SMA集料級配離析對混合料抗車轍性能的影響
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叢林 徐肖龍 吳敏
(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)
摘要 由于路面施工技術(shù)、設(shè)備、管理等方面的原因，瀝青混合料容易出現(xiàn)不同程度的離析，進(jìn)而導(dǎo)致路面早期損壞出現(xiàn)。其中，混合料級配的離析對路用性能影響甚大。文中提出了直接客觀的級配偏差度概念，并通過室內(nèi)SPT試驗(yàn)，測定動態(tài)模量和動態(tài)模量組合參數(shù)來評價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能，通過回歸分析，定性且定量研究了SMA-13集料級配離析對其抗車轍性能的影響。
關(guān)鍵詞 SMA級配離析 SPT抗車轍性能
我國部分高速公路在通車僅1～3年后就出現(xiàn)不同程度的局部車轍、坑槽、泛油等早期病害。對于某一段路面自然條件、材料因素都相同，并且由同一隊(duì)伍施工，部分路況早期損壞，部分路況多年良好的情況，瀝青混合料的離析便是造成路面局部損壞的罪惡之源。黃楊華分析了瀝青混合料在原料生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪、以及壓實(shí)過程中可能造成的離析，這說明了瀝青混合料的離析是難以避免的，因此必須引起高度重視。
集料的級配離析是對路用性能影響較大的一種瀝青混合料離析的形式。集料的級配離析是指在瀝青混合料施工過程中粗、細(xì)集料顆粒分離，瀝青路面部分區(qū)域粗集料集中稱為粗集料離析，部分區(qū)域細(xì)集料集中稱為細(xì)集料離析。在這些區(qū)域內(nèi)，瀝青混合料實(shí)際配合比與設(shè)計(jì)配合比之間存在較大的差異，從而對使用性能產(chǎn)生影響。
瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)的特點(diǎn)是“三多一少”，級配設(shè)計(jì)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生級配離析，SMA級配的離析必然會造成粗集料的局部集中和細(xì)集料的局部集中，相應(yīng)會產(chǎn)生的主要早期病害是局部水損壞和局部車轍。本文主要通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究級配離析對SMA-13路面抗車轍性能的影響程度。
1 集料級配離析
1.1 集料級配離析試驗(yàn)設(shè)計(jì)
SMA-13集料級配設(shè)計(jì)采用0～3，3～5 mm2檔石灰?guī)r，5～10，10～15 mm 2檔玄武巖和礦粉，其規(guī)格見表1。
首先，設(shè)計(jì)級配按照規(guī)范推薦的馬歇爾試件體積設(shè)計(jì)法進(jìn)行，結(jié)果如表2中級配0。
其次，離析級配的設(shè)計(jì)按照均勻設(shè)計(jì)理論進(jìn)行。均勻設(shè)計(jì)理論是考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，并且均勻設(shè)計(jì)中每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)具有較好的典型性與代表性。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)理論，調(diào)整4檔集料的比例來模擬典型不同程度的SMA-13離析級配。文中設(shè)計(jì)了8組離析級配，如表2中級配1～8。所有級配曲線見圖1。
1.2級配離析偏差度的計(jì)算
級配離析實(shí)質(zhì)定義是離析級配的各組粒徑的比例與設(shè)計(jì)級配的偏離程度，因此本文引入各篩孔通過率與設(shè)計(jì)級配的偏差絕對值之和即級配偏差度來定量評價(jià)級配的離析程度。
式中：S為級配偏差度；A。為析級配第i號篩孔的通過率；Ao。為設(shè)計(jì)級配第i號篩孔的通過率；i為不同尺寸篩孔的編號，篩孔按尺寸由小到大分別編號為1，2，3，…，i。
很顯然，當(dāng)級配偏差度S較小時(shí)，說明級配離析程度較小；相反，當(dāng)級配發(fā)生離析較為嚴(yán)重時(shí)，偏差度S越大。對以上設(shè)計(jì)的幾種集料級配的偏差度計(jì)算結(jié)果見表3。
2 混合料抗車轍性能評價(jià)
我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2006在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)是以靜載抗壓回彈模量為輸入?yún)?shù)的，而NCHRP（美國公路合作研究組織）項(xiàng)目1. 37A《瀝青路面力學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法指南》是將動態(tài)模量列為設(shè)計(jì)的基本輸入?yún)?shù)之一。由于路面所受荷載是動載，越來越多的道路工作者意識到將抗壓回彈模量作為路面設(shè)計(jì)參數(shù)稍顯不足，多種頻率下的動態(tài)模量值更能全面反映材料在路面中所受的不同荷載情況。因此，動態(tài)模量是瀝青混合料的一個(gè)重要參數(shù)。
美國NCHRP Project 9-19通過幾個(gè)州的多條路的試驗(yàn)路車轍深度數(shù)據(jù)，并結(jié)合室內(nèi)3軸動態(tài)模量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的動態(tài)模量E*和動態(tài)模量組合參數(shù)E*/sin妒與車轍深度指標(biāo)存在著很好的相關(guān)性，瀝青混合料的動態(tài)模量參數(shù)可以用來準(zhǔn)確評價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能。由于SPT試驗(yàn)設(shè)備簡單，試驗(yàn)成本低，與現(xiàn)場實(shí)測車轍深度之間的相關(guān)性好，因此本文選擇采用SPT試驗(yàn)來評價(jià)混合料的抗車轍性能。
2.1 SPT試驗(yàn)設(shè)計(jì)
按以上設(shè)計(jì)的級配0～8配備集料，油石比采用5.8%，混合料添加0. 3%木質(zhì)纖維。采用Su-perpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件。瀝青混合料的動態(tài)模量采用Superpave簡單性能試驗(yàn)機(jī)(SPT)測定。試驗(yàn)規(guī)程為AASHTO TP-62。采用應(yīng)力控制方式，對試件施加無側(cè)限正弦荷載，加載頻率為5 Hz，試驗(yàn)溫度控制在40℃。試驗(yàn)結(jié)果見表4。
2.2抗車轍性能偏差度計(jì)算
瀝青混合料級配的設(shè)計(jì)綜合考慮了高溫、低溫、疲勞、水穩(wěn)定等多方面的性能，這些性能彼此是制約的，因此其路用性能不是某個(gè)指標(biāo)越高越好，而是多個(gè)指標(biāo)均滿足使用要求�；旌狭霞壟潆x析導(dǎo)致一處的某性能偏高，勢必會導(dǎo)致另一處的該性能偏低。因此，本文采用級配離析混合料各性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)級配性能指標(biāo)偏差的絕對值進(jìn)行量綱歸一化，即性能偏差度來反映混合料級配離析程度，比較合理。針對SPT試驗(yàn)評價(jià)抗車轍性能，試驗(yàn)指標(biāo)偏差度見式(2)，式(3)。
3級配偏差度與抗車轍性能偏差度相關(guān)關(guān)系
建立級配偏差度與動態(tài)模量和動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度的相關(guān)關(guān)系見圖2。
從回歸結(jié)果可以看出，動態(tài)模量和動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度與級配偏差度存在良好的相關(guān)關(guān)系，其中動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度與級配偏差度的相關(guān)關(guān)系更好。隨著級配偏差度的增大，動態(tài)模量和動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度也增大，其中動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度增大幅度要更大。因此推薦采用動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度來評價(jià)抗車轍性能的偏差度。
4結(jié)語
本文針對級配離析的本質(zhì)定義提出了級配偏差度概念，直接客觀并且定量的反映了級配離析情況。設(shè)計(jì)了8組離析程度不同的離析級配，并通過SPT試驗(yàn)測量了設(shè)計(jì)級配和各組離析級配混合料的動態(tài)模量和相位角指標(biāo)。SPT試驗(yàn)結(jié)果表明，動態(tài)模量和動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度與級配偏差度存在良好的正相關(guān)關(guān)系，其中動態(tài)模量組合參數(shù)偏差度與級配偏差度的正相關(guān)關(guān)系更好。
由于本文試驗(yàn)對象是高速公路上面層最常用的SMA-13，故具有一定的局限性，后續(xù)研究可以拓展到SMA-16，AC-13，AC-16等瀝青混合料。此外，還可以探究級配離析對其他路用性能的影響。
