提高钢桥面铺装SMA混合料的抗车辙能力
张志宏 卓武极 南海军
宁波天意钢桥面铺装技术有限公司
摘要：SMA混合料是一种品质优良的沥青混凝土，但当SMA用作特殊的钢桥面铺装的面层结构时，其地表温度最高可达68℃，常规的SMA配比设计有时难以满足高温重载下的抗车辙要求。因此，如何改进SMA混合料的配合比设计使之具有更好的抗车辙能力是应该重点研究的关键问题。本文从SMA级配关键点的通过率、VMA值控制和抗车辙剂的使用等几个方面论述提高SMA混合料抗车辙能力的方法和试验结果。
关键词：SMA，抗车辙能力，关键筛孔，VMA，抗车辙剂
Improving high temperature performance of steel deck pavement decked with SMA concrete
Zhang Zhihong ,Zhuo Wuji,Nan Haijun
(Ningbo steel deck pavment techniques company)
Abstract: SMA asphalt concrete had great performance, but the highest pavement surface temperature could arrive 68℃ when SMA had been used as a surface structure of some special steel deck pavement, the properties of conventional SMA design can hardly satisfied the required of high temperature performance under heavy-load and high-temperature. So, the most important problem is how to improve the high temperature performance of SMA concrete. In this paper, the paper presents the ways to improve the high temperature performance such as the passing rate of key point, the control of VMA value and using anti-rut agent, etc.
Keywords: SMA, high temperature performance ,key sieve pores ,VMA, anti-rut agent
引言
众所周知，SMA混合料是一种品质优良的沥青混凝土，它具有抗车辙能力强、不易透水、表面粗糙和行车舒适等一系列优点，因而被广泛应用于高速公路的面层结构。北京市内的道路、首都机场跑道以及著名的杭州湾跨海大桥等重要工程都采用SMA混合料作为铺装路面。随着我国大跨径钢桥越来越多地建成，采用高粘度改性沥青配置的高性能SMA路面开始广泛地应用于钢桥面的铺装。然而，SMA路面终究还是一种沥青路面，其胶结材料改性沥青的粘结能力随温度升高而降低的特性并未根本改变，即SMA混合料在高温条件下容易出现车辙变形。当SMA用作特殊的钢桥面铺装的面层结构时，其地表温度最高可达68℃，常规的SMA配比设计有时难以满足高温重载下的抗车辙要求。因此，如何改进SMA混合料的配合比设计使之具有更好的抗车辙能力是应该重点研究的关键问题。本文从SMA级配关键点的通过率、VMA值控制和抗车辙剂的使用等几个方面论述提高SMA混合料抗车辙能力的方法和试验结果。
1、 控制SMA混合料的VMA指标
以实际应用比较成功的杭州湾大桥混凝土桥面铺装的SMA配比作为比较的基点，调整级配和VMA指标，观察调整级配后SMA混合料抗车辙能力的变化。
杭州湾大桥混凝土桥面铺装的SMA13级配及性能如表1-2-1~1-2-4所示。
表1-2-1 级配的设计组成结果
级配类型 （1#:2#:4#:矿粉） | 通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） | |||||||||
16.0 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
级配B (44.0:31.0:15.5:9.5) | 100.0 | 93.6 | 57.2 | 26.9 | 24.2 | 19.9 | 16.2 | 13.8 | 12.7 | 10.4 |
表1-2-2 VCADRC测试结果
级配类型 | 捣实容重（t/m3） | 4.75mm通过百分率（%） | 粗集料毛体积密度（g/cm3） | VCADRC （%） |
级配B | 1.710 | 26.9 | 2.856 | 40.12 |
表1-2-3 初试级配的体积分析
级配 类型 | 油石比（%） | 最大理论相对密度 | 毛体积相对 密度 | 空隙率(%) | VMA（%） | VFA （%） | VCAmix （%） |
级配B | 6.1 | 2.615 | 2.507 | 4.13 | 16.65 | 75.19 | 39.69 |
要求 | / | / | / | 3-4.5 | ≥16.5 | 75-85 | ≤VCADRC |
表1-2-4 车辙试验动稳定度
混合料 类型 | 油石比 （%） | 车辙动稳定度（次/mm） | 要求 | 变异系数（%） | |||
1 | 2 | 3 | 平均 | ||||
SMA-13B | 6.1 | 4846 | 4500 | 4846 | 4731 | ≥3500 | 4.2 |
采用杭州湾大桥同样级配但用钢桥面铺装专用的高粘度改性沥青作为胶结料的SMA13性能如表1-3所示。
表1-3车辙试验动稳定度
混合料 类型 | 油石比 （%） | 车辙动稳定度（次/mm） | 要求 | 变异系数（%） | |||
1 | 2 | 3 | 平均 | ||||
SMA-13B | 6.1 | 6848 | 6923 | 6702 | 6824 | ≥5000 | |
宁波明州大桥调整VMA值的SMA13的级配和性能如表1-4-1~1-4-3所示。
表1-4-1 级配的设计组成结果
级配类型 | 各筛孔通过百分率（%） | |||||||||
16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
SMA13 | 100 | 94.8 | 61.6 | 23.5 | 19.6 | 16.4 | 14.7 | 13.5 | 12.7 | 10.8 |
表1-4-2 马歇尔试验结果
油石比（%） | 粗集料骨架松装间隙率VCADRC | 粗集料骨架 间隙率(%) VCAmix | 实测毛体积相对密度 | 空隙率(%)VV | 矿料间隙率(%) VMA | 沥青饱和度(%) VFA | 稳定度 (Kn) | 流值 （0.1mm） |
6.0 | 39.8 | 39.1 | 2.496 | 5.2 | 18.3 | 72.7 | 8.57 | 27.4 |
6.3 | 39.0 | 2.507 | 4.2 | 18.1 | 77.6 | 8.74 | 25.4 | |
6.6 | 38.8 | 2.510 | 3.8 | 18.2 | 78.9 | 7.87 | 28.8 |
表1-4-3 车辙试验结果
油石比（%） | 动稳定度(60℃) |
6.0 | 12960.10 |
6.3 | 11666.60 |
6.6 | 11473.60 |
上述对比实验的结果表明，采用相同的沥青和相同的石料但控制级配4.75mm和2.36mm的通过率，使SMA13的VMA值从要求大于16.5%到要求大于18%，其抗车辙能力提高了接近一倍。其原因是粗骨料形成的支撑结构提供了更大的抗车辙能力。
2、抗车辙剂的使用效果
研究的方法是对比试验。对比试验采用以上VMA大于18%的研究级配和相同的高粘沥青，不同的是添加抗车辙剂和不添加，看SMA混合料的抗车辙能力变化。主要试验结果如表2-1和2-2所示。
表2-1 SMA13马歇尔试验结果（油石比6.0%）
试验 项目 | 击实 次数 | 粗集料骨架松装间隙率VCADRC | 粗集料骨架 间隙率% VCAmix | 实测毛体积相对密度 | 稳定度 kN | 空隙率% | 流值 0.1mm | 矿料间隙率% VMA | 沥青饱和度% VFA |
无车辙剂 | 50 | 39.8 | 39.2 | 2.502 | 11.85 | 5.6 | 33.4 | 19.0 | 70.3 |
加车辙剂0.2% | 50 | 39.8 | 38.8 | 2.525 | 12.39 | 4.5 | 35.0 | 18.2 | 75.2 |
标准 范围 | 50 | —— | ≤VCADRC | —— | ≥7.0 | 3.0~4.5 | 20-50 | ≥18 | 75~85 |
表2-2 SMA13车辙试验结果
序号 | 说明 | 动稳定度mm/次 | 备注 |
1 | 未加车辙剂 | 7241 7659.85 | 70℃环境下试验 |
2 | 加0.2%抗车辙剂 | 11052 12115 | 70℃环境下试验 |
表2-2的试验结果表明，在70°C的环境条件下，添加抗车辙剂的SMA13的车辙动稳定度比不添加的提高了约50%；对比表1-4-3的结果我们得知，添加抗车辙剂相当于提高了10℃的试验温度但还可以获得大致相当的动稳定度值。
另外，添加抗车辙剂使得SMA混合料相对容易击实，在现场实际施工时，压路机对SMA混合料的碾压作用要好于马歇尔法的50次锤击作用，现场更容易获得较小的孔隙率。
3、结论
SMA是一种优良的混合料，但在配合比设计时要充分注意4.75mm和2.36mm两个关键筛孔的通过率，使混合料VMA值大于18%，可有效提高SMA混合料的抗车辙能力。
通过添加PE类的抗车辙剂，可有效提高SMA混合料在高温条件下的抗车辙能力，这对于高温重载的钢桥面铺装将大有帮助。