浅析SMA材料组成及强度形成机理

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  【摘 要】由于沥青SMA 路面现阶段得到广泛的应用,因此有必要对沥青SMA 材料做进一步的研究。针对沥青混合料的路用性能良好的特点,介绍了沥青SMA 的概念和沥青混合料的类型,进一步了解沥青混合料组成结构及其强度,以及影响强度的因素,分析了SMA 的材料组成、强度形成机理以及性能特点。
  【关键词】沥青混合料;沥青SMA;机理
  Material Composition and Strength Formation Mechanism of the SMA
  Chen Chao1,2,Wu Heng-shan1
  (1.Nanhua University, Institute Of City Construction Hengyang Hunan 421001;
  2.Hunan TechnicalCollege Of Railway High-speed Hengyang Hunan 421001)
  【Abstract】SMA asphalt pavement were widely used at this stage. So it isnecessary to make a further study for asphalt SMA materials. Because of the performance of asphalt mixture is very good. In this article , the concept of the asphalt SMA and the type of asphalt mixture was introduced. The structure of asphalt mixture and its intensity and factors which affectthe strength was also introduced. It also analyzes the composition of SMA material , and performance characteristics and theformation mechanism of strength.
  【Key words】Asphalt mixture;Asphalt SMA;Mechanism
  
  沥青SMA 路面已经被公认为是性价比最好的沥青路面结构,在全国高速公路上得到了推广应用。现在,SMA 已经成为我国高速公路的主要路面结构形式之一,是一些大交通量、重载交通道路或重要高速公路首选的结构形式。
  1. 沥青混合料的类型和特点
  1.1 沥青混合料及SMA 的定义
  沥青混合料是由沥青、集料、矿粉按一定的配合比组成的。沥青混合料是沥青混凝土混合料(Asphalt concrete mixture 简称AC) 和沥青碎石混合料(Asphalt macadam mixture 简称AM) 的总称[1 ] 。SMA 是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料。它最基本的组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两大部分。
  1.2 沥青混合料的类型。
  沥青混合料是一种复合材料,它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂所组成。这些组成材料在混合料中,由于组成材料质量的差异和数量的多寡,可形成不同的组成结构,并表现为不同的力学性能[2 ] 。
  1.2.1 按结合料分类(1) 石油沥青混合料; (2) 煤沥青混合料; (3) 彩色沥青混合料。
  1.2.2 按施工温度或按沥青混合料拌制和摊铺温度可分为: (1) 热拌热铺沥青; (2) 常温沥青混合料; (3)温拌沥青混合料。
  1.2.3 按矿质集料级配类型分类(1) 连续级配沥青混合料中的矿料是按级配的原则,从大到小各粒径都有,按比例相互搭配组成的混合料。(2) 间断级配沥青混合料连续级配沥青混合料矿料中缺少1 个或2 个档次粒径的沥青混合料。
  1.2.4 按混合料密实度分类(1) 密级配沥青混凝土混合料按密实级配原则设计的连续密级配沥青混合料, 但其粒径递减系数较小, 剩余空隙率小于10 %。(2) 开级配沥青混凝土混合料按级配原则设计的连续级配混合料,但其粒径递减系数较大,剩余空隙率大于15 %。亦有将剩余空隙率介于密级配和开级配之间的(即剩余空隙率10 %~15 %) 混合料称为半开级配沥青混合料。
  1.2.5 按最大粒径分类按照沥青混凝土混合料的集料最大粒径可分为下列4 类: (1) 粗粒式沥青混合料集料最大粒径等于或大于26.5 mm(圆孔筛30mm) ; (2) 中粒式沥青混合料集料最大粒径为16mm 或19 mm(圆孔筛20 mm 或25 mm) ; (3) 细粒式沥青混合料集料最大粒径为9.5 mm 或13.2 mm(圆孔筛10 mm 或15 mm) ; (4) 砂粒式沥青混合料集料最大粒径等于或小于4.75 mm ( 圆孔筛5mm) 。
  1.3 沥青混合料的组成结构。
  1.3.1 沥青混合料组成结构及其强度沥青混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。沥青混合料的结构是指混合料组成材料之间相互作用的特点、相对位置分布及相互联系的状况。沥青混合料是由矿质集料、沥青胶结料和空气所组成的复杂三相体系,其中矿质骨架由粗骨料、细骨料组成,是不连续分散相,而沥青结合料是分散介质。此外,混合料中还有用矿粉作为填料,在混合料中也起着重要作用。可以说,沥青混合料是一种空间结构的复杂分散体系[3 ] 。
  1.3.2 沥青混合料的组成结构类型在沥青混合料中,各结构组成的变化会对整个混合料的受力机制产生巨大影响,从而使混合料具有不同的变形特性和强度。通常,沥青——集料混合料按其组成结构可分为下列3 类:
  (1) 悬浮——密实结构。当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时,按粒子干涉理论,为避免次级集料对前级集料密排的干涉,前级集料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料,经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度,但是各级集料均为次级集料所隔开,不能直接靠拢而形成骨架,有如悬浮于次级集料与沥青胶浆之间。
  (2)骨架——空隙结构。当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时,由于这种矿质混合料递减系数较大,粗集料所占的比例较高,细集料较少,甚至没有。按此组成的沥青混合料中粗集料可以互相靠拢形成骨架,但由于细集料数量过少,不足以填满粗集料之间的空隙,因此形成“骨架——空隙结构”。这种结构的沥青混合料3 种试验结果表明,虽然具有较高的摩阻角,但粘聚力较低。
  (3) 密实——骨架结构。当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时,由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料,既有较多数量的粗集料可形成空间骨架,又有相当数量的细集料可填密骨架的空隙,因此形成“密实——骨架结构”。这种结构的沥青混合料3 种试验结果表明,不仅具有较高的摩阻角,而且具有较高的粘聚力。
  由此可见,沥青混合料的结构特性与其材料组成、材料的力学性能及各组成成分之间的相对位置密切相关。当组成沥青混合料结构特点的各种因素发生变化时,混合料的特性也会随之发生改变。上述3 种结构的沥青混合料由于结构常数不同,反映在稳定性上亦有显著的差异。
  1.3.3 沥青混合料的强度沥青混合料的强度是其抵抗外力作用且不发生变形破坏的能力。构成沥青混合料强度的因素包括两方面,即颗粒间的内摩阻力和嵌挤力,以及沥青与矿料间的粘结力和沥青内聚力。不同级配组成的沥青混合料,具有不同的空间结构,也就具有不同的摩阻力和粘结力,因而沥青混合料的结构组成对其强度构成又起着举足轻重的作用。
  影响沥青混合料强度的因素与构成沥青混合料结构特性的因素是一致的,这些因素对混合料强度也形成综合影响。
  (1) 沥青结合料。沥青结合料对混合料强度影响主要是沥青用量及沥青粘度。混合料强度与沥青用量有很大关系,在材料性能相同情况下,沥青用量过高或过低都会降低混合料强度。沥青用量过多时,则自由沥青过高,沥青膜厚,混合料中剩余空隙率太低,这样会使混合料强度降低;反之,如果沥青用量过少,则不足以形成较理想的沥青膜裹覆矿料,将矿料颗粒粘结在一起,故混合料强度较低,同时也缺乏足够的耐久性。
  (2) 矿质集料。矿质集料对混合料强度影响主要是矿料级配类型、矿料物理性质等。一般而言,具有良好级配的沥青混合料,既有坚实的矿质骨架,又有密实度相对较高,空隙含量适中的特点,因此其性质是最理想的。混合料中矿料的粗度、颗粒形状及其表面粗糙程度等对混合料有明显的影响。此外,矿质集料比表面积的大小对混合料强度有很大影响。
  2. SMA 的材料组成
  SMA 是由沥青玛蹄脂填充碎石骨架组成的混合料,具有以下特点:
  2.1 SMA 是一种间断级配的沥青混合料, 如SMA - 16.5 mm 以上的粗集料,主要是4.75~16mm 的粗集料比例高达70 %~80 % ,矿粉用量达8 %~13 % ,一般0.075 mm 的通过率高达10 % ,粉胶比远超出通常的1.2 限制,由此形成间断级配,很少使用细集料。最大粒径根据层厚通常为9.5mm ,13.2 mm ,16 mm 或19 mm。
  2.2 因加入较多的沥青,一方面增加矿粉用量,同时使用纤维作为稳定剂。通常用木质素纤维,也可采用矿物纤维。
  2.3 沥青结合料用量多。粘结性要求高,希望选用针入度小,软化点高,温度稳定性好的沥青。最好采用聚合物改性沥青,以提高低温变形性能及与矿料的粘结力,防止沥青析漏、减少感温性。
  2.4 SMA 不能完全依靠马歇尔配合比设计方法,马歇尔试件成型双面击实50 次,目标空隙率2 %~4 % ,稳定度不小于6.2 KN 的指标,沥青用量还可借助谢伦堡沥青析漏试验,卡塔堡集料飞散和车辙试验来确定。
  2.5 SMA 的材料质量要求比普通沥青混凝土高。粗集料必须特别坚硬,针片状颗粒少,细集料一般不用天然砂,最好采用坚硬人工砂,矿粉必须是磨细石灰石粉,最好不用回收粉尘。
  2.6 SMA 施工与普通沥青混凝土相比,拌和时间要适当延长,施工温度要提高,压实不宜用轮胎碾等。
  2.7 关于沥青及纤维的组合通常有改性沥青加纤维、仅用改性沥青不加纤维以及用重交沥青加纤维3 种做法,各有其特点和适应性。
  综合SMA 的特点,可以归纳为3 多1 少(粗集料多,矿粉多,沥青多,细集料少) ,掺纤维增强剂,材料要求高,从而使得材料的使用性能全面提高。
  3. SMA 的强度形成机理
  在SMA 的材料组成中,4.75 mm 以上粗集料占70 %以上,混合料中粗集料相互之间的接触面或支撑点很多,沥青玛蹄脂(Mastic) 部分仅填充了粗料之间的空隙,交通荷载主要由集料骨架承受,因而SMA 的抗剪能力主要取决于嵌挤力和内摩阻力,即中值,也就是说SMA 的高温稳定性主要取决于小值。
  沥青混合料中嵌挤力与内摩阻力的大小,主要取决于矿质集料的尺寸均匀度,颗粒形状及表面粗糙度。SMA 作为一种间断级配混合料, 4.75~9.5mm 之间的粗集料占40 %左右,远高于普通密级配。那么,SMA 混合料中,矿质颗粒粗大、均匀,而普通密集配混合料中矿质颗粒尺寸较小而不均匀,因此前者将获得更大的嵌挤力和内摩阻角。
  4. SMA的路用性能及其应用技术研究
  如前所述,SMA 对集料的扁平或细长颗粒有严格的限制,某些情况下,对磨光值均有严格的要求。这样,SMA 混合料骨料有棱角且表面粗糙,故内摩阻角大。即使在高温条件下,由于粗集料颗粒之间相互良好的嵌挤作用,混合料仍有较好的抵抗荷载变形的能力。简言之,SMA 良好的高温性能得益于其远高于一般混合料的中值。
  在低温条件下,混合料收缩变形使集料被拉开时,集料之间填充的丰富的沥青玛蹄脂发挥其良好的粘结作用。此时SMA 的抗拉能力主要取决于沥青胶结料的粘聚力c 值。沥青混合料的三级分散系中以沥青胶浆最为重要。SMA 混合料的该级分散系实际上是以高含量的矿粉(8 %~10 %) 和纤维(0.3 %~1.5 %) 分散在用量丰富(6.0 %~7.0 %) 甚至掺和聚合物而提高稠度的沥青介质之中的微分散系。由高含量的矿粉、纤维和沥青组成的沥青玛蹄脂具有远高于普通密级配混合料的粘结作用。这主要是因为高矿粉用量和纤维导致与沥青相互作用的矿料比表面积增大,则结构沥青比例大,混合料的粘聚力也愈大。
  SMA 混合料中沥青用量虽然很大,但由于掺加纤维稳定剂,自由沥青用量得到控制。SMA 结构中沥青玛蹄脂良好的粘结力c 值使得混合料具有较好的低温性能[4 ]。
  5. 结语
  SMA 沥青玛蹄脂混合料是目前很好的一种新兴道路建筑材料,具有良好的经济效益和社会效益。
  
  参考文献
  [1] 方福森. 路面工程[M] . 北京:人民交通出版社,2010.
  [2] 沈金安. 改性沥青与SMA 路面[M]. 北京:人民交通出版社,1999.
  [3] 吕伟民,石红星,刘益群,等. SMA 混合料的力学性能[J] . 上海公路,2002.
  [4] 沈金安,沥青及沥青混合料路用性能,北京:人民交通出版社,2003.
  [文章编号]1006-7619(2011)07-08-704
  [作者简介] 陈超(1982.9-),男,职称:讲师,研究方向:土木与建筑工程。
  伍衡山,男,职称:教授,研究方向:土木与建筑工程。
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