SMA 混合料抗车辙性能的优化研究

■李 明，李 惠，王彦伟，仉明坤 ■山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590

SMA 是由沥青结合料、大量填料(矿粉)、少量细集料和纤维稳定剂组成的由沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架的间隙，组成一体的沥青混合料。它是一种骨架密实型间断级配沥青混合料，有着良好的性能。SMA 路面以其优良的高温性能、抗滑性能、耐久性能被广泛应用。SMA 路面性能改善但是许多病害还是无法根除，车辙问题就是其中的一种。通常情况下车辙问题的研究通过路面结构和路面材料组成进行，本文通过SMA 混合料的组成对其抗车辙性能进行研究。

1 SMA 路面车辙的形成及危害

车辙是在行车荷载的反复作用下，轮迹处比旁边有明显的凹陷或者沥青面层的压缩变形的现象，公路的车辙主要有三类:压密型车辙、磨耗型车辙、失稳型车辙。车辙对行车安全有着重大影响，雨天会导致路面排水不良从而降低其抗滑能力，甚至会导致行车时的漂滑现象，冬季可能会因路面积水而结冰。此外，车辙还会导致路面平整度下降，并且在辙槽处由于沥青面层减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而导致其他病害的发生。因此，车辙严重影响沥青路面的服务质量和使用寿命。

2 稳定度作为评价指标

沥青混合料的抗车辙性能评价指标多以永久变形实验为主，一般分为三类:以室内车辙实验为代表的性能相关模拟实验、模拟真实路面结构行为的现场足尺寸实验和以静态和动态蠕变为代表的基于力学原理的试验方法。我国现在评价抗车辙性能多以车辙试验为主，下面简单介绍车辙试验:车辙试件采用轮碾法成型，尺寸30cm ×30cm ×5cm，车轮接触压力为0.7Mpa，行走距离23cm，速度为42 次/min，试验温度60℃。由传感和记录装置得到时间—变形曲线，分别在曲线上取45min 和60min 时的变形D45和D60，按下式计算动稳定度:

式中:DS——动稳定度(次/min);

(D45-D60)——(t1-t2)时间内板的车辙(mm)。

3 SMA 混合料影响动稳定的指标

3.1 矿料性质及级配

选用坚硬、表面粗糙、形状接近立方体、棱角性好的粗、细集料对提高混合料性能有较大作用。SMA 矿料属间断级配，主要靠粗集料之间石—石接触和紧密嵌接而形成骨架结构，粗集料含量较多。其中4.75mm 以上粗集料的比例在70%以上，从抗车辙角度考虑粗级配沥青混合料的抗车辙性能比细级配好。

本文以实验的方法研究集料4.75mm 粒径通过率对动稳定度的影响。混合料组成设计:集料级配按4.75mm 通过率分为两类，将4.75mm 通过率大的成为Ⅰ型，通过率小的称为Ⅱ型(如表1)，对SMA16Ⅰ、SMA16Ⅱ两种混合料组成的路面进行的动稳定度试验结果如表2。

表1 混合料组成级配及参数

表2 SMA16Ⅰ、SMA16Ⅱ动稳定度实验结果

由表2 可以看出4.75mm 粒径通过率小的SMA16Ⅱ混合料抗车辙能力明显大于4.75mm 粒径通过率大的SMA16Ⅰ混合料抗车辙能力，即粗集料含量大一些的混合料抗车辙能力强，所以在混合料级配设计时适当增加粗集料含量有助于提高混合料的抗车辙能力。

3.2 油石比

油石比是沥青混合料中沥青与矿料质量比的百分数，它是沥青用量的指标之一，它的用量高低直接影响路面质量。本文选定SMA 矿料级配如表3，通过车辙试验测得在3‰纤维含量、不同油石比下混合料的动稳定度，结果如表4。

表3 选定SMA 材料的级配

表4 3‰纤维含量不同油石比下的动稳定度

通过试验测得在3%纤维含量油石比在5.0%-6.5%之间时混合料抗车辙能力随油石比增大而增大，当油石比达到7%时混合料抗车辙能力降低。所以，适当增加SMA 混合料油石比有助于提高其抗车辙能力。

3.3 混合料中的纤维含量及纤维的种类

纤维作为一种高温、耐久质轻的增强材料，能极大增强路面的力学性能和使用寿命，纤维通常分为硬纤维和软纤维两类。硬纤维通常是指经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维，软纤维是由合成纤维制成的，目前路用纤维主要集中在木质纤维、聚合物纤维和矿物纤维三大类，为了检验SMA 混合料的抗车辙性能随纤维素掺入的变化，选用表3 的级配进行试验。动稳定度变化如表5。

表5 不同纤维量的动稳定度变化

由表5 看出本试验SMA 混合料中纤维量在3.0%-4.0%之间时，随纤维量的增加抗车辙能力也随之提高，当纤维量到达4.5%时混合料抗车辙能力降低。所以，适当的提高SMA 混合料中纤维的含量有助于提高其抗车辙能力，同时，也应该控制其中纤维的含量。

接下来通过车辙试验研究纤维种类对混合料抗车辙性能的影响，试验结果如表6。

表6 纤维种类对路面抗车辙性能的影响

由表6 可以得出松散木质素纤维的SMA 混合料，动稳定度明显高于掺加矿物纤维的混合料。在木质素纤维中，使用松散木质素纤维的动稳定度明显高于颗粒状木质素纤维的混合料。从本试验可以看出不同种类的纤维对SMA 混合料的抗车辙能力有比较大的影响，其中加入木质纤维的SMA 混合料抗车辙能力最好。

4 结论

(1)通过试验数据对SMA 混合料的抗车辙性能研究，发现混合料级配、混合料的油石比、混合料中纤维材料的含量及纤维材料的种类对SMA 混合料的抗车辙能力有着重要的影响;

(2)对SMA 路面矿料性质及级配的分析研究，4.75mm 粒径集料的通过率对车辙性能的影响较大，在混合料级配设计时可以调节粒径在4.75mm 以上集料的通过率来减少SMA 路面的车辙问题;

(3)通过对油石比的数据分析，可以看出在一定范围内随着油石比的增加，动稳定度数逐渐降低。因此在SMA 路面中，能够通过选择合理的油石比减少车辙问题;

(4)通过研究分析混合料中的纤维含量及纤维的种类，可以看出纤维的含量对动稳定度的影响较大，所以适当提高混合料纤维含量对抗车辙性能有利。

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