SMA材料組成與施工技術(shù)研究
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日期：2018-09-17 17:16
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作者：admin
SMA通常被認為是集料多、礦粉多、瀝青結合料多、細集料少的間斷級配瀝青混合料，因此許多缺乏施工經(jīng)驗的施工單位在鋪筑SMA瀝青混合料時(shí)，按照《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》的最小用油量經(jīng)驗值，依靠增加瀝青用量來(lái)確保不發(fā)生剝落、松散等問(wèn)題，致使SMA瀝青混合料壓實(shí)后油斑現象非常明顯。此外，已有規范及相關(guān)文獻都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)說(shuō)明纖維類(lèi)型對SMA瀝青混合料性能的影響，導致生產(chǎn)中纖維使用混亂，很大程度上影響了SMA瀝青路面的耐久性。
本文從SMA瀝青混合料的組成出發(fā)，系統研究不同狀態(tài)木質(zhì)素纖維對瀝青流變性能、瀝青混合料路用性能的影響，以評價(jià)不同狀態(tài)木質(zhì)素纖維的適用性；通過(guò)材料組成設計，評價(jià)中國現有技術(shù)指南對最佳瀝青用量推薦值的合理性；結合路用性能研究壓實(shí)次數及采用回收石粉替代礦粉對SMA路用性能的影響。
材料
瀝青與集料
瀝青采用SBSI-C型改性瀝青，集料采用優(yōu)質(zhì)石灰巖。經(jīng)測試，SBS改性瀝青和集料的各項性能指標均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規范》的要求。
所用的粗集料為輝綠巖，細集料為石灰巖，礦粉為石灰巖磨制。
木質(zhì)纖維
常用SMA纖維類(lèi)型為木質(zhì)素纖維，在SMA的相關(guān)研究中多采用絮狀木質(zhì)素纖維，而施工單位考慮添加便利性更傾向選擇顆粒狀木質(zhì)素纖維。故本文選用了絮狀和顆粒狀兩種木質(zhì)素纖維進(jìn)行對比試驗。其中，顆粒狀木質(zhì)纖維是由90%的特級松散木質(zhì)素纖維和10%的瀝青通過(guò)軟造粒技術(shù)加工而成。兩種木質(zhì)素纖維程度指標均符合《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》的要求。
纖維對瀝青高低溫性能的影響研究
纖維對SMA瀝青混合料的影響最終體現在瀝青膠漿的性能，本文采用流變學(xué)試驗方法研究SMA中瀝青膠漿的高溫、低溫性能。試驗中假設纖維用量為瀝青混合料的0.3%，瀝青用量為瀝青混合料的6%，即纖維與瀝青以5:100的比例制作成纖維瀝青膠漿，借助動(dòng)態(tài)剪切流變和低溫流變彎曲試驗，評價(jià)不同類(lèi)型木質(zhì)素纖維對瀝青性能的影響。
高溫性能試驗
采用DSR試驗設備，試驗溫度為60℃~90℃，升溫速度2℃·min-1，選用的荷載作用頻率為10rad·s-1。測試纖維瀝青膠漿的復數模量和相位角。
可以看出，加入纖維后SBS改性瀝青的復數模量G＊值明顯提高，表明纖維可以有效地提高瀝青的彈性，增強變形抵抗能力。同時(shí)，兩種纖維瀝青膠漿的抗車(chē)轍因子G＊/sinδ均大于SBS改性瀝青，充分表明纖維可明顯提高瀝青的抗車(chē)轍因子，改善瀝青的高溫抗車(chē)轍性能。相比而言，絮狀纖維瀝青膠漿的復數模量G＊值和抗車(chē)轍因子Ｇ＊/sinδ均大于顆粒狀纖維瀝青膠漿，這表明絮狀纖維對瀝青高溫性能的改善作用優(yōu)于顆粒狀纖維。
低溫性能試驗
采用BBR試驗設備，按照ASTMD6648-01試驗方法，在試驗溫度-12℃下，測試纖維瀝青膠漿在60s時(shí)的蠕變勁度S和蠕變速率m。
可以明顯看出，加入纖維后，瀝青的勁度模量S、蠕變速率m均增大，滿(mǎn)足規范“勁度模量S不超過(guò)300MPa，蠕變速率m不小于0.3”的要求。這表明纖維可明顯提高瀝青的低溫性能，在低溫環(huán)境下，保證瀝青有較大彈性的同時(shí)，增強了其延伸性能。分析其原因為：低溫環(huán)境下，瀝青受拉應力作用，可沿著(zhù)纖維的長(cháng)度方向進(jìn)行微小延伸，纖維在瀝青中的加筋作用保證了這種延伸特性能夠較好地得到維持。
SMA材料組成設計
為深入研究SMA材料組成對路用性能的影響，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規范》進(jìn)行SMA-13配合比設計，以研究不同纖維類(lèi)型及材料組成對瀝青用量和路用性能的影響。
SMA配合比設計
采用兩種木質(zhì)纖維作為穩定劑制備SMA-13，其中1#、2#、3#、4#礦料與礦粉的比例為13:0:38:37:12，纖維摻量為0.3%。
采用馬歇爾試驗方法進(jìn)行SMA配合比設計，所得到摻加絮狀纖維時(shí)SMA-13的最佳瀝青用量為5.7%，而摻加顆粒狀纖維時(shí)SMA-13的最佳瀝青用量為5.4%。
《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》中提出瀝青用量多是SMA的顯著(zhù)特點(diǎn)。對于SMA瀝青混合料的瀝青用量，一些國家都提出了相關(guān)規定，而中國在應用中多采用6.0%用量。本文組成設計中的瀝青用量與相關(guān)指南中所提出的瀝青用量偏差較大。為此，針對SMA瀝青用量進(jìn)行深入研究，在兩種纖維瀝青混合料的最佳瀝青用量下研究瀝青混合料的路用性能。
路用性能研究
在最佳瀝青用量下，采用兩種纖維進(jìn)行SMA瀝青混合料的高溫車(chē)轍、低溫彎曲和水穩性能試驗，進(jìn)一步研究SMA的瀝青用量對路用性能的影響。
可以看出，摻加絮狀纖維的混合料在瀝青用量為5.7%與摻加顆粒狀纖維的混合料在瀝青用量為5.4%的混合料，均達到較好的路用性能，超出《公路瀝青路面施工技術(shù)規范》的要求。這說(shuō)明在不同級配、不同集料以及不同纖維的情況下，SMA瀝青混合料的最佳瀝青用量將明顯超出以往經(jīng)驗推薦的最佳瀝青用量范圍。此外，加入相同質(zhì)量顆粒狀纖維的瀝青混合料，其路用性能略小于加入絮狀纖維的瀝青混合料。主要原因是顆粒狀纖維中含有10%的瀝青基做粘結材料來(lái)保證纖維的聚集，這也是顆粒狀纖維吸油少的根本原因。綜合相關(guān)性能試驗結果，兩種纖維對瀝青混合料性能的影響相差不大，可根據施工中纖維投送的便利性進(jìn)行纖維形態(tài)選擇。
SMA施工技術(shù)研究
SMA施工技術(shù)主要包括瀝青混合料的拌和、攤鋪和碾壓。在拌和過(guò)程中由于SMA需投入大量礦粉，如果礦粉投送不足會(huì )降低拌和效率，從而影響施工進(jìn)度，一些施工單位根據施工經(jīng)驗，以回收的石屑及石粉替代部分礦粉，隨細集料加入拌和鍋，從而提高施工速度。在碾壓過(guò)程中，考慮SMA為骨架密實(shí)型瀝青混合料，單純的鋼輪壓實(shí)次數太多會(huì )對集料造成破壞，使壓實(shí)次數難以控制。針對上述問(wèn)題，本文從路用性能角度對SMA的拌和工藝和碾壓工藝進(jìn)行研究。
碾壓次數對路用性能的影響
為驗證壓實(shí)次數對SMA路用性能的影響，在室內采用24次和36次壓實(shí)次數成型車(chē)轍試件，測試試件的孔隙率、高溫性能和抗滑性能，以定性評價(jià)碾壓次數對SMA穩定性及功能性的影響。
增加壓實(shí)次數后，SMA瀝青混合料更加密實(shí)，結構更加穩定，荷載作用下的變形更小，而SMA的抗滑性能沒(méi)有明顯變化。通過(guò)斷面切割觀(guān)測，未發(fā)現有石料壓碎現象。室內試驗充分說(shuō)明，在壓實(shí)階段，適當增加壓實(shí)次數對SMA瀝青混合料的孔隙率、高溫性能、摩擦性能均有改善。
回收石屑粉對路用性能的影響研究
在拌和過(guò)程中增加送料斗，將回收石屑粉體替代2%的礦粉加入拌和鍋進(jìn)行瀝青混合料拌和，并從現場(chǎng)運輸車(chē)中取料，對比研究?jì)煞N工況下的瀝青混合料路用性能。
明顯看出，采用回收石屑粉替代礦粉所拌和的SMA混合料，其高溫性能、低溫性能和水穩性能均有不同程度的下降，其中高溫抗車(chē)轍性能和低溫彎拉強度下降最為明顯，分別為22.8%和15.4%?；厥帐挤厶娲V粉導致SMA瀝青混合料性能下降的主要原因是：石屑粉細度較粗，對瀝青的吸附能力低，纖維瀝青的連接作用下降；同時(shí)回收粉的含泥量較大，對瀝青的粘結、流變性能均產(chǎn)生不良的影響。此外，回收石屑粉對瀝青在集料中的均勻性會(huì )產(chǎn)生較大的影響，鋪筑的SMA瀝青混合料在碾壓后，局部易出現油斑。
結語(yǔ)
本文深入研究了不同類(lèi)型纖維對瀝青膠漿流變性能、SMA瀝青混合料高溫性能、低溫性能和水穩性能的影響，基于路用性能評價(jià)了相關(guān)指南推薦的SMA瀝青混合料最佳瀝青用量的適應性，確定了碾壓次數和回收石屑粉對SMA瀝青混合料路用性能的影響規律，主要結論如下。
(1)添加絮狀木質(zhì)素纖維和顆粒狀木質(zhì)素纖維后，兩種纖維瀝青的流變性能和瀝青混合料的路用性能相差不大，可根據施工機械投遞便利性選擇纖維類(lèi)型。
(2)中國SMA相關(guān)技術(shù)指南不適合推薦SMA的最佳瀝青用量，應結合設計級配、集料、纖維等具體條件進(jìn)行最佳瀝青用量設計。
(3)在施工過(guò)程中，適當提高碾壓次數可有效地提高SMA的各項性能，但不可以通過(guò)回收石屑粉替代礦粉來(lái)提高拌和效率。
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