鋼橋面鋪裝保護(hù)層SMA級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)研究

杜 波，曹洋洋，尚 飛

(1.中交一公局橋隧工程有限公司，長(zhǎng)沙 410000；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

改性瀝青SMA高溫抗車(chē)轍性能較好、抗滑性能優(yōu)，適合在市政鋼橋中使用[1-3]，但由于傳統(tǒng)SMA瀝青混合料材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相較于典型的鋪裝下面層材料澆注式瀝青混合料，其密水性及低溫抗裂性能較差[4-5]。而作為鋼橋鋪裝下面層的材料，恰恰對(duì)其密水性能和抗裂性能要求極為苛刻。為此，本文對(duì)鋪裝下層SMA級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，使其兼具SMA的基本性能和澆注式瀝青混合料的密水性及協(xié)調(diào)變形能力。

1 GA與SMA級(jí)配類(lèi)型分析

1.1 澆注式瀝青混合料GA

澆注式瀝青混合料GA(Guss Asphalt)，原是“河流”之意，引申為“澆注流淌”，即指澆注式瀝青混合料具有流動(dòng)性，澆注式攤鋪一般不需碾壓，只需簡(jiǎn)單的攤鋪整平即可完成施工[6]。

澆注式瀝青混合料的瀝青用量高(7%～10%)，礦質(zhì)集料中礦粉含量高(20%～30%)，同時(shí)拌和溫度很高(220 ℃)，拌和時(shí)間較長(zhǎng)(2 min～3 min)，在運(yùn)輸過(guò)程中也需要攪拌。因此，澆注式瀝青混合料具有礦粉含量高、瀝青含量高、拌和溫度高等“三高”特點(diǎn)，較多的瀝青及細(xì)集料含量使粗骨料處于懸浮狀態(tài), 它與熱拌瀝青混合料不同的是其空隙率很小，且內(nèi)部空隙不連通。瀝青混合料3種典型嵌擠結(jié)構(gòu)如圖1所示，因此從級(jí)配結(jié)構(gòu)分類(lèi)來(lái)說(shuō)，澆注式瀝青混合料屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。

(a)懸浮密實(shí)型

懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)以其獨(dú)有的特性，如密水性好、耐久性優(yōu)、疲勞抗裂性能和隨從變形能力好、整體性強(qiáng)等，能很好地適應(yīng)鋼橋面鋪裝的本質(zhì)要求。因此，在國(guó)內(nèi)外橋面鋪裝工程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是作為鋪裝結(jié)構(gòu)的下層鋪裝，成為了橋面鋪裝工程中應(yīng)用最為廣泛、成功的一種鋪裝材料。

1.2 改性瀝青SMA

SMA路面是指由瀝青、礦粉、纖維穩(wěn)定劑及細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂，填充于間斷級(jí)配粗集料的骨架間隙中，形成密實(shí)瀝青混合料所鋪筑的路面。瀝青瑪蹄脂碎石混合料組成的特點(diǎn)是“三多一少”，即粗集料多、礦粉多、瀝青多、細(xì)集料少，對(duì)材料品質(zhì)的要求髙[7-8]。

SMA是一種以粗集料為主骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫的抗車(chē)轍能力強(qiáng)；表面構(gòu)造深、粗糙、孔隙大、抗滑能力強(qiáng)；空隙率小，基本不透水、耐久性好，路面使用壽命長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)可減薄表面層的厚度達(dá)到節(jié)約成本的目的[9]。

總之，SMA表面層的最大優(yōu)點(diǎn)在于使高溫穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與抗滑性等相互矛盾或相互制約的性能得到了統(tǒng)一與兼顧，是一種極為優(yōu)異的路面鋪裝材料。但是作為橋面鋪裝的下面層材料需要借鑒澆注式瀝青級(jí)配特點(diǎn)對(duì)改性瀝青SMA進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2 SMA10與GA10級(jí)配分析

2.1 SMA10與GA10級(jí)配對(duì)比

根據(jù)JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)GA10和SMA10級(jí)配范圍的要求，將2種級(jí)配范圍和級(jí)配曲線進(jìn)行對(duì)比，級(jí)配范圍如表1所示，級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 SMA10和GA10級(jí)配范圍對(duì)比

圖2 SMA10和GA10級(jí)配曲線對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析圖2和表1可以看出，為保證SMA骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，相較于GA10，SMA10級(jí)配屬于典型的間斷級(jí)配，所以集料類(lèi)型集中在粒徑2.36 mm～9.5 mm的粗集料和0 mm～0.6 mm的細(xì)集料上，而中間粒徑的集料相對(duì)較少，因此在級(jí)配曲線圖2中2.36 mm～9.5 mm范圍出現(xiàn)了 “陡坡”[10]，而GA10級(jí)配最大的特點(diǎn)是整體粒徑細(xì)于SMA10，且曲線相對(duì)平滑屬于連續(xù)級(jí)配，曲線底端0.075 mm通過(guò)率較大，這說(shuō)明級(jí)配中有足夠的粉料能夠與GA高含量瀝青形成膠泥使得該結(jié)構(gòu)的混合料擁有優(yōu)異的密水性能和流動(dòng)性。

綜上分析，為了得到優(yōu)化的SMA10級(jí)配，應(yīng)在保持SMA級(jí)配特點(diǎn)的同時(shí)，盡量汲取GA10級(jí)配的特點(diǎn)，使其兼具SMA的基本性能和澆注式瀝青混合料的密水性及協(xié)調(diào)變形能力。

2.2 優(yōu)化級(jí)配關(guān)鍵篩孔控制原則

通過(guò)對(duì)比GA10和SMA10的級(jí)配分布，主要體現(xiàn)在關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過(guò)率上，2種級(jí)配類(lèi)型具有較大差別。

SMA10中2.36 mm通過(guò)率的級(jí)配上限為32%，與GA10中2.36 mm通過(guò)率的級(jí)配下限48%相差15%；SMA10中0.075 mm通過(guò)率的級(jí)配上限為13%，與GA10中0.075 mm通過(guò)率的級(jí)配下限20%相差7%。因此建議優(yōu)化級(jí)配后的關(guān)鍵篩孔控制在SMA和GA相差的范圍內(nèi)作為控制指標(biāo)，即優(yōu)化后級(jí)配的關(guān)鍵篩孔通過(guò)率2.36 mm應(yīng)控制在32%～48%，0.075 mm應(yīng)控制在13%～20%。

3 鋪裝下層SMA級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)

參照SMA10和GA10級(jí)配范圍對(duì)鋪裝下層SMA10級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到3個(gè)級(jí)配，分別為接近GA10下限、介于SMA10上限與GA10級(jí)配下限之間和接近SMA10上限，設(shè)計(jì)級(jí)配如表2所示，級(jí)配曲線如圖3～圖5所示。

表2 優(yōu)化級(jí)配通過(guò)率

圖3 優(yōu)化級(jí)配1的級(jí)配曲線

分析圖3可知，優(yōu)化級(jí)配1的級(jí)配曲線在通過(guò)率小于4.75 mm部分整體貼近GA級(jí)配下限，這使得優(yōu)化級(jí)配1在混合料結(jié)構(gòu)上更加接近GA級(jí)配，理論上該結(jié)構(gòu)會(huì)擁有更好的密水性能，但高溫穩(wěn)定性欠缺；由圖4可知，優(yōu)化級(jí)配2的級(jí)配曲線在通過(guò)率小于4.75 mm部分是介于GA級(jí)配下限和SMA級(jí)配上限之間，即該結(jié)構(gòu)應(yīng)擁有介于GA和SMA瀝青混合料之間的性能的，因此該級(jí)配更趨近于理想的鋪裝下層SMA瀝青混合料；分析圖5可知，優(yōu)化級(jí)配3的級(jí)配曲線在通過(guò)率小于4.75 mm部分是貼近SMA級(jí)配上限的，這意味著該結(jié)構(gòu)的整體性能更貼近SMA瀝青混合料。

圖4 優(yōu)化級(jí)配2的級(jí)配曲線

圖5 優(yōu)化級(jí)配3的級(jí)配曲線

3.2 優(yōu)化級(jí)配混合料基本性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的油石比為6.3%，聚酯纖維為礦料總量的0.3%，分別制作3種優(yōu)化級(jí)配的瀝青混合料試件，按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，得到混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 優(yōu)化級(jí)配混合料性能測(cè)試結(jié)果

為了優(yōu)化級(jí)配的混合料能夠兼具GA10瀝青混合料的密水和協(xié)同變形性能，提出空隙率的目標(biāo)要求為1%～2%之間。由表3可知，優(yōu)化級(jí)配1和優(yōu)化級(jí)配2的空隙率指標(biāo)均能夠達(dá)到目標(biāo)要求，同時(shí)穩(wěn)定度性能表現(xiàn)優(yōu)異。優(yōu)化級(jí)配1與優(yōu)化級(jí)配2相比，級(jí)配曲線盡管更加貼近GA10下限，但空隙率并無(wú)顯著變化，而由于優(yōu)化級(jí)配2的曲線介于SMA和GA級(jí)配之間，混合料在保證不滲水的同時(shí)，兼具較高的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度。因此，選用優(yōu)化級(jí)配2作為優(yōu)化的下層鋪裝瀝青混合料級(jí)配。

4 優(yōu)化后SMA性能分析

4.1 優(yōu)化后SMA性能對(duì)比分析

采用級(jí)配優(yōu)化后的下層鋪裝用密水性SMA與常規(guī)SMA進(jìn)行性能對(duì)比分析，對(duì)比性能包括馬歇爾穩(wěn)定度、車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度和抗?jié)B水性能，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后SMA性能對(duì)比

從表4中可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后級(jí)配制得的保護(hù)層SMA10馬歇爾穩(wěn)定度可以達(dá)到3 020次/mm且不滲水，這樣的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度性能雖略低于常規(guī)SMA10，但遠(yuǎn)高于常規(guī)GA10，而抗?jié)B性能與GA10相當(dāng)。

4.2 雙層SMA組合結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

分別使用鋪裝下層與鋪裝上層SMA配合比成型雙層SMA瀝青混合料車(chē)轍試件，如圖6所示，并進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)。根據(jù)內(nèi)蒙所屬氣候分區(qū)，選擇65 ℃試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后得到的鋪裝雙層SMA組合結(jié)構(gòu)的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度性能與優(yōu)化前差異很小，依然滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)組合結(jié)構(gòu)車(chē)轍試件表面

表5 雙層SMA組合結(jié)構(gòu)車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果 次/mm

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)比SMA級(jí)配范圍和GA級(jí)配范圍，針對(duì)鋼橋面鋪裝下面層用SMA級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，SMA優(yōu)化級(jí)配為：13.2 mm篩孔通過(guò)率100%、9.5 mm篩孔通過(guò)率99.91%、4.75 mm篩孔通過(guò)率66.18%、2.36 mm篩孔通過(guò)率41.82%、1.18 mm篩孔通過(guò)率30.6%、0.6 mm篩孔通過(guò)率25.05%、0.3 mm篩孔通過(guò)率21.93%、0.15 mm篩孔通過(guò)率18.96%、0.075 mm篩孔通過(guò)率17.01%。

2)經(jīng)過(guò)優(yōu)化級(jí)配制得的保護(hù)層SMA10馬歇爾穩(wěn)定度為3 020次/mm且不滲水。盡管優(yōu)化后級(jí)配的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度性能雖略低于常規(guī)SMA10，但遠(yuǎn)高于常規(guī)GA10的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度，且保證了抗?jié)B性能與GA10相當(dāng)。

3)采用優(yōu)化級(jí)配的雙層SMA組合結(jié)構(gòu)的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。