SMA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素試驗研究

范大宇 申蘭麗

（山東黃河工程集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250013）

引言

瀝青路面施工周期短、路用性能卓越、養(yǎng)護(hù)維修方便，是我國高等級公路主要路面形式之一【1】。然而瀝青路面早期損壞的現(xiàn)象普遍存在，如松散、坑槽、車轍等。對路面的各種早期病害研究發(fā)現(xiàn)，水損害是造成瀝青路面早期破壞的主要原因之一。瀝青路面的水損害主要是指滲入路面中的水在動載的作用下，侵入瀝青與集料的界面，導(dǎo)致集料表面的瀝青膜剝落，造成瀝青混合料松散、掉粒，特別是對于南方多雨地區(qū)，破壞更為嚴(yán)重。混合料的抗水損害能力差，在車輛荷載的作用下，瀝青混凝土路面容易形成坑槽、推擠變形等早期病害，嚴(yán)重影響道路的使用性能。本研究采用正交試驗設(shè)計方法，以SMA-13瀝青混合料為研究對象，就SMA的水穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重點就級配、油石比、纖維摻量對水穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探討。

1 試驗材料

1.1 瀝青

試驗中的瀝青材料選用SBS改性瀝青，根據(jù)試驗規(guī)程[2]要求步驟進(jìn)行試驗，其技術(shù)指標(biāo)見表1～表3。

1.2 礦料

本研究所用粗集料為玄武巖，依照試驗規(guī)程[3]對其測試，試驗檢測結(jié)果見表2。

1.3 纖維

研究中纖維采用松散木質(zhì)素，其單位質(zhì)量的纖維根數(shù)多，分散性好，具備較強(qiáng)的瀝青吸附能力，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 正交試驗方案設(shè)計

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度作為混合料水穩(wěn)定評價指標(biāo)，以級配、油石比、纖維摻量做為正交試驗的影響因素，各取3個水平，不考慮因素之間的交互作用，選擇正交表安排試驗。試驗的考察因素及水平設(shè)置如下表4所示。

2.2 試驗級配類型

試驗以SMA-13瀝青混合料級配范圍為基礎(chǔ)，選取規(guī)范[4]中規(guī)定的級配上限作為細(xì)級配，選取規(guī)范中規(guī)定的級配下限作為粗級配，選取規(guī)范中規(guī)定的級配中值作為中級配，各組級配曲線見圖1。

3 試驗結(jié)果及分析

本試驗采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比作為混合料水穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。根據(jù)正交試驗表進(jìn)行試驗，測試結(jié)果如表5所示。

表1 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

圖1 三組不同級配曲線

表3 纖維技術(shù)指標(biāo)

表4 正交試驗因素水平

圖2 殘留穩(wěn)定度與各因素水平的趨勢圖

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度與各因素水平的趨勢圖

表5 正交試驗方案及測試結(jié)果

表6 正交試驗方差分析

3.1 直觀分析

以級配類型、油石比、纖維摻量各水平作橫坐標(biāo)，指標(biāo)的平均值做為縱坐標(biāo)，畫出各因子與指標(biāo)的關(guān)系趨勢圖，確定試驗中因素對試驗結(jié)果的影響程度以及變化規(guī)律，如圖2 3所示。

從圖2、圖3中可以看出以下幾點：

（1）混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比在在細(xì)級配時最大，粗級配最小，即A細(xì)＞A中＞A粗。分析認(rèn)為，級配類型對水穩(wěn)定性評價指標(biāo)影響主要體現(xiàn)在混合料的空隙率上。細(xì)級配瀝青混合料，空隙率小，水分不容易進(jìn)入混合料內(nèi)部，且存在于混合料內(nèi)部的水處于毛細(xì)水狀態(tài)，不易形成大的動水壓力，降低了瀝青從集料表面剝落的風(fēng)險，此時瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好?；旌狭系募壟漕愋腿〈旨壟鋾r，空隙率大，滲水嚴(yán)重，且礦料對水的吸引力比瀝青大，水分侵入集料與瀝青的界面削弱了集料與瀝青之間的粘結(jié)，因此導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性變差。

（2）隨著油石比的增大，混合料的殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸增大。油石比較小時，混合料中瀝青含量較少，單位體積骨料所占的瀝青用量小，集料表面瀝青膜難以形成有效厚度。另外，SMA瀝青混合料屬于骨架密實性結(jié)構(gòu)，其骨架空隙需要瀝青瑪蹄脂的填充，油石比小，不足以形成足夠的瑪蹄脂填充空隙，導(dǎo)致混合料的空隙偏大，而且油石比小礦料與瀝青之間的粘附性較差，進(jìn)而導(dǎo)致混合料的水穩(wěn)定性不足。隨著油石比的增大，混合料的空隙率降低且在集料表面易形成有效的瀝青膜厚度，粘附性提高，進(jìn)而混合料的抗水損害能力得到提高。

（3）隨著纖維摻量的增加，混合料的殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸增大。分析認(rèn)為，加入纖維可以增加混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的含量，減少自由瀝青，而且由于纖維表面與瀝青發(fā)生吸附作用、物理浸潤作、化學(xué)鍵作用，使得集料表面與瀝青界面之間粘結(jié)力增強(qiáng)，提高瀝青與集料之間的粘附性，從而增強(qiáng)瀝青混合料抗剝落能力。另外纖維還具有加筋、分散、穩(wěn)定等作用，對防止SMA瀝青析漏的功效較好，因此隨著纖維用量的增加，混合料的抗水損害能力顯著增強(qiáng)。纖維量較少時，SMA中礦料表面不能吸附足夠瀝青，瀝青與集料之間的粘結(jié)力降低，導(dǎo)致瀝青容易與礦料剝離，影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（4）在考慮因素單獨作用的情況下，從趨勢圖中可以看出各因素對殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比的影響程度。級配類型縱坐標(biāo)最大，油石比次之，纖維摻量最小，所以對殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比的影響程度，級配類型＞油石比＞纖維摻量。

3.2 方差分析

任何試驗過程中都存在誤差，為確定試驗誤差的大小，進(jìn)行方差分析。結(jié)果見表6。

從表6正交試驗方差分析中可以看出，殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度，對于F值來說，均滿足級配類型＞油石比＞纖維摻量，即各因素對于殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比影響的主次順序與主觀分析一致。

礦料級配對應(yīng)的F值，均滿足，所以礦料級配對殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比的影響是高度顯著地；油石比對應(yīng)的F值，均滿足,影響的條件差異大于隨機(jī)差異,所以油石比對殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比的影響是顯著地；纖維摻量對應(yīng)的F值，均滿足，所以纖維摻量對殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比的影響是不顯著地。但是并不能說明纖維摻量不重要，合理的纖維摻量對于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性意義重大，因此有必要進(jìn)一步研究各個因素對殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比的影響。

4 結(jié)論

（1）通過直觀分析和方差分析得到各因素對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響程度的大小順序：級配類型＞油石比＞纖維摻量。

（2）級配類型對于瀝青混合料的水穩(wěn)性有直接影響，在規(guī)定級配范圍內(nèi)，細(xì)級配更有助于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3）方差分析表明，級配類型對于瀝青混合料的水穩(wěn)性的影響最為顯著，油石比次之，纖維用量最小。陜西水利

[1]孫立軍等.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,200.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2000.

[3]中華人民共和國交通部.JTG E42-2005公路工程集料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[4]中華人民共和國交通部.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.