G15嘉浏段拓宽改建工程沥青混合料性能研究

2022-09-23冯冰天

城市道桥与防洪 2022年9期

冯冰天

[1.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433；2.上海绿色路面材料工程技术研究中心，上海市 201901]

0 引言

截至目前我国公路总里程达到519.81万km，其中高速公路达16.1万km，而沥青路面作为现阶段公路最常用的路面形式在我国有着十分广泛的应用[1]。沥青混合料作为一种粘弹塑性综合体材料，其力学性能会随温度的变化而产生显著差异。夏季高温时，易出现拥包、推挤和车辙等病害，在冬季低温时，易出现开裂等现象，并已然成为一个不可回避的问题[2]。G15嘉浏段作为出上海进入江苏的主要通道，目前双向日均流量达到约12万veh/d（含汇源及嘉盛互通匝道），并保持着持续快速增长的趋势。大量重载车辆的通行和高速公路运营多年路面结构强度的衰减，造成路面结构承载力不足，车辙病害较为严重。而SMA沥青混合料具有优异的抗滑能力、耐磨损能力及耐车辙能力。所以，其在现代的高速公路面层建设中得到了广泛的应用。目前，我国大部分地区均采用木质素纤维掺入于SMA沥青路面中。其作用是防止沥青滴漏。但是，由于木质素纤维本身属性的原因，其内部吸附的沥青，对沥青混合料的油膜厚度与强度没有明显的提升，反而增加了沥青的使用量[3]。玄武岩纤维近年来因为其具有价格低廉、分布广泛等优点在沥青路面的建设中越来越受到重视。国内外专家对掺入玄武岩纤维的沥青混合料的路用性能进行了大量研究，发现玄武岩纤维的掺入能够全面提高沥青路面的抗车辙能力，抗水损害能力，以及抗低温开裂能力等路用性能[4-8]。为此，现依托G15高速嘉浏段拓宽改建工程，其工程起点与沪武高速公路（G15公路）江苏段扩建工程衔接，分界位置为沪苏界浏河中心（K1253+131），拟通过添加不同种类的纤维、外掺剂，对上面层SMA-13沥青混合料的路用性能进行研究。

1 原材料与配合比设计

1.1 原材料

1.1.1 集料

粗集料是由泰和县沪泰玄武岩石业有限公司生产的玄武岩，规格为9.5~16.0 mm、4.75~9.5 mm；细集料为东方希望重庆水泥有限公司生产的石灰岩，规格为0~2.36 mm，性能指标如表1所列，性能满足相关规范要求[5]。

1.1.2 填料

矿粉由上海沪长建材有限公司生产，性能检测指标如表1所列，检测结果满足相关规范要求[5]。

表1 高弹性改性沥青性能指标及实测值一览表

1.1.3 沥青

沥青采用上海城建日沥特种沥青有限公司生产的SBS改性沥青，相对密度为1.032 g/cm3，检测结果满足相关规范要求[4]。

1.2 配合比设计

1.2.1 级配上下限

依据设计要求，SMA-13混合料级配范围见表2所列。

表2 S MA-13混合料级配范围一览表

1.2.2 矿料配合比计算

先确定SMA-13的三种级配（1#:2#:细集料:矿粉），分别为级配A（44.0∶37.0∶9.0∶10.0）、级配B（42.0∶35.0∶13.0∶10.0）和级配C（40.0∶33.0∶17.0∶10.0），4.75 mm筛孔通过率分别为23.1%、26.9%、30.7%，三种级配组成见表3所列。分别测定三种级配的粗集料骨架间隙率VCADRC，初试油石比按6.0%，采用双面各击实75次制作沥青混合料试件，分别测定空隙率VV、矿料间隙率VMA、饱和度VFA及粗集料骨架间隙率VCAmix等指标。在混合料指标满足技术要求的基础上确定级配，测试结果如表4和表5所列。

表3 三种级配的设计组成结果一览表

由表4和表5可知：级配B体积指标满足要求，而级配A、级配C体积指标不满足要求，故选择级配B作为设计级配，图1为三种级配曲线图。

表4 VCADRC试验结果一览表

表5 初试级配试验结果一览表单位：%

图1 级配曲线图

1.2.3 马歇尔稳定度试验

按级配B称取矿料，采用3种油石比，双面各击实75次成型马歇尔试件，进行马歇尔稳定度试验，得到的结果如表6所列。

表6 沥青混合料马歇尔试验结果一览表

1.2.4 设计油石比的确定

根据SMA路面的设计要求，空隙率应控制在3%~4.5%。选取油石比为6.0%时试件的空隙率为4.0%，其它指标（矿料间隙率VMA、粗集料骨架间隙率VCA、稳定度、饱和度VFA等）也均满足设计要求，结合实际工程实践经验，确定6.0%为设计油石比。

1.2.5 冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验

为了检验沥青混合料的抗水损害性能，分别进行了该油石比下的沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果见表7和表8所列。

表7 浸水马歇尔稳定度试验结果一览表

表8 冻融劈裂试验结果一览表

1.2.6 车辙动稳定度试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[4]在60±1℃，0.7±0.05 MPa条件下进行车辙试验以检验沥青混合料的高温稳定性。车辙试件的动稳定度试验结果如表9所列，图2为车辙试件碾压深度之实景。

表9 车辙试验结果一览表

图2 车辙试件碾压深度之实景

2 纤维和外掺剂掺加对沥青混合料路用性能影响分析

为进一步对比SMA-13沥青混合料的路用性能，通过室内试验分析不同纤维和外掺剂掺入对SMA-13沥青混合料的水稳定性和高温性能的影响，其中沥青混合料试件均按照本文1.2节中的级配进行制备。

2.1 S MA-13沥青混合料水稳定性能

在沥青路面的营运过程中，水是导致沥青路面产生各种病害的一个重要因素。沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度涨缩的反复作用，一方面水分对沥青起乳化作用，导致沥青混合料的强度下降，同时水分逐步侵入到沥青与集料界面上，由于水动力的作用，沥青膜渐渐地从集料表面剥离，导致集料之间的粘结力丧失而发生路面破坏。依据现行标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[4]进行浸水马歇尔和冻融劈裂试验用来评价沥青混合料的水稳定性能。

掺入聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维与高强添加剂的试件浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的对比结果如表10所列。由表10中数据可知，掺入玄武岩纤维时，水稳定性能相较于添加木质素纤维有所提高。掺入聚酯纤维与只添加木质素纤维时性能相差不大。掺入木质素纤维与高强添加剂之后水稳定性能相较于只添加木质素纤维略有提升，但提升效果不明显。掺入玄武岩素纤维与高强添加剂之后水稳定性能优于只添加木质素纤维的水稳定性能。综合考虑，对于更换纤维或者掺入高强添加剂对SMA-13沥青混合料的水稳定性的影响效果不明显，对比相互之间的成本，以及经济效益，采用木质素纤维较为合适。

表10 不同外掺S MA-13沥青混合料的水稳定性能对比一览表

2.2 S MA-13沥青混合料高温稳定性能

沥青混合料在夏季高温条件下，由于沥青的流变特性，会在车辆反复荷载下产生一定的塑性流动变形。沥青混合料抵抗这种塑性流动变形的能力即通常所说的高温稳定性，即在高温条件下，能够经受车辆反复荷载作用的保持结构与性能温度，不会影响其使用性能的能力。国际上目前衡量沥青混合料高温稳定性能的方法有很多，综合试验条件难易程度，以及试验数据结果准确性进行分析比选，拟根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[4]对比掺入不同外掺剂的SMA-13沥青混合料进行车辙实验。

掺加聚酯纤维、玄武岩纤维与木质素纤维的试件车辙试验对比结果如图3所示。由图3可知：加入聚酯纤维的沥青混合料的动稳定度8 345次/mm，加入玄武岩纤维的沥青混合料的动稳定度8 201次/mm，相比加入木质素纤维的沥青混合料的动稳定度7 842次/mm分别高出503次/mm和359次/mm，高温稳定性能分别提升6.4%和4.5%。

图3 加入不同纤维动稳定度对比图

此外，还在木质素纤维沥青混合料和玄武岩纤维沥青混合料中加入高强添加剂用于SMA-13沥青混合料分析外掺剂复合掺入对其动稳定度的影响，得到的车辙试验对比结果如图4所示。木质素纤维沥青混合料在加入高强添加剂之后动稳定度由7 842次/mm降至7 151次/mm，高温性能下降8.8%，而玄武岩纤维沥青混合料在加入高强添加剂之后高温性能则由8 201次/mm增至8 596次/mm，高温稳定性能提升4.8%。综上可知，通过更换纤维类型和添加高强添加剂对SMA-13沥青混合料的高温性能有一定的影响，但提升效果相对于更换纤维种类或添加高强添加剂的成本而言并不显著。

图4 加入高强添加剂动稳定度对比图

3 工程应用效果分析

某项目沥青混合料的生产采用安迈3000型拌和楼，拌和楼筛网尺寸设置分别为4 mm×4 mm、6 mm×6 mm、11 mm×11 mm、17 mm×17 mm，冷料进料速度采用转速比控制，包括单仓转速比、统一转速比控制。生产过程中通过单仓转速比的设定，确保各料仓材料用量比例，而统一转速比的控制，则是在保证冷料比例不变的情况下，通过此转速比整体调整材料进料量，调节拌合楼产量。该项流量试验，对于每种材料按转速比大小进行3次流量试验，每次流量试验进料时间为5 min，流量与转速比关系见表11所列。