2018, Vol. 35扩展功能
文章信息
- 郭金星, 张书华
- GUO Jin-xing, ZHANG Shu-hua
- 沥青种类对SMA-13级配的影响
- Influence of Asphalt Types on SMA-13 Gradation
- 公路交通科技, 2018, 35(9): 9-14
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2018, 35(9): 9-14
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2018.09.002
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文章历史
- 收稿日期: 2018-05-07
沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)路面以其优异的路用性能驰名于世，国内著名的道路专家沈金安在其《改性沥青与SMA路面》一书中对其作了全面的介绍，同济大学林绣贤教授也发表了相关文章[1]对SMA的级配、油石比的计算提出了自己的见解[1]。本研究结合参与的橡胶沥青、SBS改性沥青两种不同沥青的SMA-13路面的施工情况，对两种SMA-13的沥青结合料、混合料级配、马歇尔技术指标，混合料路用性能进行对比，虽然骨架密实结构的级配设计理念相同，但由于SBS改性沥青与橡胶沥青的巨大差异，最佳级配组成有着较大差异，为同行对SMA-13路面的研究提供参考。
1 工程简介2016年6月，河南省武陟至云台山高速公路(以下简称“武云高速”)进行了双向9 km的复合改性橡胶沥青SMA-13(以下简称“AR-SMA-13”)试验路的铺筑。工后检测，铺面2.36 mm以上碎石较多但无离析现象，路面芯样中2.36 mm以上碎石嵌挤良好，达到骨架密实结构；现场芯样空隙率基本控制在4.0%~5.5%之间，渗水系数在50 mL/min以内，平整度标准差σ平均值达到0.55 mm，表面构造深度达到0.73 mm，摆值达73.3，各项检测指标都远远优于交工验收[2]的标准。
2012年8月，郑州市中州大道路面整治工程(以下简称“中州大道”)上面层采用SBS改性沥青的SMA-13。工后检测，铺面2.36 mm以上碎石较多但无离析现象，路面芯样中2.36 mm以上碎石嵌挤良好，达到骨架密实结构；现场芯样空隙率基本控制在4.5%~5.5%之间，渗水系数在80 mL/min以内，表面构造深度达到0.85 mm，摆值达78.3，各项检测指标都远远优于交工验收[2]的标准。
2 原材料简介 2.1 矿料武云高速采用济源生产的石灰岩粗集料、施工单位自制的石灰岩机制砂和辉县生产的石灰岩磨细矿粉；中州大道整治工程采用郑州市荥阳贾峪生产的石灰岩粗集料、石灰岩石屑、石灰岩磨细矿粉，纤维采用重庆市某道路材料有限公司生产的絮状木质素纤维。两个工程的原材料的性能指标均满足交通运输部运输相关规范[3]中关于SMA用原材料的技术要求。
2.2 沥青结合料及其对比武云高速复合改性橡胶沥青采用橡胶粉、SBS与70#道路石油沥青掺配而成。基质沥青为山东某石化有限公司提供的70#A级重交沥青，橡胶粉和SBS均为中交某公司提供，胶粉为30~40目斜交胎胶粉，SBS为线型。中州大道整治工程采用I-D型SBS改性沥青。两种沥青结合料的试验结果及技术要求见表 1[3]。
| 检验项目 | 橡胶沥青AR | AR技术要求 | SBS I-D | SBS技术要求 | |
| 运动黏度/(Pa·s) | 1.286(180 ℃) | 1.0~3.0 | 1.570(135 ℃) | ≤3 | |
| 针入度(25 ℃, 100 g, 5 s)/(0.1 mm) | 50 | 40~60 | 57 | 40~60 | |
| 延度/ (5 cm/min, 5 ℃)/cm | 12 | ≥10 | 30 | ≥20 | |
| 软化点/℃ | 65.5 | ≥60 | 69.5 | ≥60 | |
| 闪点/℃ | 234 | ≥230 | ≥230 | ≥230 | |
| TOFT后残留物 | 质量损失/% | -0.378 | ≤1 | -0.160 | ≤1 |
| 25 ℃针入度比/% | 78.0 | ≥60 | 84 | ≥65 | |
| 延度(5 ℃)/cm | 8 | ≥5 | 16 | ≥15 | |
| 离析，软化点差/℃ | 1.8 | ≤5 | 1.2 | ≤2.5 | |
| 25 ℃弹性恢复/% | 81.0 | ≥75 | 90 | ≥75 | |
(1) 运动黏度的对比
复合改性橡胶沥青180 ℃运动黏度[4]为1.286 Pa·s，SBS I-D改性沥青135 ℃运动黏度为1.570 Pa·s。橡胶粉吸收基质沥青中的轻质油分，橡胶沥青变得更加黏稠，在180 ℃高温下保证SMA混合料不发生析漏，因此国内外，高黏度的橡胶沥青SMA混合料通常不需要掺加纤维[5]。而SBS I-D在高温下易发生析漏，所以掺加了木质素纤维。
(2) 5 ℃延度的对比
复合改性橡胶沥青5 ℃延度为12 cm，SBS I-D 5 ℃延度为30 cm。橡胶沥青中由于橡胶粉颗粒的存在，延度拉伸过程中应力在胶粉周围集中，拉断的端口宽而齐，导致橡胶沥青的延度普遍较小[4]。在具备试验条件的情况下，可以采用测力延度仪来更加科学地评价橡胶沥青的低温拉伸性能。
3 混合料级配情况 3.1 两种SMA-13级配现将两个项目的SMA-13级配列于表 2；级配图如图 1所示[6]。
| 级配 | 下列筛孔直径(mm)的通过百分率/% | |||||||||
| 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
| AR-SMA-13 | 100 | 96.5 | 68.8 | 33.9 | 22.3 | 16.6 | 12.5 | 8.3 | 6.9 | 6.0 |
| SBS-SMA-13 | 100 | 95.7 | 62.3 | 27.3 | 21.2 | 19.1 | 15.2 | 13.8 | 12.1 | 9.9 |
| SMA-13范围 | 100 | 90~100 | 50~75 | 20~34 | 15~26 | 14~24 | 12~20 | 10~16 | 9~15 | 8~12 |
| WRAC-13[5]的范围 | 100 | 80~100 | 62~75 | 25~39 | 18~30 | 14~22 | 8~18 | 6~14 | 5~11 | 5~8 |
|
| 图 1 SBS-SMA-13与AR-SMA-13级配图 Fig. 1 Gradation curves of SBS-SMA-13 and AR-SMA-13 |
| |
3.2 AR-SMA-13与SBS-SMA-13级配的差别
(1) 2.36~4.75 mm含量
AR-SMA-13级配4.75 mm的通过率为33.9%，2.36 mm的通过率为22.3%，2.36~4.75 mm含量为11.6%；SBS-SMA-13级配4.75 mm的通过率为27.3%，2.36 mm的通过率为21.2%，2.36~4.75 mm含量为6.1%。
传统间断级配理论认为SMA-13级配2.36~4.75 mm之间间断[7]，但国内林绣贤教授认为公称最大粒径为13.2 mm的混合料，其间断点为3.30 mm(D/4, 其中D为公称最大粒径)，2.36~4.75 mm之间可以不间断，其计算的级配2.36~4.75 mm中值之差为13%是现行规范的2倍[8]。武云高速由于原材料5~10 mm中2.36~4.75 mm含量较多，采用传统的间断级配会产生约3 000 t的热料溢出，而采用优化后的级配2.36~4.75 mm含量接近12%，大大减少了溢料，节约工程费用40万。通过对两种SMA-13沥青混合料的级配对比发现由于沥青的差异，其级配间断区间会有一定的变化，对于AR-SMA-13级配，2.36~4.75 mm间断是一种巨大浪费，不间断时其沥青混合路用性能良好。
(2) 0.075 mm以下含量
SBS-SMA-13级配矿粉含量为9.9%与SMA路面矿粉含量高是一致的，而AR-SMA-13级配中0.075 mm以下仅为6%，这与SBS-SMA-13显著区别，但与美国的橡胶沥青中很少使用矿粉是一致的。相对于常规的改性剂(如SBS, SBR等)，橡胶粉颗粒较大，在宏观上会影响沥青混合料中矿料的嵌挤状态，混合料设计中通常需减少细集料或矿粉的用量，增大矿料间隙率VMA，为橡胶沥青提供更大的填充空间。同时AR-SMA-13中矿粉数量的减少也降低了工程造价[9-10]。
3.3 贝雷法三参数的区别根据贝雷法[6]，对于公称最大粒径13.2 mm的沥青混合料，D/2=6.6 mm，[PCS]=2.36 mm(PCS为第一控制筛孔Primary Control Sieve)，[SCS]=0.6 mm(SCS为第二控制筛孔Second Control Sieve尺寸)，[TCS]=0.15 mm(TCS为第三控制筛孔Third Control Sieve尺寸)。CA=(P6.6-P2.36)/(100-P6.6)(CA为粗集料比Coarse Aggregate Ration)，FAc=P0.6/P2.36(FAc为细集料的粗料率，P0.6为第二控制筛孔的通过率，P2.36第一控制筛孔的通过率)，FAf= P0.15/P0.6(FAf为细集料的细料率，P0.6为第二控制筛孔的通过率，P0.15第三控制筛孔的通过率)。
贝雷法CA值要控制在0.40~0.80，FAc，FAf值宜为0.35~0.50。两组级配贝雷法的结果见表 3。
| 项目 | AR-SMA-13 | 美国贝雷法标准 | SBS-SMA-13 | SMA-13贝雷法标准 |
| CA | 0.42 | 0.40~0.80 | 0.33 | 0.25~0.40 |
| FAc | 0.56 | 0.35~0.50 | 0.72 | 0.60~0.85 |
| FAf | 0.55 | 0.35~0.50 | 0.80 | 0.60~0.85 |
对两组级配的CA，FAc，FAf进行计算，发现AR-SMA-13的CA比接近0.40~0.80的下限0.4，FAc，FAf稍大于0.50。而SBS-SMA-13的三参数均不在贝雷法范围内，但在文献[7]提出的SMA-13的贝雷法参数范围内，说明AR-SMA-13为粗型连续型级配的下限，而SBS-SMA-13级配则为典型的间断型骨架密实级配[11-12]。
4 马歇尔试验结果现将两个项目的SMA-13马歇尔试验结果列于表 4，其中SBS改性沥青SMA-13参考交通运输部颁发规范中的技术要求；橡胶沥青SMA-13参考河南省地方标准《废胎胶粉复合改性沥青路面施工技术规范》中的技术要求。
| 试验项目 | 橡胶沥青 | SBS改性沥青 | |||
| 试验结果 | 技术标准 | 试验结果 | 技术标准 | ||
| 油石比/% | 6.0 | — | 5.9 | — | |
| 理论最大相对密度 | 2.553 | — | 2.553 | — | |
| 毛体积相对密度 | 2.451 | — | 2.466 | — | |
| 空隙率/% | 4.0 | 3~5 | 3.4 | 3~4 | |
| VMA/% | 15.8 | ≥15 | 17.1 | ≥17 | |
| VFA/% | 74.7 | 70~85 | 80.2 | 75~85 | |
| 稳定度/kN | 9.29 | ≥8.0 | 12.69 | ≥6.0 | |
| 流值/mm | 3.2 | 2~5 | 3.6 | — | |
| VCAmix(≥4.75 mm) | 44.9 | — | 38.8 | ≤VCADRC=39.4 | |
| VCAmix(≥2.36 mm) | 35.0 | — | 33.9 | ≤VCADRC=38.4 | |
| 谢伦堡析漏/% | 0.05 | — | 0.06 | ≤0.1 | |
| 肯塔堡飞散/% | 7.9 | — | 5.3 | ≤15 | |
4.1 嵌挤性能分析
对于公称最大粒径为13.2 mm的混合料，贝雷法粗细集料的分界筛孔为2.36 mm，现行规范SMA-13级配的粗集料骨架分界筛孔为4.75 mm，笔者对这两种级配分别用4.75 mm和2.36 mm作为分界筛孔，进行粗集料干捣密度试验，同时计算出两种混合料的马歇尔试件的粗集料骨架间隙率VCAmix，将试验结果列于表 5和表 6, VCA为粗集料间隙率; VCADRC为干捣实状态下的粗集料松装间隙率。
| 混合料类型 | 粗集料干捣密度/ (g·cm-3) |
粗集料合成毛体积密度/ (g·cm-3) |
VCADRC /% |
VCAmix /% |
VCAmix与VCADRC的关系 |
| AR-SMA-13 | 1.67 | 2.776 | 39.84 | 44.90 | VCAmix＞VCADRC |
| SBS-SMA-13 | 1.69 | 2.787 | 39.36 | 38.80 | VCAmix＜VCADRC |
| 混合料类型 | 粗集料干捣密度/ (g·cm-3) |
粗集料合成毛体积密度/ (g·cm-3) |
VCADRC /% |
VCAmix /% |
VCAmix与VCADRC的关系 |
| AR-SMA-13 | 1.67 | 2.763 | 39.56 | 35.00 | VCAmix＜VCADRC |
| SBS-SMA-13 | 1.717 | 2.786 | 38.36 | 33.90 | VCAmix＜VCADRC |
(1) 以4.75 mm作为分界筛孔
根据试验结果，SBS-SMA-13的VCAmix＜VCADRC，说明其有良好的骨架嵌挤结构；AR-SMA-13的VCAmix＞VCADRC，说明AR-SMA-13混合料中4.75 mm及其以下的部分起到了一定的干涉作用，影响了粗集料的嵌挤[13]。
(2) 以2.36 mm作为分界筛孔
根据试验结果，AR-SMA-13和SBS-SMA-13的VCAmix均小于VCADRC，说明两者都有良好的骨架嵌挤结构。
由表 5、表 6可知，以4.75 mm作为分界筛孔AR-SMA-13的VCAmix比VCADRC大5.06%，明显形不成骨架密实结构；SBS-SMA-13的VCAmix比VCADRC仅小0.56%，刚刚形成骨架密实结构。以2.36 mm作为分界筛孔AR-SMA-13的VCAmix比VCADRC小4.56%，SBS-SMA-13的VCAmix比VCADRC小4.46%，均形成较好骨架密实结构。由此可见分界筛孔选择的不同导致混合料的骨架嵌挤的判断结果完全不同，但后面的试验结果证明AR-SMA-13的抗车辙能力较好，说明SMA-13的粗集料骨架的分界筛孔选择2.36 mm更合适[14]。
4.2 粉胶比、沥青膜厚度对比分析两种配合比粉胶比和沥青膜厚度试验结果见表 7, 结果表明SBS-SMA-13比AR-SMA-13的粉胶比大得多，同时沥青膜厚度也较薄。但这两种混合料的路用性能经实践证明都是良好的，下步还需系统研究粉胶比、沥青膜厚度及细集料、矿粉与沥青组成的沥青胶砂的性能与沥青混合料的路用性能关系[15]。
5 路用性能对比
将两个项目的SMA-13的路用性能试验结果列于表 8，其中SBS改性沥青SMA-13参考交通运输部颁发规范中的路用性能技术要求; 橡胶沥青SMA-13参考河南省地方标准《废胎胶粉复合改性沥青路面施工技术规范》中的路用性能技术要求。
| 试验项目 | 橡胶沥青 | SBS改性沥青 | |||
| 试验结果 | 技术标准 | 试验结果 | 技术标准 | ||
| 马歇尔试件线性膨胀率/% | 0.48 | ≤1 | — | — | |
| 浸水马歇尔残留稳定度/% | 91.3 | ≥85 | 93.4 | ≥85 | |
| 冻融残留强度比/% | 85.5 | ≥80 | 87.1 | ≥80 | |
| 车辙试验动稳定度/ (次·mm-1) |
5 950 | ≥4 500 | 5 235 | ≥3 000 | |
| 弯曲破坏应变/με | 2 883 | ≥2 500 | 2 795 | ≥2 500 | |
| 渗水系数/ (mL·min-1) |
40 | ≤100 | 25 | ≤200 | |
| 构造深度/mm | 0.73 | ≥0.65 | 0.85 | 0.8~1.3 | |
5.1 动稳定度的对比
AR-SMA-13, 60 ℃动稳定度为5 950次/mm，SBS-SMA-13, 60 ℃动稳定度为5 235次/mm。车辙试验结果表明：两种级配的混合料都具有较好的抗车辙性能，SBS-SMA-13比AR-SMA-13的动稳定度低12%，分析原因为复合改性橡胶沥青黏度量大，沥青胶浆的黏聚力大[16-17]。
5.2 弯曲破坏应变(με)虽然复合改性橡胶沥青5 ℃延度远小于SBS I-D，两种级配的混合料都具有较好的抗低温变形能力[18]。
6 结论本研究结合武云高速复合改性橡胶沥青AR-SMA-13与中州大道整治工程SBS-SMA-13的配合比设计，研究由于沥青结合料的变化导致的两种SMA-13混合料的级配，粗集料的骨架分界筛孔，粉胶比、沥青膜厚度，混合料路用性能等的差异，形成以下主要结论。
(1) AR-SMA-13中2.36~4.75 mm之间的碎石含量接近12%，动稳定度达到5 950次/mm，低温弯曲破坏应变达到2 883 με，水稳性能亦远高于规范要求，路用性能仍然较好，说明传统间断级配理论关于SMA-13级配2.36~4.75 mm间断是不必要的。
(2) AR-SMA-13中0.075 mm筛孔的通过率仅为6%，这与SBS-SMA-13中0.075 mm通过率8%~12%形成显著区别，SBS-SMA-13比AR-SMA-13的动稳定度低12%。
(3) SMA-13骨架分界筛孔选择4.75 mm还是2.36 mm，对混合料骨架嵌挤的判断是不同的，本研究建议SMA-13骨架分界筛孔选择2.36 mm。
(4) 虽然复合改性橡胶沥青5 ℃延度远小于SBS I-D，但AR-SMA-13也具有较好的抗低温变形能力，低温弯曲应变为2 883 με，与SBS-SMA-13混合料的2 795 με差异不大。
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