SMA 混合料抗車轍性能的優化研究

■李 明，李 惠，王彥偉，仉明坤 ■山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590

SMA 是由瀝青結合料、大量填料(礦粉)、少量細集料和纖維穩定劑組成的由瀝青瑪蹄脂填充于間斷級配的粗集料骨架的間隙，組成一體的瀝青混合料。它是一種骨架密實型間斷級配瀝青混合料，有著良好的性能。SMA 路面以其優良的高溫性能、抗滑性能、耐久性能被廣泛應用。SMA 路面性能改善但是許多病害還是無法根除，車轍問題就是其中的一種。通常情況下車轍問題的研究通過路面結構和路面材料組成進行，本文通過SMA 混合料的組成對其抗車轍性能進行研究。

1 SMA 路面車轍的形成及危害

車轍是在行車荷載的反復作用下，輪跡處比旁邊有明顯的凹陷或者瀝青面層的壓縮變形的現象，公路的車轍主要有三類:壓密型車轍、磨耗型車轍、失穩型車轍。車轍對行車安全有著重大影響，雨天會導致路面排水不良從而降低其抗滑能力，甚至會導致行車時的漂滑現象，冬季可能會因路面積水而結冰。此外，車轍還會導致路面平整度下降，并且在轍槽處由于瀝青面層減薄，削弱了面層及路面結構的整體強度，從而導致其他病害的發生。因此，車轍嚴重影響瀝青路面的服務質量和使用壽命。

2 穩定度作為評價指標

瀝青混合料的抗車轍性能評價指標多以永久變形實驗為主，一般分為三類:以室內車轍實驗為代表的性能相關模擬實驗、模擬真實路面結構行為的現場足尺寸實驗和以靜態和動態蠕變為代表的基于力學原理的試驗方法。我國現在評價抗車轍性能多以車轍試驗為主，下面簡單介紹車轍試驗:車轍試件采用輪碾法成型，尺寸30cm ×30cm ×5cm，車輪接觸壓力為0.7Mpa，行走距離23cm，速度為42 次/min，試驗溫度60℃。由傳感和記錄裝置得到時間—變形曲線，分別在曲線上取45min 和60min 時的變形D45和D60，按下式計算動穩定度:

式中:DS——動穩定度(次/min);

(D45-D60)——(t1-t2)時間內板的車轍(mm)。

3 SMA 混合料影響動穩定的指標

3.1 礦料性質及級配

選用堅硬、表面粗糙、形狀接近立方體、棱角性好的粗、細集料對提高混合料性能有較大作用。SMA 礦料屬間斷級配，主要靠粗集料之間石—石接觸和緊密嵌接而形成骨架結構，粗集料含量較多。其中4.75mm 以上粗集料的比例在70%以上，從抗車轍角度考慮粗級配瀝青混合料的抗車轍性能比細級配好。

本文以實驗的方法研究集料4.75mm 粒徑通過率對動穩定度的影響。混合料組成設計:集料級配按4.75mm 通過率分為兩類，將4.75mm 通過率大的成為Ⅰ型，通過率小的稱為Ⅱ型(如表1)，對SMA16Ⅰ、SMA16Ⅱ兩種混合料組成的路面進行的動穩定度試驗結果如表2。

表1 混合料組成級配及參數

表2 SMA16Ⅰ、SMA16Ⅱ動穩定度實驗結果

由表2 可以看出4.75mm 粒徑通過率小的SMA16Ⅱ混合料抗車轍能力明顯大于4.75mm 粒徑通過率大的SMA16Ⅰ混合料抗車轍能力，即粗集料含量大一些的混合料抗車轍能力強，所以在混合料級配設計時適當增加粗集料含量有助于提高混合料的抗車轍能力。

3.2 油石比

油石比是瀝青混合料中瀝青與礦料質量比的百分數，它是瀝青用量的指標之一，它的用量高低直接影響路面質量。本文選定SMA 礦料級配如表3，通過車轍試驗測得在3‰纖維含量、不同油石比下混合料的動穩定度，結果如表4。

表3 選定SMA 材料的級配

表4 3‰纖維含量不同油石比下的動穩定度

通過試驗測得在3%纖維含量油石比在5.0%-6.5%之間時混合料抗車轍能力隨油石比增大而增大，當油石比達到7%時混合料抗車轍能力降低。所以，適當增加SMA 混合料油石比有助于提高其抗車轍能力。

3.3 混合料中的纖維含量及纖維的種類

纖維作為一種高溫、耐久質輕的增強材料，能極大增強路面的力學性能和使用壽命，纖維通常分為硬纖維和軟纖維兩類。硬纖維通常是指經過拉、拔、軋、切工藝制作的鋼纖維，軟纖維是由合成纖維制成的，目前路用纖維主要集中在木質纖維、聚合物纖維和礦物纖維三大類，為了檢驗SMA 混合料的抗車轍性能隨纖維素摻入的變化，選用表3 的級配進行試驗。動穩定度變化如表5。

表5 不同纖維量的動穩定度變化

由表5 看出本試驗SMA 混合料中纖維量在3.0%-4.0%之間時，隨纖維量的增加抗車轍能力也隨之提高，當纖維量到達4.5%時混合料抗車轍能力降低。所以，適當的提高SMA 混合料中纖維的含量有助于提高其抗車轍能力，同時，也應該控制其中纖維的含量。

接下來通過車轍試驗研究纖維種類對混合料抗車轍性能的影響，試驗結果如表6。

表6 纖維種類對路面抗車轍性能的影響

由表6 可以得出松散木質素纖維的SMA 混合料，動穩定度明顯高于摻加礦物纖維的混合料。在木質素纖維中，使用松散木質素纖維的動穩定度明顯高于顆粒狀木質素纖維的混合料。從本試驗可以看出不同種類的纖維對SMA 混合料的抗車轍能力有比較大的影響，其中加入木質纖維的SMA 混合料抗車轍能力最好。

4 結論

(1)通過試驗數據對SMA 混合料的抗車轍性能研究，發現混合料級配、混合料的油石比、混合料中纖維材料的含量及纖維材料的種類對SMA 混合料的抗車轍能力有著重要的影響;

(2)對SMA 路面礦料性質及級配的分析研究，4.75mm 粒徑集料的通過率對車轍性能的影響較大，在混合料級配設計時可以調節粒徑在4.75mm 以上集料的通過率來減少SMA 路面的車轍問題;

(3)通過對油石比的數據分析，可以看出在一定范圍內隨著油石比的增加，動穩定度數逐漸降低。因此在SMA 路面中，能夠通過選擇合理的油石比減少車轍問題;

(4)通過研究分析混合料中的纖維含量及纖維的種類，可以看出纖維的含量對動穩定度的影響較大，所以適當提高混合料纖維含量對抗車轍性能有利。

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