)添加劑之后水穩(wěn)定性能優(yōu)于只添加木質(zhì)素纖維的水穩(wěn)定性能。綜合考慮，對(duì)于更換纖維或者摻入高強(qiáng)添加劑對(duì)SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響效果不明顯，對(duì)比相互之間的成本，以及經(jīng)濟(jì)效益，采用木質(zhì)素纖維較為合適。

表10 不同外摻S MA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能對(duì)比一覽表

2.2 S MA-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料在夏季高溫條件下，由于瀝青的流變特性，會(huì)在車輛反復(fù)荷載下產(chǎn)生一定的塑性流動(dòng)變形。瀝青混合料抵抗這種塑性流動(dòng)變形的能力即通常所說(shuō)的高溫穩(wěn)定性，即在高溫條件下，能夠經(jīng)受車輛反復(fù)荷載作用的保持結(jié)構(gòu)與性能溫度，不會(huì)影響其使用性能的能力。國(guó)際上目前衡量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的方法有很多，綜合試驗(yàn)條件難易程度，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行分析比選，擬根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[4]對(duì)比摻入不同外摻劑的SMA-13瀝青混合料進(jìn)行車轍實(shí)驗(yàn)。

摻加聚酯纖維、玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的試件車轍試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：加入聚酯纖維的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度8 345次/mm，加入玄武巖纖維的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度8 201次/mm，相比加入木質(zhì)素纖維的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度7 842次/mm分別高出503次/mm和359次/mm，高溫穩(wěn)定性能分別提升6.4%和4.5%。

圖3 加入不同纖維動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比圖

此外，還在木質(zhì)素纖維瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料中加入高強(qiáng)添加劑用于SMA-13瀝青混合料分析外摻劑復(fù)合摻入對(duì)其動(dòng)穩(wěn)定度的影響，得到的車轍試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。木質(zhì)素纖維瀝青混合料在加入高強(qiáng)添加劑之后動(dòng)穩(wěn)定度由7 842次/mm降至7 151次/mm，高溫性能下降8.8%，而玄武巖纖維瀝青混合料在加入高強(qiáng)添加劑之后高溫性能則由8 201次/mm增至8 596次/mm，高溫穩(wěn)定性能提升4.8%。綜上可知，通過(guò)更換纖維類型和添加高強(qiáng)添加劑對(duì)SMA-13瀝青混合料的高溫性能有一定的影響，但提升效果相對(duì)于更換纖維種類或添加高強(qiáng)添加劑的成本而言并不顯著。

圖4 加入高強(qiáng)添加劑動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比圖

3 工程應(yīng)用效果分析

某項(xiàng)目瀝青混合料的生產(chǎn)采用安邁3000型拌和樓，拌和樓篩網(wǎng)尺寸設(shè)置分別為4 mm×4 mm、6 mm×6 mm、11 mm×11 mm、17 mm×17 mm，冷料進(jìn)料速度采用轉(zhuǎn)速比控制，包括單倉(cāng)轉(zhuǎn)速比、統(tǒng)一轉(zhuǎn)速比控制。生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)單倉(cāng)轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，確保各料倉(cāng)材料用量比例，而統(tǒng)一轉(zhuǎn)速比的控制，則是在保證冷料比例不變的情況下，通過(guò)此轉(zhuǎn)速比整體調(diào)整材料進(jìn)料量，調(diào)節(jié)拌合樓產(chǎn)量。該項(xiàng)流量試驗(yàn)，對(duì)于每種材料按轉(zhuǎn)速比大小進(jìn)行3次流量試驗(yàn)，每次流量試驗(yàn)進(jìn)料時(shí)間為5 min，流量與轉(zhuǎn)速比關(guān)系見表11所列。

表11 拌和樓冷料倉(cāng)流量試驗(yàn)結(jié)果一覽表

根據(jù)目標(biāo)配合比的設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合冷料流量試驗(yàn)繪制的流量關(guān)系曲線，計(jì)算出拌和樓預(yù)定產(chǎn)量在150 t/h時(shí)各冷料倉(cāng)皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)果如表12所列。

表12 拌和樓各冷料倉(cāng)流量設(shè)定一覽表

依據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行了生產(chǎn)配合比級(jí)配組合設(shè)計(jì)，得到的礦料合成級(jí)配計(jì)算結(jié)果如表13所列。

表13 拌和樓各冷料倉(cāng)流量設(shè)定一覽表

為了驗(yàn)證加入木質(zhì)素纖維的瀝青混合料路用性能，采用拌站取料檢測(cè)方法，如圖5所示，對(duì)G15嘉瀏段拓寬改建工程試驗(yàn)段上面層SMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行檢測(cè)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表14和表15所列。

圖5 拌站取樣檢測(cè)之實(shí)景

由表14和表15中試驗(yàn)的結(jié)果可知：拌和廠制備的SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能表現(xiàn)均優(yōu)于室內(nèi)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，高溫穩(wěn)定性能的動(dòng)穩(wěn)定度值為8 210次/mm，相比室內(nèi)試驗(yàn)高出368次/mm。由此可見，G15嘉瀏段拓寬改建工程瀝青上面層的瀝青混合料的路用性能優(yōu)異，可有效減少路面病害。

表14 拌站取樣凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)主要得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)將木質(zhì)素纖維更換成聚酯纖維或者玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能分別提升6.4%和4.5%，水穩(wěn)定性能均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）木質(zhì)素纖維摻入高強(qiáng)添加劑后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性下降8.8%，玄武巖纖維摻入高強(qiáng)添加劑后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提升4.8%。

（3）拌和廠站現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)的結(jié)果表明，摻加木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的路用性能表現(xiàn)均滿足設(shè)計(jì)要求，可有效防止路面病害。