温拌橡胶沥青玛蹄脂碎石路面关键控制技术研究

赵丹

（徐州市公路工程总公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

SMA 是沥青玛蹄脂碎石混合料的简称，该混合料主要是由粗集料、沥青玛蹄脂等材料混合而成，其中粗集料能够在混合料当中形成骨架嵌挤结构，使SMA 混合料能够获得较强的抗车辙能力，而玛蹄脂结合料则是由细集料、纤维稳定剂、矿粉以及沥青等材料构成，能够有效填充粗骨料构成的骨架空隙，起到提高混合料低温抗裂性以及耐用性的作用。尤其是橡胶改性沥青的应用，由于其具有较强的黏度、综合性能良好，将其用在SMA 混合料当中，能够减少纤维稳定剂、矿粉等原料的用量，在保证混合料性能的同时，有效降低工程施工成本。但为了在公路工程施工中最大限度地发挥出SMA 混合料的应用价值和效果，还需要在具体施工过程中强化对其关键控制技术的研究。

1 温拌橡胶沥青SMA 配合比设计

结合相关研究及以往施工经验可以确定，沥青混合料在路用性能方面经常会受到矿料级配的影响，而良好的矿料级配是确保混合料强度及耐久性的基础。因此，为确保SMA 沥青路面的施工质量，必须要针对混合料级配进行合理的设置。

当前阶段，国内外在对沥青混合料进行级配设计的过程中，常用的方法有两种：一是以最大密度曲线为基础的设计方法；二是，针对集料体积特性进行综合考虑的设计方法。其中，前者由于没有对集料颗粒特性以及混合料体积特性进行考虑，所以很难通过体积结构特征对混合料自身的路用性能加以体现。而基于集料体积特性的贝雷法则可以对第一种方法的不足之处进行有效弥补。具体如下：

1.1 相关设计要点

从某种程度上来讲，贝雷法是一种具有较强系统性的级配设计方法，应用该方法能够使粗集料较好地构建骨架结构，有效提高混合料的抗车辙能力，并且可以准确控制粗细集料比例，确保混合料的耐久性。其级配思路主要表现在以下两个方面：

第一，由粗集料构成骨架结构，并在骨架间隙当中填充细集料，能够使沥青混合料的强度和抗车辙能力得到有效保障。第二，对体积参数进行合理的设计，能够确保沥青混合料的耐久性，而具体的体积参数包括矿粉用量、空隙率以及矿料间隙率等。

但在落实级配设计工作前，相关人员需要对三项因素进行考虑。第一，设计密度。改变设计密度，能够对粗细集料比例进行调整。第二，筛孔通过率。通过对筛孔通过率进行调整，能够实现矿粉用量以及细集料用量的有效控制。第三，粗细集料的体积构成，改变两者的体积构成，同样会对粗细集料的比例造成影响，使两者的组成结构得到有效的控制。

从理论角度来看，设计密度通常会介于干捣密度和松装密度之间，据相关研究发现，设计密度和粗集料的骨架形成性能具有密切的关联，如果设计密度比松装密度小，则通常粗集料无法构成骨架结构，而如果设计密度过高于干捣密度，则在施工当中需要设置较大的压力，才能使混合料的压实度达标，但这会增加压实施工的难度，且容易出现集料破碎的情况。因此，设计密度通常是以松装密度为基础进行设计，一般取95%～105%的松装密度。

1.2 确定最佳石油比

第一，沥青用量下限。SMA 混合料当中，粗骨料构成的骨架结构空隙需要使用沥青玛蹄脂进行填充。因此，为了保证SMA 路面的抗渗性以及耐久性，通常会使用大量的沥青结合料，其用量可能超出常规用量的1%以上。正因如此，很多国家都针对SMA 中的沥青用量有明确规定。例如，欧洲标准要求根据矿料合成毛体积密度和沥青用量下限间的关联确定初始的沥青用量。

第二，以最紧密状态设计法为基础来明确最佳石油比。正常来说，沥青混合料在体积状态方面的描述都会涉及两种类型，一种是密实状态，另一种是紧密状态。而两者是完全不同的概念。尤其是紧密状态，能够对混合料当中的矿料结构构成加以反映，属于混合料压实期间的某种节点状态，该节点状态不仅能够确保混合料骨架结构被玛蹄脂有效填充，还能避免其结构被撑开。而矿料的组成通常取决于级配，在沥青用量不断增加的情况下，骨料结构的破坏风险也会随之提升，因此，紧密状态又可视为混合料骨架结构撑开以前的状态。

从理论上讲，如果沥青混合料及其级配处在固定状态时，在试验条件相同的情况下，混合料矿料间隙率、毛体积密度以及粗集料间隙均为混合料油石比的函数，且其极值具有唯一性。所以，借助二次曲线对其中的函数关系进行拟合，最终获得三种级配的最佳油石比为6.3%、6.2%以及6.4%。这三种级配的最佳油石比在飞散损失以及析漏损失方面分别为5.8%、8.4%、6.2% 和0.058%、0.072%、0.061%。由此可以确定，通过最紧密设计方法获得的最佳油石比，能够满足工程的设计以及沥青使用下限的要求。

第三，确定最佳混合料级配。对于沥青混合料来说，其在高温环境中的抗剪切强度即为其结构强度，结合库仑定律可以确定，这种抗剪切强度通常是从沥青混合料间的嵌挤作用以及黏结力当中获取。而SMA 的抗剪强度则主要来源于矿料间的嵌挤力。所以，保证级配构成的科学性与合理性，将会使混合料的强度大幅度的提升，避免路面出现永久变形的情况，从而使路面获得更长的使用寿命。而为了获取最佳的油石比，针对上文获得了三个级配展开车辙试验，经试验确定级配1 的嵌挤效果最佳。图1 为三个级配试件经马歇尔试验以后切开的断面，根据图1 可以清晰地看到，级配1 的粗骨料具有更高的嵌挤程度。

图1 三个级配试件经马歇尔试验以后切开的断面

2 温拌橡胶沥青SMA 路用性能分析

由于SMA 经常被作为路面施工材料，其在使用期间会暴露在自然环境当中，再加上车辆荷载等因素的影响，会出现逐渐弱化的情况。而为了确保路面的使用性能和使用寿命，必须要对其路用性进行确定，而路用性的评定主要涉及三个指标，即低温抗裂性、高温稳定性以及水稳定性。

2.1 低温抗裂性

SMA 的低温抗裂性，主要是指其在低温环境当中对于收缩开裂现象的抵抗能力，而由于低温抗裂性不高造成的路面裂缝主要有2 种：第一，收缩裂缝。在一些冬夏分明的区域，由于冬季寒流侵袭、气温骤降，会在公路面层材料当中形成较强的温度应力，而这种应力通常短时间之内无法利用应力松弛进行释放，如果温度应力过高，大于面层材料的极限，就会在面层当中出现开裂问题。第二，温度疲劳裂缝。在温度反复变化的情况下，温度应力对于SMA 路面的影响是反复循环的，再加上SMA 路面在自然环境当中长期使用，因紫外线、热、氧等相关因素的影响，会逐渐老化，进而导致其极限的应力松弛能力、拉应变能力不断衰减，虽然反复循环状态下的温度应力普遍较小，并不会在路面当中立即形成裂缝问题，但随着温度应力的积累以及路面结构的反复变化，就容易出现疲劳裂缝。

对于SMA 的低温性能评价，主要是依靠疲劳试验以及低温弯曲试验来实现。其中，低温弯曲实验涉及诸多的种类，且评价指标较为繁杂。目前，较为常用的方法包括半圆弯曲试验、小梁弯曲试验、温度应力试验、间接拉伸试验以及直接拉伸试验等，而低温性能评价指标则包含弯曲劲度模量、最大弯拉应变模量、J 积分以及低温抗弯拉强度等。而本文主要借助小梁弯曲试验对温拌橡胶SMA 的低温抗裂性能进行评价，试验使用250mm×30mm×35mm 的试件，其跨径设置为200mm，按照50mm/min 的加载速率展开试验。

经过试验确定，温拌橡胶SMA 的低温弯拉强度是10.9MPa，而极限弯拉应变模量为3247με，符合相关规范的要求。

2.2 高温稳定性

所谓的高温稳定性，主要是指沥青路面受到环境温度以及车辆荷载作用双重影响下的抗变形能力。若SMA 缺乏高温稳定性，就很容易在路面当中形成各种早期病害，如推移、车辙等。而通过试验也可以确定，沥青混合料受到高温环境的影响，其刚度以及强度都会有所下降，这也意味着抗变形能力会随之下降。而在车辆荷载影响下的变形问题主要包含两部分，一部分是永久变形，无法自动恢复，另一部分则会在时间推移下逐渐恢复。其中，前者即为人们所说的车辙损害，这种损害会造成连锁破坏问题，对行车的舒适性以及安全性产生极大的威胁。

而能够对SMA 高温稳定性进行试验的方法多种多样，包括动载试验、车辙试验以及弯曲蠕变试验等。本文决定通过车辙试验进行检验，通过永久变形以及稳定度DS，对SMA 自身的高温抗变形能力进行评价。具体要根据国家相关试验规程对试件进行准备，试件长宽高分别为300mm、300mm、50mm。试验期间的温度设置为60℃，针对试件设置0.7MPa±0.05MPa的轮压，碾压速度按照42 次/min 设置。正常情况下，温拌橡胶SMA 的高温稳定性DS 要在3000 次/mm 以上，而试验试件的稳定度均远超该指标，并且试验期间的永久变形问题相对较小，由此可见，本文设计的SMA 级配骨料有着良好的嵌挤能力。

2.3 水稳定性

水稳定性顾名思义就是SMA 路面对于水损害的抵抗能力。而在沥青路面当中，水损害是一种较为常见的病害问题。水损害会因为水或者冻融循环，加上车辆动态荷载，在路面空隙当中形成真空负压泵吸或者动水压力，导致路面受损，水分进入集料和沥青界面当中降低沥青黏结性，致使沥青脱落导致路面形成坑槽，影响车辆正常通行。

对于水稳定性的试验方法包括，浸水车辙试验、冻融劈裂试验、水煮法以及水浸法等，由于冻融劈裂试验以及浸水车辙试验与路面实际情况最为接近，且前者为行业普遍应用的试验方法，所以本文也通过冻融劈裂试验对SMA 自身的水稳定性进行评价。

试验之前，根据相关规程对试件进行制作，获得8个温拌橡胶SMA 试件，并平均将其分为两组，第一组在室温条件下备用，第二组放在真空条件下15min，在恢复常压以后静置在水中0.5h，再放入密封环境中，添加纯净水10mL，再置于-18℃的恒温冰箱当中16h，最后使用60℃的恒温水进行24h 的养护。取出试件以后与第一组试件同时放在25℃的恒温水槽当中静置2h，并利用马歇尔稳定度仪对其劈裂抗拉强度进行测定，对试件加载期间的荷载峰值进行记录，做好试件冻融劈裂强度比的计算工作。

经试验测定，温拌橡胶SMA 试件在冻融劈裂强度方面均能满足规范要求，可以确定该混合料的水稳定性良好。

3 结语

综上所述，温拌橡胶沥青玛蹄脂路面具有稳定性好、成本投入低等诸多的优势，将其进行应用能够使公路建设质量得到显著的提升，这对于公路建设活动的有效开展以及国家交通运输能力的不断提升有着非常积极的作用。因此，相关部门应该对这种路面施工技术保持重视，并且要做好关键控制技术的研究工作，确保其能在公路建设中得到更好的应用。