基于SMA材料特性的压实技术研究

2017-02-18崔树华

筑路机械与施工机械化 2017年1期

崔树华

摘要：针对SMA混合料的压实技术问题，分析了SMA混合料的材料和级配特征，以及振荡压路机、高频振动压路机和轮胎压路机的压实机理和特性。结果表明：振荡压路机、高频振动压路机压实效率高，而轮胎压路机具有"搓揉提浆"作用，会使混合料中的沥青向上迁移；由于SMA混合料具有较大的内摩阻力和粘性阻力，施工时应采用振荡或高频振动压路机进行初压和复压，不宜使用轮胎压路机。

关键词：路面工程；SMA；材料特性；压实技术

中图分类号：U416.217文献标志码：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起源于德国，中国20世纪70年代开始研究应用SMA技术[13]。压实作为路面施工的关键工序，是保证路面密实度的重要手段，对保证SMA路面综合性能也有重要影响[47]。针对SMA压实技术，杨春霞通过研究不同温度下SMA13的压实特点，得出有效压实时间的计算公式[8]；柴志军基于正交试验，分析了拌和温度、压实温度、集料温度对SMA13的压实度、空隙率和稳定度的影响[9]。由于沥青路面的性能与碾压工艺有十分密切的关系，而碾压工艺对材料特性又有较强的敏感性，为提高SMA的优越性能，本文对SMA材料特征和与之相适应的压实技术进行研究。

1SMA对材料的要求

因矿料级配不同，形成了不同组织结构的沥青混合料，而混合料的结构状况、体积性能及施工特性共同决定了其路用性能。SMA混合料是由大比例的碎石骨架结构和丰富的沥青玛蹄脂填充，形成稳定的骨架密实結构[1018]。其对组成材料的要求有以下几方面。

（1）沥青混合料。SMA混合料采用的沥青应有较高的黏度和良好的弹性恢复能力。通过试验对比可知SMA混合料使用改性沥青时，其动稳定度、流值等指标均有显著提高。

（2）粗集料。

SMA的高温稳定性主要基于含量较多的粗集料之间的嵌锁作用。为了得到优良的高温性能，要求选用质地坚硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形状接近立方体的粗集料。不同品种石料对混合料性能有不同影响，相同级配和沥青含量下，辉绿岩或玄武岩等质地坚硬的石料组成的SMA混合料较石灰岩SMA混合料在动稳定度上要高出1倍以上。

（3）细集料。

SMA属于间断级配，细集料在SMA中占较小的比例，一般不超过10%。AASHTO规范建议细集料采用机制砂，这是由于机制砂是采用坚硬岩石反复破碎制成的，具有良好的棱角性和嵌挤性能，有利于提高混合料的高温稳定性。

（4）填料。沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对粗、细集料产生黏附作用。在普通的沥青混合料中，填料的数量一般不会超过沥青的12倍，过多不仅拌和困难，而且对混合料的性质有不利影响。但SMA需要的填料数量要超过普通比例，一般达到1.8～2.0倍。

（5）纤维稳定剂。

SMA混合料需要加入纤维稳定剂，以产生加筋、分散、稳定、增黏及吸附的作用。纤维稳定剂主要有3类：木质素纤维、矿物纤维和聚合物有机纤维，其用量一般分别为03%、04%、01%。

2SMA混合料的级配特征

SMA的强度主要取决于沥青混合料的内摩阻力和粘结力，沥青类型、粗细集料特性、级配组成等因素都对混合料强度产生较大影响。

在进行沥青混合料组成设计时，可采用如连续级配和间断级配。间断级配是指级配中缺少一级或几级材料颗粒，级配不连续或者有突变形成。间断级配的断点一般设置在粗细集料分界处，使混合料具有较多的粗集料，形成石石相抵的空间骨架结构。图1为AC13连续级配混合料与SMA13间断级配混合料级配范围对比。

沥青混合料按其级配结构特征可分为3种典型类型。一是悬浮密实结构：连续级配混合料材料从大到小连续存在，大颗粒以悬浮状态处于较小颗粒之中；这种结构密实度和强度较高，水稳定性、耐久性较好，但高温稳定性较差。二是骨架空隙结构：沥青混合料的粗集料形成互相嵌挤的骨架结构，而细集料数量较少，不足以填充骨架间隙；这种结构高温稳定性较好，但其空隙率较大。三是骨架密实结构，混合料中有足够数量的粗集料形成骨架，根据粗集料骨架空隙的大小加入足够的细集料和填料，具有较大密实度和较小的残余空隙率；此种级配是一种间断级配或介于连续和间断之间的级配形式，其集合了前2种结构的优点，是一种较为理想的结构类型。

SMA混合料是骨架密实结构的典型代表，级配组成中粗集料占矿料的70%以上，形成紧排骨架；在粗细集料分界筛孔处形成断点，少量细集料与沥青、矿粉和纤维所组成的玛蹄脂填充于粗集料形成的空隙之中，构成具有较小空隙的骨架密实结构。

3SMA混合料的可压实性

在施工中，沥青混合料的材料特性、沥青种类和混合料级配特征决定了混合料的压实性。

集料对可压实性的影响主要取决于骨料的形状、表面结构、强度、耐磨性和颗粒间的嵌挤作用。在压实时，含有自然圆滑骨料的混合料颗粒间内摩阻力较小，颗粒之间容易滑动；而表面粗糙、多棱角的集料摩擦阻力较大，难于压实。黏性阻力是沥青黏性和混合料温度的函数；沥青结合料具有黏性和弹性特征；在高温时表现为黏性液体，在低温时表现为弹性固体；温度越低，沥青黏性越低，阻力越大，压实时不利于颗粒重新排列。混合料的级配也影响着沥青路面压实的难易程度，含有丰富粗集料的混合料难以压实，含有较多细集料则相对易于压实；填料过多，不易压实，填料过少，有可能造成路面离析。

SMA混合料级配中粗集料多、细集料少，突出了粗、细集料的破碎需求和棱角性，增加了集料之间的内摩阻力；同时沥青混合料选用的SBS改性沥青具有较大黏性，再加上纤维稳定剂加筋、增黏的作用，造成SMA混合料的黏性阻力大于一般沥青混合料。因此，SMA混合料在压实特性上表现为难于压实，对碾压工艺具有较高要求。

4SMA混合料压实技术研究

4.1压实设备选择

目前，沥青混合料压实机械主要有4类，分别是钢轮静作用压路机、钢轮振动压路机、轮胎压路机和振荡压路机。

钢轮静作用压实。静作用压实是利用压路机静荷载使材料达到剪切强度，从而产生相对位置移动，使沥青料中的颗粒处于更为稳定的位置，减少空隙率，增加稳定性。静作用压路机的主要性能参数为静线压力、钢轮直径和碾压速度。实践表明，对于骨架密实型混合料，使用静作用压路机很难达到较高的压实度，即使增加碾压遍数也无济于事。

振动压实。振动压实是利用振动压路机使混合料中的颗粒产生共振，减少颗粒间的摩擦阻力，使材料更容易达到密实状态。振动压实的主要参数为频率、振幅和速度。试验表明，沥青混合料在50～70 Hz的激振频率范围能产生最好的压实效果。

轮胎压实。轮胎压路机通过改变轮胎充气压力或自身重量以改变接地面积，达到改变静压实力的效果。轮胎压实具有消除裂纹、均匀压实和“搓揉提浆”的压实特性。

振荡压实。振荡压实是在对压路机钢轮施加交变力偶的作用下，对混合料水平方向進行的压实。它将振动与搓揉结合在一起，有良好的压实效果，能防止沥青路面产生裂缝，使道路表面平整，对于难于压实的材料有特殊的功效，具有压实效率高、搓揉抗渗效果好和压实深度小的特点。

根据以上4种压实设备的压实特性，SMA碾压宜采用振荡和振动压路机进行高效压实，不宜采用轮胎压路机，避免轮胎的“搓揉提浆”使混合料中的沥青向上迁移，引起泛油，降低路面的构造深度。

4.2SMA混合料压实技术要点

SMA含有大量粗集料，往往比常规混合料冷却得快，且通常使用改性沥青，因此压实应在较高的初温下进行，温度一般不低于160 ℃。

SMA的初压和复压应优先采用振荡压路机或高频低幅振动压路机，终压采用钢轮静作用压路机。这是由于SMA是紧排骨架混合料，具有很好的嵌挤作用，碾压过程不会产生推移。初压可利用振荡或振动碾压，振荡压实设备和高频振动压实效率高、深度小，可以大幅降低混合料的嵌挤阻力，快速提高压实度，适合SMA的材料特性和厚度要求。碾压过程中应严格控制振荡或振动碾压遍数，避免过度碾压加剧石料的磨损和破坏。

轮胎压路机的“搓揉提浆”作用会使SMA混合料中的沥青向上迁移引起泛油现象，并降低路面的构造深度，因此不宜使用轮胎压路机碾压SMA混合料。

5结语

（1）SMA混合料具有“三多一少”的特征，即“沥青结合料多、粗集料多、填料多、细集料少”，所形成的骨架密实结构具有较好的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性。

（2）材料和级配特征表明，SMA混合料难于压实，对设备和施工工艺有较高的要求。初压和复压应使用振荡或高频低幅振动压路机，终压采用钢轮静作用压路机。除非进行试验证明采用轮胎压路机有良好的效果外，压实过程中不宜使用轮胎压路机。

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