G15嘉瀏段拓寬改建工程瀝青混合料性能研究

馮冰天

[1.上海公路橋梁（集團）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

截至目前我國公路總里程達到519.81萬km，其中高速公路達16.1萬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有著十分廣泛的應用[1]。瀝青混合料作為一種粘彈塑性綜合體材料，其力學性能會隨溫度的變化而產(chǎn)生顯著差異。夏季高溫時，易出現(xiàn)擁包、推擠和車轍等病害，在冬季低溫時，易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，并已然成為一個不可回避的問題[2]。G15嘉瀏段作為出上海進入江蘇的主要通道，目前雙向日均流量達到約12萬veh/d（含匯源及嘉盛互通匝道），并保持著持續(xù)快速增長的趨勢。大量重載車輛的通行和高速公路運營多年路面結(jié)構(gòu)強度的衰減，造成路面結(jié)構(gòu)承載力不足，車轍病害較為嚴重。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)中得到了廣泛的應用。目前，我國大部分地區(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，對瀝青混合料的油膜厚度與強度沒有明顯的提升，反而增加了瀝青的使用量[3]。玄武巖纖維近年來因為其具有價格低廉、分布廣泛等優(yōu)點在瀝青路面的建設(shè)中越來越受到重視。國內(nèi)外專家對摻入玄武巖纖維的瀝青混合料的路用性能進行了大量研究，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，其工程起點與滬武高速公路（G15公路）江蘇段擴建工程銜接，分界位置為滬蘇界瀏河中心（K1253+131），擬通過添加不同種類的纖維、外摻劑，對上面層SMA-13瀝青混合料的路用性能進行研究。

1 原材料與配合比設(shè)計

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

礦粉由上海滬長建材有限公司生產(chǎn)，性能檢測指標如表1所列，檢測結(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及實測值一覽表

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，相對密度為1.032 g/cm3，檢測結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求[4]。

1.2 配合比設(shè)計

1.2.1 級配上下限

依據(jù)設(shè)計要求，SMA-13混合料級配范圍見表2所列。

表2 S MA-13混合料級配范圍一覽表

1.2.2 礦料配合比計算

先確定SMA-13的三種級配（1#:2#:細集料:礦粉），分別為級配A（44.0∶37.0∶9.0∶10.0）、級配B（42.0∶35.0∶13.0∶10.0）和級配C（40.0∶33.0∶17.0∶10.0），4.75 mm篩孔通過率分別為23.1%、26.9%、30.7%，三種級配組成見表3所列。分別測定三種級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75次制作瀝青混合料試件，分別測定空隙率VV、礦料間隙率VMA、飽和度VFA及粗集料骨架間隙率VCAmix等指標。在混合料指標滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上確定級配，測試結(jié)果如表4和表5所列。

表3 三種級配的設(shè)計組成結(jié)果一覽表

由表4和表5可知：級配B體積指標滿足要求，而級配A、級配C體積指標不滿足要求，故選擇級配B作為設(shè)計級配，圖1為三種級配曲線圖。

表4 VCADRC試驗結(jié)果一覽表

表5 初試級配試驗結(jié)果一覽表 單位：%

圖1 級配曲線圖

1.2.3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

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

表6 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果一覽表

1.2.4 設(shè)計油石比的確定

根據(jù)SMA路面的設(shè)計要求，空隙率應控制在3%~4.5%。選取油石比為6.0%時試件的空隙率為4.0%，其它指標（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)計要求，結(jié)合實際工程實踐經(jīng)驗，確定6.0%為設(shè)計油石比。

1.2.5 凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗

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

表7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果一覽表

表8 凍融劈裂試驗結(jié)果一覽表

1.2.6 車轍動穩(wěn)定度試驗

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

表9 車轍試驗結(jié)果一覽表

圖2 車轍試件碾壓深度之實景

2 纖維和外摻劑摻加對瀝青混合料路用性能影響分析

為進一步對比SMA-13瀝青混合料的路用性能，通過室內(nèi)試驗分析不同纖維和外摻劑摻入對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)中的級配進行制備。

2.1 S MA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性能

在瀝青路面的營運過程中，水是導致瀝青路面產(chǎn)生各種病害的一個重要因素。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作用，一方面水分對瀝青起乳化作用，導致瀝青混合料的強度下降，同時水分逐步侵入到瀝青與集料界面上，由于水動力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝離，導致集料之間的粘結(jié)力喪失而發(fā)生路面破壞。依據(jù)現(xiàn)行標準《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[4]進行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗用來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

摻入聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維與高強添加劑的試件浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗的對比結(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，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)素纖維時性能相差不大。摻入木質(zhì)素纖維與高強添加劑之后水穩(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，對于更換纖維或者摻入高強添加劑對SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響效果不明顯，對比相互之間的成本，以及經(jīng)濟效益，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，會在車輛反復荷載下產(chǎn)生一定的塑性流動變形。瀝青混合料抵抗這種塑性流動變形的能力即通常所說的高溫穩(wěn)定性，即在高溫條件下，能夠經(jīng)受車輛反復荷載作用的保持結(jié)構(gòu)與性能溫度，不會影響其使用性能的能力。國際上目前衡量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的方法有很多，綜合試驗條件難易程度，以及試驗數(shù)據(jù)結(jié)果準確性進行分析比選，擬根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[4]對比摻入不同外摻劑的SMA-13瀝青混合料進行車轍實驗。

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對比結(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穩(wěn)定度8 345次/mm，加入玄武巖纖維的瀝青混合料的動穩(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 加入不同纖維動穩(wěn)定度對比圖

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添加劑用于SMA-13瀝青混合料分析外摻劑復合摻入對其動穩(wěn)定度的影響，得到的車轍試驗對比結(jié)果如圖4所示。木質(zhì)素纖維瀝青混合料在加入高強添加劑之后動穩(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，通過更換纖維類型和添加高強添加劑對SMA-13瀝青混合料的高溫性能有一定的影響，但提升效果相對于更換纖維種類或添加高強添加劑的成本而言并不顯著。

圖4 加入高強添加劑動穩(wěn)定度對比圖

3 工程應用效果分析

某項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，冷料進料速度采用轉(zhuǎn)速比控制，包括單倉轉(zhuǎn)速比、統(tǒng)一轉(zhuǎn)速比控制。生產(chǎn)過程中通過單倉轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，確保各料倉材料用量比例，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，通過此轉(zhuǎn)速比整體調(diào)整材料進料量，調(diào)節(jié)拌合樓產(chǎn)量。該項流量試驗，對于每種材料按轉(zhuǎn)速比大小進行3次流量試驗，每次流量試驗進料時間為5 min，流量與轉(zhuǎn)速比關(guān)系見表11所列。

表11 拌和樓冷料倉流量試驗結(jié)果一覽表

根據(jù)目標配合比的設(shè)計結(jié)果，結(jié)合冷料流量試驗繪制的流量關(guān)系曲線，計算出拌和樓預定產(chǎn)量在150 t/h時各冷料倉皮帶電機轉(zhuǎn)速，結(jié)果如表12所列。

表12 拌和樓各冷料倉流量設(shè)定一覽表

依據(jù)目標配合比設(shè)計級配進行了生產(chǎn)配合比級配組合設(shè)計，得到的礦料合成級配計算結(jié)果如表13所列。

表13 拌和樓各冷料倉流量設(shè)定一覽表

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

圖5 拌站取樣檢測之實景

由表14和表15中試驗的結(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)試驗得出的數(shù)據(jù)，高溫穩(wěn)定性能的動穩(wěn)定度值為8 210次/mm，相比室內(nèi)試驗高出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結(jié)果一覽表

4 結(jié)語

經(jīng)過理論分析及試驗驗證，現(xiàn)主要得到以下結(jié)論：

（1）通過將木質(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)計要求。

（2）木質(zhì)素纖維摻入高強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)場取樣檢測的結(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)計要求，可有效防止路面病害。