高溫多雨區(qū)SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)研究

胡小兵 張弟華

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056； 2.中交(長(zhǎng)沙)建設(shè)有限公司 長(zhǎng)沙 410023)

廣東省基本位于公路自然區(qū)劃VI、VII區(qū)，有著典型的高溫多雨氣候環(huán)境，夏季光照持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，上半年多梅雨，下半年多暴雨。這一獨(dú)特的氣候環(huán)境對(duì)廣東境內(nèi)的道路交通帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。同時(shí)廣東省對(duì)外貿(mào)易發(fā)達(dá)，車輛載重較大，重載交通的反復(fù)作用會(huì)加劇這一影響。在廣東地區(qū)，多雨重載下，路表水浸入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，極易迅速發(fā)展為脫空并引發(fā)相關(guān)伴發(fā)病害，嚴(yán)重影響路面行車的舒適性和安全性。同時(shí)濕熱重載對(duì)瀝青路面的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能和泌水性能都是極大的考驗(yàn)，因此對(duì)瀝青混合料抗滑性能、高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求，這是亟待解決的問(wèn)題[1]。

雖然針對(duì)SMA瀝青混合料的研究已有許多成果[2-4]，但結(jié)合具體地區(qū)和氣候環(huán)境進(jìn)行SMA混合料設(shè)計(jì)的研究仍不足。為了更好結(jié)合廣東地區(qū)的高溫多雨、交通量大等區(qū)域特點(diǎn)，探索符合實(shí)際需求的混合料配合比設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了5組不同配合比方案的混合料，其中大粒徑比例逐漸增大，中小粒徑比例逐漸減小，在適當(dāng)減小SMA混合料疲勞性能和低溫性能的同時(shí)提高SMA混合料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和抗車轍性能，以研究這5種混合料中大粒徑集料的比例對(duì)SMA混合料的路用與力學(xué)性能的影響。

1 原材料性能

1.1 瀝青

選用某牌PG-76 SBS改性瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的要求，其具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 集料

粗集料由芙蓉石場(chǎng)生產(chǎn),規(guī)格分別為>10～15、>5～10、>3～5、0～3 mm機(jī)制砂4檔集料。細(xì)集料采用由芙蓉石場(chǎng)生產(chǎn)的規(guī)格為0～3 mm機(jī)制砂，按照規(guī)范試驗(yàn)章程測(cè)得集料各性能指標(biāo)見(jiàn)表2，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 粗、細(xì)集料性能指標(biāo)

1.3 填料

礦粉由五華縣潭下鎮(zhèn)君其石灰石廠提供，巖性為石灰?guī)r；華潤(rùn)(封開(kāi))水泥有限公司生產(chǎn)的水泥用于本試驗(yàn)，檢測(cè)得到礦粉、水泥各性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 纖維

采用德國(guó)瑞登梅爾父子公司生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，其性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 木質(zhì)素纖維性能試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)工程需要，同時(shí)結(jié)合廣東地區(qū)的獨(dú)特氣候環(huán)境與交通特點(diǎn)，選取SBS改性瀝青進(jìn)行SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)，選取瀝青油石比為5.8%。

根據(jù)相關(guān)研究，改性木質(zhì)纖維能提高SMA-13瀝青混合料的高溫性能、疲勞性能和水穩(wěn)定性能，起到加筋、增黏和增韌作用，可全面提高SMA-13 瀝青混合料的路用性能。本文為研究不同配合比對(duì)SMA瀝青混合料力學(xué)性能的影響，提出5種配合比方案，其摻配比例見(jiàn)表4。

表4 各方案配合比摻配比例

3 SMA-13路用性能評(píng)價(jià)

3.1 水穩(wěn)定性

根據(jù)JTG F40-2004中T0729規(guī)定的試驗(yàn)方法[5-6]，分別對(duì)這5種配合比的試件展開(kāi)凍融劈裂試驗(yàn)，每種配合比制備3個(gè)試件，以測(cè)定SMA混合料試件在水損害發(fā)生前后劈裂破壞的程度比，從而評(píng)價(jià)和表征瀝青混合料的抗水損性能。凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由表1可知，本次試驗(yàn)采用的5種不同配合比的SMA-13瀝青混合料均擁有較好的水穩(wěn)性能，其凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求(≥80%)。不同配合比方案的強(qiáng)度比從左至右依次減小，這表明大粒徑集料含量增多會(huì)降低SMA混合料的水穩(wěn)性能，但即使是大粒徑含量最大的方案5依舊擁有85.5%的凍融劈裂強(qiáng)度比，依舊能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，適應(yīng)廣東地區(qū)多雨環(huán)境。

3.2 高溫穩(wěn)定性

通常采用車轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)量和表征瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。但由于廣東地區(qū)不僅具有持續(xù)的高溫天氣產(chǎn)生路面車轍等病害，還伴隨著多雨導(dǎo)致道路進(jìn)一步產(chǎn)生水損壞。因此本次試驗(yàn)采用漢堡車轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)試5種配合比的SMA混合料的高溫穩(wěn)定性。

試驗(yàn)采用意大利生產(chǎn)的漢堡車轍試驗(yàn)儀，按照AASHTO T324規(guī)范進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為60 ℃水浴，鋼輪速度為52 次/min。試件持續(xù)加載直至試件產(chǎn)生20 mm變形或鋼輪完成20 000次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本文選取作用次數(shù)10 000次下的車轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)表征混合料的高溫穩(wěn)定性。漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果圖見(jiàn)圖2。

圖2 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，大粒徑配合比方案能夠有效減小試驗(yàn)車轍深度，這表明該種配合比方案的SMA混合料具有更優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性。這可能是由于更多的大粒徑集料強(qiáng)化了SMA混合料的骨架作用，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供更多支撐，因此其抗車轍的能力更為優(yōu)秀。同時(shí)可以看出，方案三到方案四的減幅尤為明顯，表明大粒徑集料含量增加至方案四以上可能會(huì)具有更優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性。

3.3 低溫抗裂性

通常根據(jù)相應(yīng)規(guī)范中T0715的試驗(yàn)方法采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)SMA混合料的低溫抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)，方案一的最大彎拉應(yīng)變最大，彎曲勁度模量最小；方案五的最大彎拉應(yīng)變最小，彎曲勁度模量最大。這表明大粒徑集料含量越大，該種配合比的SMA混合料的低溫抗裂性能越差。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可以得出，雖然5種配合比方案的最大彎拉應(yīng)變均滿足規(guī)范要求(≥2 500×10-6)，但方案五的最大彎拉應(yīng)變僅為2 523×10-6，與規(guī)范規(guī)定的下限值太過(guò)接近，這表明該種配合比方案勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求，工程應(yīng)用中不建議采用此種配合比方案。

3.4 抗疲勞性能

疲勞性能是瀝青混合料的一大重要性能。瀝青路面在行車荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用下，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此需要對(duì)SMA混合料的抗疲勞性能展開(kāi)分析。

本次試驗(yàn)采用UTM試驗(yàn)機(jī)對(duì)5種不同配合比的SMA混合料小梁試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇應(yīng)變控制模式，由于瀝青混合料在低溫條件下更容易疲勞，因此選取試驗(yàn)溫度為0 ℃以加快試驗(yàn)進(jìn)程。應(yīng)變水平選取300μm/m，四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果圖見(jiàn)圖3。

圖3 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，方案一的SMA混合料具有最高的疲勞壽命，且約為具有最低疲勞壽命的方案五的1.6倍。這表明增加大粒徑集料含量對(duì)瀝青混合料的疲勞性能是不利的，因此實(shí)際考慮配合比方案時(shí)需要在各種性能中尋找平衡。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，方案一的疲勞壽命約為方案四的1.25倍，而集料粒徑增大至方案五時(shí)增大為1.6倍。因此可以認(rèn)為集料粒徑由方案一增大至方案四時(shí)，疲勞壽命略有降低，粒徑進(jìn)一步增大時(shí)SMA混合料的疲勞壽命會(huì)急劇下降，因此建議使用集料粒徑不大于方案四的配合比方案制備SMA混合料。

4 結(jié)論

1) 不同配合比方案下混合料的水穩(wěn)性能無(wú)明顯差異，大粒徑集料含量的增加會(huì)略微降低SMA混合料的水穩(wěn)性能，但依舊遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的最小值。大粒徑集料含量的增加會(huì)顯著增強(qiáng)SMA混合料的高溫穩(wěn)定性，且在含量為方案四時(shí)增幅尤為明顯。大粒徑集料含量的增加會(huì)降低低溫抗裂性和疲勞性能，但方案一與方案四的疲勞性能的差距也不明顯，方案五的低溫抗裂性勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求，不建議采用此種配合比方案。

2) 采用方案四為目標(biāo)配合比可極大增加SMA混合料的高溫穩(wěn)定性，略微降低水穩(wěn)性能和疲勞性能，而低溫抗裂性能雖有降低但仍能滿足規(guī)范要求，適合應(yīng)用于廣東地區(qū)高溫多雨的環(huán)境。