石灰岩与玄武岩集料SMA高温特性研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇石灰岩与玄武岩集料SMA高温特性研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：为对比石灰岩与玄武岩两种岩性集料对sma混合料高温性能的影响，采用玄武岩、石灰岩两种岩性集料配制了3种组合SMA混合料。通过弯曲蠕变试验评价了3种SMA混合料的高温稳定性，建立了相应的Burgers模型，并分析了不同集料组合对其高温性能的影响。结果表明，玄武岩集料SMA的高温性能最优，其次为玄武岩与石灰岩混合集料SMA，最后为石灰岩集料SMA。
关键词：玄武岩；石灰岩；SMA；弯曲蠕变；高温性能
中图分类号：O522 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
SMA对石料的质量要求十分严格，在我国尤其是山东省主要采用性能优异的玄武岩。随着我国高速公路的大量修建，对玄武岩的需求越来越大。而玄武岩的大量开采、加工不仅严重破坏了资源，而且成本较高。有些地区甚至缺乏玄武岩，而不得不远运外购，造成沥青混合料的造价居高不下。玄武岩的力学性能指标（如压碎值、耐冲击性、磨光值等）虽然优于石灰岩，但与沥青的粘附性不如石灰岩。如二者混合使用，既可发挥二者的优势，又能降低工程成本，节约资源。基于此，本研究选用玄武岩、石灰岩两种岩性集料配制3种组合SMA混合料：（1）玄武岩集料SMA，粗、细集料全部采用玄武岩；（2）石灰岩集料SMA，粗、细集料全部采用石灰岩；（3）玄武岩与石灰岩混合集料SMA，即粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩。本研究重点研究3种SMA混合料的高温性能，分析不同岩性集料对其高温抗车辙性能的影响，为石灰岩集料在SMA中的合理应用提供技术参考。
1试验材料与性能
1.1集料
粗集料、细集料分别采用石灰岩与玄武岩两种类型。为减少试验误差与矿料级配设计的准确性，将所有的集料筛分为单粒径集料，并全部水洗、风干。试验选用的石灰岩、玄武岩两种集料的粗、细集料均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中沥青混合料高速公路及一级公路表面层用粗集料技术要求[9]。
1.2 沥青
沥青采用SBS改性沥青，符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》聚合物改性沥青SBS类（Ⅰ类）D级技术要求。
1.3 其他材料
矿粉使用石灰石磨细的石粉，其表观相对密度为2.691；纤维使用木质素纤维，表观相对密度为1.013，两种材料的其他性能指标均满足技术规范要求。
2 试验设计
2.1 SMA混合料设计
3种SMA的初始矿料级配设计为《公路沥青路面施工技术规范》规定的级配范围中值，为使它们的高温性能评价具有可比性，并简化试验过程，本研究在进行配合比设计时未完全按照规范给定的配合比设计流程，而是依据估算方法与现场经验确定沥青含量为5.9%[1]。在保证矿料级配粗骨架基本相同的前提下，通过调整级配曲线的尾部（小于4.75mm的级配曲线），使3种SMA沥青混合料压实后的关键体积指标（如空隙率、矿料间隙率等）基本一致，此过程经过了多次级配的调整，最终3种沥青混合料在油石比相同、粗骨架结构相同的情况下，压实后混合料的关键体积参数是基本相同的。同时，依据SMA设计技术要求，采用沥青析漏试验、飞散试验等对配合比进行了验证，均满足技术规范要求。
表1 三种设计SMA混合料体积指标
2.2 试验方案
按照前述确定的级配与沥青用量，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011所述轮碾法制作沥青混合料试件[3]，然后按试验规程T0728-2000中规定的方法，将轮碾成型后的试件切成长250mm，宽30mm，高35mm的棱柱体小梁，每种方案各制作5根，本次试验共使用15根进行试验，其中9根用于弯曲蠕变试验，6根用于弯曲试验。
沥青混合料弯曲蠕变试验是测定规定尺寸的小梁试件在规定温度和加载应力水平条件下弯曲蠕变的应变速率，以评价沥青混合料的变形性能[2]。本试验在专用的蠕变试验机上进行，试验温度为40℃。 按照规程首先由弯曲试验确定破坏荷载P，经测试，三种SMA试件的破坏荷载均为100N左右，故弯曲蠕变试验施加的荷载取为10N（规程规定为破坏荷载的10%）。试验过程按照现行规程T0728-2000方法要求执行。
3 试验结果与分析
3.1 试验蠕变曲线
沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，在高温下发生显著的蠕变现象，它可分为瞬时蠕变（蠕变随时间的增大而减小），稳态蠕变（蠕变速率几乎为一常数）和加速蠕变（蠕变速率随时间迅速增大）3个阶段[4]。
加速蠕变阶段的时间（玄武岩集料SMA约为3 300s，石灰岩集料SMA约为1 800s，玄武岩与石灰岩混合集料SMA约为2 000s）可以直观的判断：石灰岩集料SMA最先破坏，其次为玄武岩与石灰岩混合集料SMA，最后为玄武岩集料SMA，实际试验过程亦是如此。由此可以定性的判定3种SMA高温性能优劣次序为玄武岩集料SMA >玄武岩与石灰岩混合集料SMA >石灰岩集料SMA。
3.2 Burgers模型建立
众多学者的试验与研究发现，在黏弹性流体模型中，Burgers模型可以较好的反映沥青混凝土的黏弹性特性，同时对于蠕变模拟精度较高。本研究采用Burgers模型来模拟3种SMA混合料的高温蠕变特性。Burgers模型的蠕变方程式为
,
利用最小二乘法原理且借助于数据分析软件Matlab的自带函数Isqcurvefit进行迭代求解得到4个粘弹性参数，4个黏弹性参数拟合值以及松弛时间与延迟时间。
分析可知玄武岩集料SMA抵抗瞬时弹性变形的能力最好，其次是玄武岩与石灰岩混合集料SMA，最差的是石灰岩集料SMA；玄武岩集料SMA抵抗流动变形能力强。从流变学观点分析，在40℃温度下，材料的松弛时间长，表明抗永久变形能力强，而延迟时间长，则表明材料的变形发展缓慢，蠕变变形小[5]。玄武岩集料SMA的松弛时间与延迟时间都比较长，证明其确有较好的抗高温性能。
3.3 弯曲蠕变速率
高温弯曲蠕变曲线中蠕变稳定阶段的蠕变速率可用来评价沥青混合料的高温抗变形能力，蠕变速率越小，表明沥青混合料抵抗高温变形的能力越强；反之亦然。
根据规程给定的弯曲蠕变速率计算式，分别计算3种SMA共9根试件稳态蠕变阶段的弯曲蠕变速率，可以看出，玄武岩集料SMA的弯曲蠕变速率最小，说明其抵抗高温永久变形的能力最大；相反，石灰岩集料SMA的弯曲蠕变速率最大，其抵抗高温变形的能力最小。主要原因在于玄武岩集料的抗压强度、针片状颗粒含量等指标均优于石灰岩集料，在制作车辙板试件过程中，由于轮碾压力的重复作用，石灰岩集料SMA试件有大量集料破碎现象，引起粗骨架结构不稳定。另外，在制作小梁试件时，石灰岩集料SMA也容易在切割方向引起粗集料破碎，从而在断面处有多处集料破裂面。在高温荷载作用下，石灰岩集料SMA小梁在蠕变过程中易在集料破裂面处引起应力集中，导致高温变形加剧，使其提前进入加速破坏阶段，从而造成石灰岩集料SMA高温抗变形能力较差。
4结论
（1）弯曲蠕变试验的时间挠度曲线表明，3种SMA混合料的高温性能优劣次序为玄武岩集料SMA >玄武岩与石灰岩混合集料SMA >石灰岩集料SMA。
（2）建立了3种SMA混合料Burgers模型方程，并依据方程的黏弹性参数对比分析了3种SMA高温性能差异。
（3）以弯曲蠕变速率为指标的方差分析表明，玄武岩集料SMA与石灰岩集料SMA的高温性能有显著性差异，而玄武岩集料SMA与玄武岩与石灰岩混合集料SMA的高温性能无显著性差异。
参考文献
沈金安.改性沥青与SMA路面[M].北京:人民交通出版社,1999.
申爱琴,王娜,李明国,等.高速公路SMA混合料高温稳定性及影响因素[J].长安大学学报:自然科学版,2006,26(1):1-7.
李智,张肖宁,徐伟.不同石料SMA沥青混合料高温性能评价[J].公路,2006(12):168-171.
魏建明,王书延,刘红琼.沥青混合料高温稳定性蠕变试验研究[C]//第二届华东公路发展研讨会,2007,乌鲁木齐:华东公路
陈富强,宋永朝,陈富坚.SBS改性沥青混合料高温性能多指标综合评价[J].同济大学学报:自然科学版,2009,37(10):1345-1348,1359.