基于SGC法的SMA-13體積設(shè)計方法研究

李 景 李 洋 袁盛杰

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(簡稱SMA)最早于1960年左右在歐洲使用，與密級配瀝青混合料相比，SMA中粗集料占比在70%以上，粗集料能形成嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，因此SMA具有良好的抵抗永久變形性能[1-2]。

盡管SMA本身具有良好的性能，但相關(guān)病害與設(shè)計方法息息相關(guān)。張肖寧[3]在Superpave法前提出了體積設(shè)計方法(CAVF法)，采用馬歇爾擊實(shí)儀確定4.75 mm以上集料最優(yōu)的骨架間隙率，再以細(xì)集料進(jìn)行填充，具有較小的空隙率與良好的路用性能。雖然對SMA成型對應(yīng)的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)有相關(guān)研究，但以此設(shè)計的道路普遍存在壓實(shí)度超百的現(xiàn)象[4]，根本原因在于馬歇爾擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際不符。瀝青混合料的設(shè)計方法要求與當(dāng)下施工機(jī)械建成的道路有著較高的相關(guān)性，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)(superpave gyratory conpactor,SGC)成型方法具備上述特點(diǎn)，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證[5]。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，本文擬在體積設(shè)計法(CAVF法)的基礎(chǔ)上，采用SGC成型方法改進(jìn)粗集料骨架間隙率的確定方法，在泰波法的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化粉膠比與纖維摻量進(jìn)一步提高瀝青混合料高溫性能，并與規(guī)范中值級配進(jìn)行比較。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用雙龍牌改性瀝青SBS改性瀝青，粗集料采用湖北某石材廠生產(chǎn)的玄武巖碎石，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉采用當(dāng)?shù)厥規(guī)r碎石自行加工生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。

1.2 SGC試驗(yàn)方法研究

1.2.1CAVF法

CAVF設(shè)計法中粗、細(xì)集料與礦粉、瀝青的比例通過式(1)、式(2)計算確定。

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc、qf、qp、qa為粗、細(xì)集料、礦粉及瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρsc、ρtf、ρtp、ρa(bǔ)為粗集料擊實(shí)后的密度、細(xì)集料與礦粉的表觀密度、瀝青密度，g·cm-3；VCADRC、Vv為粗集料擊實(shí)后的空隙率與壓實(shí)瀝青混合料的空隙率，%。

1.2.2旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)

已有研究表明，采用125次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)設(shè)計瀝青混合料可以使得混合料的指標(biāo)滿足規(guī)范要求，并且可充分利用常規(guī)機(jī)械[6]。因此以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為125次、達(dá)到擬定的試件高度指標(biāo)進(jìn)行控制。

1.2.3旋轉(zhuǎn)壓實(shí)豎向壓力

瀝青混合料的設(shè)計不僅要求混合料的密度與通車多年后設(shè)計交通量下最終的密度相等，還要求成型過程中模擬振動壓路機(jī)的壓實(shí)效果，粗集料在豎向壓力作用下會被震碎。鑒于此，本文采用抽提試驗(yàn)檢驗(yàn)壓實(shí)后瀝青混合料級配的變化情況，根據(jù)已有研究可知分形維數(shù)與集料整體的破碎程度有很好的相關(guān)性，整體破碎程度隨著分形維數(shù)的增大而增大[7]，分形維數(shù)計算方法參考文獻(xiàn)[8]。

ATB-30在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法下的破碎度在豎向壓力500 kPa時級配變異性小[9]，因此本試驗(yàn)中擬選取豎向壓力450，500，550，600，650 kPa，其中豎向壓力為0代表原級配。每個壓力方案制作5個平行試件。成型后對試件進(jìn)行抽提試驗(yàn)，以分形維數(shù)檢驗(yàn)級配的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同豎向壓力下篩分結(jié)果與分形維數(shù)

由表1可知，分形維數(shù)隨著豎向壓力的增加而增加，在豎向壓力超過550 kPa時增幅變大，這是因?yàn)樵谳^大的壓力下，粗集料的破碎加劇，而當(dāng)主骨架破壞后不利于瀝青混合料的高溫性能，因此取豎向壓力為500 kPa。

1.2.4旋轉(zhuǎn)角與旋轉(zhuǎn)速率

根據(jù)高性能瀝青路面(superpave)基礎(chǔ)參考手冊與ASTM D3387-11，SGC壓實(shí)機(jī)旋轉(zhuǎn)角取1.25°，旋轉(zhuǎn)速率取30 r/min。

2 基于SGC法的SMA-13級配設(shè)計

2.1 粗集料級配

通過前文確定的SGC法壓實(shí)后的粗集料骨架間隙率見表2。

表2 基于SGC法的粗集料骨架間隙率

由表2可知，隨著4.75～9.5 mm檔集料的占比增加，裝填密度呈先增大后減小的趨勢，裝填空隙率呈先減小后增大的趨勢，并在55∶45時取得最小的裝填密度與裝填空隙率。這是因?yàn)殡S著相對粒徑較小的4.75～9.5 mm檔集料占比增加，在壓力作用下9.5～13.2 mm骨架間隙逐漸被填充密實(shí)，而隨著4.75～9.5 mm檔集料繼續(xù)增加，逐漸撐開主骨料的骨架，形成干涉現(xiàn)象，因此根據(jù)SGC法的裝填結(jié)果，9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的比例宜在45∶55～55∶45之間。

2.2 細(xì)集料級配

體積設(shè)計法中，細(xì)集料的級配采用泰波公式進(jìn)行設(shè)計，其計算方法見式(3)。

(3)

式中：pi為各種規(guī)格集料的通過率，%；di為各種規(guī)格集料的粒徑，mm；dmax為集料公稱最大粒徑，mm；n為指數(shù)，泰波認(rèn)為n=0.3～0.5時，對應(yīng)級配的混合料性能最優(yōu)。

然而泰波公式設(shè)計的級配易導(dǎo)致0.075 mm篩孔以下通過率過高而影響瀝青混合料的高溫性能，因此還需采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)根據(jù)瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)選細(xì)集料級配。

2.2.1膠漿粉膠比

采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)測試的指標(biāo)包括瀝青膠漿的抗車轍因子、儲能剪切模量，以及損失剪切模量，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各粉膠比下的瀝青膠漿性能

采用歸一化數(shù)值評價不同粉膠比下性能的變化趨勢。由表3可知，隨著粉膠比的增加，抗車轍因子、儲能剪切模量和損失剪切模量均表現(xiàn)出增大的趨勢，瀝青膠漿的高溫性能隨之提升，因此以指標(biāo)測試結(jié)果最大的，即以粉膠比為2.0時的試驗(yàn)結(jié)果作為分母計算，歸一化趨勢曲線見圖1。

圖1 各粉膠比下的瀝青膠漿性能變化趨勢

由圖1可知，而當(dāng)粉膠比大于1.6時，瀝青膠漿的高溫性能與疲勞性能的增長趨勢開始變緩，礦粉與瀝青相互吸附使得瀝青膠漿逐漸成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此粉膠比取1.6。

2.2.2纖維摻量

與礦粉的影響類似，增加纖維摻量未必會帶來相應(yīng)的性能提升與經(jīng)濟(jì)性，因此有必要優(yōu)選合理的纖維摻量。不同纖維摻量動態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同纖維摻量下的瀝青膠漿性能

為了直觀地評價纖維摻量對瀝青膠漿性能的影響，在同一圖表中觀察測試指標(biāo)隨粉膠比的變化趨勢，采用歸一化數(shù)值表征變化趨勢。

由表4可知，隨著粉膠比的增加，抗車轍因子、儲能剪切模量和損失剪切模量均表現(xiàn)出增大的趨勢，瀝青膠漿的高溫性能隨之提升，因此以指標(biāo)測試結(jié)果最大的、纖維摻量為3%時的試驗(yàn)結(jié)果作為分母計算，歸一化趨勢曲線見圖2。

圖2 1.6粉膠比下的瀝青膠漿性能變化趨勢

由圖2可知，當(dāng)纖維摻量大于2%后，瀝青膠漿的高溫性能與疲勞性能增長趨勢開始變緩，纖維與瀝青膠漿結(jié)合可對瀝青起到加筋與穩(wěn)定的作用，因此隨著纖維摻量的增加性能也隨著提升，而達(dá)到穩(wěn)定后性能的增幅開始趨緩，因此推薦纖維摻量為2%。

2.2.3細(xì)集料級配確定

另有研究指出，應(yīng)用于瀝青混合料時，當(dāng)n取0.45時密度最大。根據(jù)干涉理論，細(xì)集料間隙應(yīng)由瀝青膠漿密實(shí)填充，瀝青膠漿理論最大用量計算見式(4)～(5)。

(4)

(5)

式中：M為瀝青膠漿理論最佳用量，%；VSGC為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的細(xì)集料礦料間隙率，%；ρM為瀝青膠漿理論最大密度，g/cm3；Vf為干搗法細(xì)集料礦料間隙率，%；ρFA為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的細(xì)集料骨架密度，g/cm3；ρCAD為細(xì)集料合成表觀密度，g/cm3。

對n值以0.05為步長研究0.35～0.55時不同級配對應(yīng)的礦料間隙率與膠漿用量，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同細(xì)集料級配對應(yīng)的間隙率與膠漿用量

2.3 SMA-13級配

綜上所述，粗集料9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的級配為50∶50；n取0.45確定細(xì)集料級配，當(dāng)細(xì)集料與瀝青膠漿比取75∶25、粉膠比選1.6、纖維摻量取2%，目標(biāo)空隙率取4%，SMA-13體積設(shè)計法級配見表6。

表6 SMA-13混合料礦料最優(yōu)級配組成

3 性能驗(yàn)證與級配范圍

將本文確定的級配與規(guī)范中值級配進(jìn)行路用性能驗(yàn)證對比，試驗(yàn)包括馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 2種級配瀝青混合料的性能驗(yàn)證

由表7可知，本文確定的級配瀝青用量更少，馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度與彎拉強(qiáng)度提升了13%，15%，5%。其中高溫性能提升明顯，而嵌擠的骨架對低溫抗開裂性能的貢獻(xiàn)較少，因此低溫性能只略高于規(guī)范中值。

4 結(jié)論

1)本試驗(yàn)確定了SGC法確定集料間隙率的壓力參數(shù)，提出旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為125次，豎向壓力取500 kPa，旋轉(zhuǎn)角為1.25°，旋轉(zhuǎn)速率為30 r/min。

2)基于SGC法提出了SMA-13的體積設(shè)計方法。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)確定了9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的比例宜為45∶55～55∶45。

3)為提高瀝青膠漿的高溫性能采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)優(yōu)選纖維摻量，粉膠比宜取1.6，纖維摻量宜取2%。

4)根據(jù)泰波公式與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的細(xì)集料間隙率與理論砂漿用量確定了n為0.45對應(yīng)的細(xì)集料級配。SMA-13體積設(shè)計法的級配相比于規(guī)范中值級配瀝青用量更少，馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度與彎拉強(qiáng)度提升了13%，15%，5%。

5)采用SGC方法設(shè)計SMA與實(shí)際施工的擬合度更高，因此本文的SMA-13體積設(shè)計方法可供實(shí)際參考使用。