基于SMA材料特性的壓實(shí)技術(shù)研究

崔樹華

摘要：針對(duì)SMA混合料的壓實(shí)技術(shù)問(wèn)題，分析了SMA混合料的材料和級(jí)配特征，以及振蕩壓路機(jī)、高頻振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎壓路機(jī)的壓實(shí)機(jī)理和特性。結(jié)果表明：振蕩壓路機(jī)、高頻振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)效率高，而輪胎壓路機(jī)具有"搓揉提漿"作用，會(huì)使混合料中的瀝青向上遷移；由于SMA混合料具有較大的內(nèi)摩阻力和粘性阻力，施工時(shí)應(yīng)采用振蕩或高頻振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行初壓和復(fù)壓，不宜使用輪胎壓路機(jī)。

關(guān)鍵詞：路面工程；SMA；材料特性；壓實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Aimed at the compaction technology of SMA mixture， the material and gradation characteristics of SMA mixture and the compaction mechanism and characteristics of oscillatory roller， highfrequency vibratory roller and pneumatic tyred roller were analyzed. The results show that the rubbing of pneumatic tyred roller makes asphalt within the mixture move upward. Considering SMA mixture has large internal friction and viscous resistance， oscillatory roller and highfrequency vibratory roller should be chosen for initial and intermediate stages of compaction over pneumatic tyred roller.

Key words： road engineering； SMA； material property； compaction technology

0引言

SMA起源于德國(guó)，中國(guó)20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究應(yīng)用SMA技術(shù)[13]。壓實(shí)作為路面施工的關(guān)鍵工序，是保證路面密實(shí)度的重要手段，對(duì)保證SMA路面綜合性能也有重要影響[47]。針對(duì)SMA壓實(shí)技術(shù)，楊春霞通過(guò)研究不同溫度下SMA13的壓實(shí)特點(diǎn)，得出有效壓實(shí)時(shí)間的計(jì)算公式[8]；柴志軍基于正交試驗(yàn)，分析了拌和溫度、壓實(shí)溫度、集料溫度對(duì)SMA13的壓實(shí)度、空隙率和穩(wěn)定度的影響[9]。由于瀝青路面的性能與碾壓工藝有十分密切的關(guān)系，而碾壓工藝對(duì)材料特性又有較強(qiáng)的敏感性，為提高SMA的優(yōu)越性能，本文對(duì)SMA材料特征和與之相適應(yīng)的壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究。

1SMA對(duì)材料的要求

因礦料級(jí)配不同，形成了不同組織結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，而混合料的結(jié)構(gòu)狀況、體積性能及施工特性共同決定了其路用性能。SMA混合料是由大比例的碎石骨架結(jié)構(gòu)和豐富的瀝青瑪蹄脂填充，形成穩(wěn)定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)[1018]。其對(duì)組成材料的要求有以下幾方面。

（1）瀝青混合料。SMA混合料采用的瀝青應(yīng)有較高的黏度和良好的彈性恢復(fù)能力。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知SMA混合料使用改性瀝青時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度、流值等指標(biāo)均有顯著提高。

（2）粗集料。

SMA的高溫穩(wěn)定性主要基于含量較多的粗集料之間的嵌鎖作用。為了得到優(yōu)良的高溫性能，要求選用質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形狀接近立方體的粗集料。不同品種石料對(duì)混合料性能有不同影響，相同級(jí)配和瀝青含量下，輝綠巖或玄武巖等質(zhì)地堅(jiān)硬的石料組成的SMA混合料較石灰?guī)rSMA混合料在動(dòng)穩(wěn)定度上要高出1倍以上。

（3）細(xì)集料。

SMA屬于間斷級(jí)配，細(xì)集料在SMA中占較小的比例，一般不超過(guò)10%。AASHTO規(guī)范建議細(xì)集料采用機(jī)制砂，這是由于機(jī)制砂是采用堅(jiān)硬巖石反復(fù)破碎制成的，具有良好的棱角性和嵌擠性能，有利于提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4）填料。瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對(duì)粗、細(xì)集料產(chǎn)生黏附作用。在普通的瀝青混合料中，填料的數(shù)量一般不會(huì)超過(guò)瀝青的12倍，過(guò)多不僅拌和困難，而且對(duì)混合料的性質(zhì)有不利影響。但SMA需要的填料數(shù)量要超過(guò)普通比例，一般達(dá)到1.8～2.0倍。

（5）纖維穩(wěn)定劑。

SMA混合料需要加入纖維穩(wěn)定劑，以產(chǎn)生加筋、分散、穩(wěn)定、增黏及吸附的作用。纖維穩(wěn)定劑主要有3類：木質(zhì)素纖維、礦物纖維和聚合物有機(jī)纖維，其用量一般分別為03%、04%、01%。

2SMA混合料的級(jí)配特征

SMA的強(qiáng)度主要取決于瀝青混合料的內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力，瀝青類型、粗細(xì)集料特性、級(jí)配組成等因素都對(duì)混合料強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

在進(jìn)行瀝青混合料組成設(shè)計(jì)時(shí)，可采用如連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配。間斷級(jí)配是指級(jí)配中缺少一級(jí)或幾級(jí)材料顆粒，級(jí)配不連續(xù)或者有突變形成。間斷級(jí)配的斷點(diǎn)一般設(shè)置在粗細(xì)集料分界處，使混合料具有較多的粗集料，形成石石相抵的空間骨架結(jié)構(gòu)。圖1為AC13連續(xù)級(jí)配混合料與SMA13間斷級(jí)配混合料級(jí)配范圍對(duì)比。

瀝青混合料按其級(jí)配結(jié)構(gòu)特征可分為3種典型類型。一是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)：連續(xù)級(jí)配混合料材料從大到小連續(xù)存在，大顆粒以懸浮狀態(tài)處于較小顆粒之中；這種結(jié)構(gòu)密實(shí)度和強(qiáng)度較高，水穩(wěn)定性、耐久性較好，但高溫穩(wěn)定性較差。二是骨架空隙結(jié)構(gòu)：瀝青混合料的粗集料形成互相嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，而細(xì)集料數(shù)量較少，不足以填充骨架間隙；這種結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性較好，但其空隙率較大。三是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，混合料中有足夠數(shù)量的粗集料形成骨架，根據(jù)粗集料骨架空隙的大小加入足夠的細(xì)集料和填料，具有較大密實(shí)度和較小的殘余空隙率；此種級(jí)配是一種間斷級(jí)配或介于連續(xù)和間斷之間的級(jí)配形式，其集合了前2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)類型。

SMA混合料是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的典型代表，級(jí)配組成中粗集料占礦料的70%以上，形成緊排骨架；在粗細(xì)集料分界篩孔處形成斷點(diǎn)，少量細(xì)集料與瀝青、礦粉和纖維所組成的瑪蹄脂填充于粗集料形成的空隙之中，構(gòu)成具有較小空隙的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

3SMA混合料的可壓實(shí)性

在施工中，瀝青混合料的材料特性、瀝青種類和混合料級(jí)配特征決定了混合料的壓實(shí)性。

集料對(duì)可壓實(shí)性的影響主要取決于骨料的形狀、表面結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、耐磨性和顆粒間的嵌擠作用。在壓實(shí)時(shí)，含有自然圓滑骨料的混合料顆粒間內(nèi)摩阻力較小，顆粒之間容易滑動(dòng)；而表面粗糙、多棱角的集料摩擦阻力較大，難于壓實(shí)。黏性阻力是瀝青黏性和混合料溫度的函數(shù)；瀝青結(jié)合料具有黏性和彈性特征；在高溫時(shí)表現(xiàn)為黏性液體，在低溫時(shí)表現(xiàn)為彈性固體；溫度越低，瀝青黏性越低，阻力越大，壓實(shí)時(shí)不利于顆粒重新排列。混合料的級(jí)配也影響著瀝青路面壓實(shí)的難易程度，含有豐富粗集料的混合料難以壓實(shí)，含有較多細(xì)集料則相對(duì)易于壓實(shí)；填料過(guò)多，不易壓實(shí)，填料過(guò)少，有可能造成路面離析。

SMA混合料級(jí)配中粗集料多、細(xì)集料少，突出了粗、細(xì)集料的破碎需求和棱角性，增加了集料之間的內(nèi)摩阻力；同時(shí)瀝青混合料選用的SBS改性瀝青具有較大黏性，再加上纖維穩(wěn)定劑加筋、增黏的作用，造成SMA混合料的黏性阻力大于一般瀝青混合料。因此，SMA混合料在壓實(shí)特性上表現(xiàn)為難于壓實(shí)，對(duì)碾壓工藝具有較高要求。

4SMA混合料壓實(shí)技術(shù)研究

4.1壓實(shí)設(shè)備選擇

目前，瀝青混合料壓實(shí)機(jī)械主要有4類，分別是鋼輪靜作用壓路機(jī)、鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)、輪胎壓路機(jī)和振蕩壓路機(jī)。

鋼輪靜作用壓實(shí)。靜作用壓實(shí)是利用壓路機(jī)靜荷載使材料達(dá)到剪切強(qiáng)度，從而產(chǎn)生相對(duì)位置移動(dòng)，使瀝青料中的顆粒處于更為穩(wěn)定的位置，減少空隙率，增加穩(wěn)定性。靜作用壓路機(jī)的主要性能參數(shù)為靜線壓力、鋼輪直徑和碾壓速度。實(shí)踐表明，對(duì)于骨架密實(shí)型混合料，使用靜作用壓路機(jī)很難達(dá)到較高的壓實(shí)度，即使增加碾壓遍數(shù)也無(wú)濟(jì)于事。

振動(dòng)壓實(shí)。振動(dòng)壓實(shí)是利用振動(dòng)壓路機(jī)使混合料中的顆粒產(chǎn)生共振，減少顆粒間的摩擦阻力，使材料更容易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。振動(dòng)壓實(shí)的主要參數(shù)為頻率、振幅和速度。試驗(yàn)表明，瀝青混合料在50～70 Hz的激振頻率范圍能產(chǎn)生最好的壓實(shí)效果。

輪胎壓實(shí)。輪胎壓路機(jī)通過(guò)改變輪胎充氣壓力或自身重量以改變接地面積，達(dá)到改變靜壓實(shí)力的效果。輪胎壓實(shí)具有消除裂紋、均勻壓實(shí)和“搓揉提漿”的壓實(shí)特性。

振蕩壓實(shí)。振蕩壓實(shí)是在對(duì)壓路機(jī)鋼輪施加交變力偶的作用下，對(duì)混合料水平方向進(jìn)行的壓實(shí)。它將振動(dòng)與搓揉結(jié)合在一起，有良好的壓實(shí)效果，能防止瀝青路面產(chǎn)生裂縫，使道路表面平整，對(duì)于難于壓實(shí)的材料有特殊的功效，具有壓實(shí)效率高、搓揉抗?jié)B效果好和壓實(shí)深度小的特點(diǎn)。

根據(jù)以上4種壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)特性，SMA碾壓宜采用振蕩和振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行高效壓實(shí)，不宜采用輪胎壓路機(jī)，避免輪胎的“搓揉提漿”使混合料中的瀝青向上遷移，引起泛油，降低路面的構(gòu)造深度。

4.2SMA混合料壓實(shí)技術(shù)要點(diǎn)

SMA含有大量粗集料，往往比常規(guī)混合料冷卻得快，且通常使用改性瀝青，因此壓實(shí)應(yīng)在較高的初溫下進(jìn)行，溫度一般不低于160 ℃。

SMA的初壓和復(fù)壓應(yīng)優(yōu)先采用振蕩壓路機(jī)或高頻低幅振動(dòng)壓路機(jī)，終壓采用鋼輪靜作用壓路機(jī)。這是由于SMA是緊排骨架混合料，具有很好的嵌擠作用，碾壓過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生推移。初壓可利用振蕩或振動(dòng)碾壓，振蕩壓實(shí)設(shè)備和高頻振動(dòng)壓實(shí)效率高、深度小，可以大幅降低混合料的嵌擠阻力，快速提高壓實(shí)度，適合SMA的材料特性和厚度要求。碾壓過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制振蕩或振動(dòng)碾壓遍數(shù)，避免過(guò)度碾壓加劇石料的磨損和破壞。

輪胎壓路機(jī)的“搓揉提漿”作用會(huì)使SMA混合料中的瀝青向上遷移引起泛油現(xiàn)象，并降低路面的構(gòu)造深度，因此不宜使用輪胎壓路機(jī)碾壓SMA混合料。

5結(jié)語(yǔ)

（1）SMA混合料具有“三多一少”的特征，即“瀝青結(jié)合料多、粗集料多、填料多、細(xì)集料少”，所形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性。

（2）材料和級(jí)配特征表明，SMA混合料難于壓實(shí)，對(duì)設(shè)備和施工工藝有較高的要求。初壓和復(fù)壓應(yīng)使用振蕩或高頻低幅振動(dòng)壓路機(jī)，終壓采用鋼輪靜作用壓路機(jī)。除非進(jìn)行試驗(yàn)證明采用輪胎壓路機(jī)有良好的效果外，壓實(shí)過(guò)程中不宜使用輪胎壓路機(jī)。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]