SMA 混合料抗車轍性能的優(yōu)化研究

■李 明，李 惠，王彥偉，仉明坤 ■山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590

SMA 是由瀝青結(jié)合料、大量填料(礦粉)、少量細(xì)集料和纖維穩(wěn)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(yōu)良的高溫性能、抗滑性能、耐久性能被廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)和路面材料組成進(jìn)行，本文通過SMA 混合料的組成對其抗車轍性能進(jìn)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(fù)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(xiàn)象，公路的車轍主要有三類:壓密型車轍、磨耗型車轍、失穩(wěn)型車轍。車轍對行車安全有著重大影響，雨天會導(dǎo)致路面排水不良從而降低其抗滑能力，甚至?xí)?dǎo)致行車時的漂滑現(xiàn)象，冬季可能會因路面積水而結(jié)冰。此外，車轍還會導(dǎo)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(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，從而導(dǎo)致其他病害的發(fā)生。因此，車轍嚴(yán)重影響瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量和使用壽命。

2 穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)

瀝青混合料的抗車轍性能評價指標(biāo)多以永久變形實驗為主，一般分為三類:以室內(nèi)車轍實驗為代表的性能相關(guān)模擬實驗、模擬真實路面結(jié)構(gòu)行為的現(xiàn)場足尺寸實驗和以靜態(tài)和動態(tài)蠕變?yōu)榇淼幕诹W(xué)原理的試驗方法。我國現(xiàn)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(wěn)定度:

式中:DS——動穩(wěn)定度(次/min);

(D45-D60)——(t1-t2)時間內(nèi)板的車轍(mm)。

3 SMA 混合料影響動穩(wěn)定的指標(biāo)

3.1 礦料性質(zhì)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(xì)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(jié)構(gòu)，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(xì)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(wěn)定度的影響。混合料組成設(shè)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(jìn)行的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果如表2。

表1 混合料組成級配及參數(shù)

表2 SMA16Ⅰ、SMA16Ⅱ動穩(wěn)定度實驗結(jié)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(qiáng)，所以在混合料級配設(shè)計時適當(dāng)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(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)，它是瀝青用量的指標(biāo)之一，它的用量高低直接影響路面質(zhì)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(wěn)定度，結(jié)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(wěn)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(dāng)油石比達(dá)到7%時混合料抗車轍能力降低。所以，適當(dāng)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(zhì)輕的增強(qiáng)材料，能極大增強(qiáng)路面的力學(xué)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(jīng)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(zhì)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?fù)饺氲淖兓x用表3 的級配進(jìn)行試驗。動穩(wěn)定度變化如表5。

表5 不同纖維量的動穩(wěn)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(dāng)纖維量到達(dá)4.5%時混合料抗車轍能力降低。所以，適當(dāng)?shù)奶岣逽MA 混合料中纖維的含量有助于提高其抗車轍能力，同時，也應(yīng)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(jié)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(zhì)素纖維的SMA 混合料，動穩(wěn)定度明顯高于摻加礦物纖維的混合料。在木質(zhì)素纖維中，使用松散木質(zhì)素纖維的動穩(wěn)定度明顯高于顆粒狀木質(zhì)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(zhì)纖維的SMA 混合料抗車轍能力最好。

4 結(jié)論

(1)通過試驗數(shù)據(jù)對SMA 混合料的抗車轍性能研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(shè)計時可以調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)分析，可以看出在一定范圍內(nèi)隨著油石比的增加，動穩(wěn)定度數(shù)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(wěn)定度的影響較大，所以適當(dāng)提高混合料纖維含量對抗車轍性能有利。

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