基于SMA－13 級配的重載交通瀝青路面設計及性能分析

王英帥 ，萬 超

（1.鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南 鄭州450000；2.河南工業貿易職業學院，河南 鄭州450000）

0 引言

道路基礎建設的迅猛發展極大的促進了交通網絡的聯通，交通量的持續增長對道路服役產生一定負擔，尤其是重載交通環境，更會對道路產生嚴重變形破壞?，F有路面結構常采用改性AC 密實級配瀝青混合料作為面層結構，其抗變形能力較好，但在低溫重載環境下易產生開裂損傷，而SMA 和SUP 級配的骨架結構較為穩定，在重載交通環境下具有較好的性能表現［1－3］。王君［4］在低溫和高溫兩種不同環境下對AC－13 及SMA－13 兩種不同級配瀝青混合料進行沖擊荷載作用，認為SMA－13 混合料的抵抗沖擊的韌性更好； 何壯彬［5］研究了粗骨料摻量對SMA－13 瀝青混合料的性能影響，認為粗骨料的增加可增強高溫穩定性和施工和易性； 石紅星等［6］對AC－13 和SMA－13 兩種級配瀝青混合料的低溫性能進行研究，認為SMA－13 混合料的柔韌性好，低溫抗裂性更優； 關永勝等［7］分別在AC－13 和SMA－13 兩種級配瀝青混合料摻加橡膠瀝青進行改性，研究表明AC－13 橡膠改性瀝青混合料的高溫穩定性較好； 李艷玲等［8］對AC－13 和SMA－13 兩種瀝青混合料的抗老化性能進行研究，認為AC－13 瀝青混合料的抗老化性更強。上述研究表明： AC－13 和SMA－13 兩種不同級配瀝青混合料的性能各有優缺點，為進一步探究重載交通環境下不同級配的適用性，研究在道路結構設計的基礎上對兩類級配瀝青混合料的路用性能進行研究，旨在促進重載交通路面的綜合服役質量。

1 面層結構分析比選

關于道路結構的設計，不同國家和地區會根據其所處的地理位置、氣候條件及交通發展水平做出一定適用性調整，道路結構的設計主要包括瀝青層、基層及底基層的材料及厚度選?。?－10］。上面層是直接與路面行車荷載相接觸的層位，受雨水沖刷侵蝕影響，面層結構需具備較好的抗滑性能，研究一般采用改性瀝青混合料作為上面層材料，要求具備較好的感溫性、耐久性，常貴的上面層結構及其優缺點如表1 所示。

表1 上面層不同結構材料技術特征Table 1 Technical characteristics of different structural materials in the upper layer

目前道路上面層結構主要以傳統SMA－13 和AC－13 為主，Sup－13 和OGFC－13 級配是根據道路技術水平提升，為滿足特定道路使用要求所設計的結構。SMA－13 瀝青混合料的孔隙率較小，由于需要木質素等纖維材料來達到內部穩定效果，需消耗較多的瀝青用量，其在抗裂、抗車轍、抗水損傷等方面均存在較好的表現。而AC－13 密實型級配瀝青混合料，其內部骨料均能實現較好的嵌擠作用，整體的強度和穩定性較好。而Sup－13和OGFC－13 在高溫抗變形、抗裂等方面交SMA－13 和AC－13 仍存在一定差異。

2 原材料與試驗方案

2.1 礦料

研究選用的骨料存產自湖北，粗集料為普通石灰巖，細集料為玄武巖，填料為礦粉，礦料的粒徑分布較為均勻，干凈無明顯雜志，粗集料的壓碎值和磨耗值符合道路施工技術要求，礦料的技術指標如表2 所示。

2.2 SBS 改性瀝青

研究采用SBS 改性瀝青分別制備SMA－13 和AC－13 瀝青混合料，瀝青的技術指標如表3 所示。

表3 SBS 改性瀝青技術指標Table 3 Technical indexes of SBS modified asphalt

2.3 木質素纖維

木質素纖維是SMA 級配瀝青混合料中的穩定劑，主要是維系瀝青在混合料中的分布狀態，可改善瀝青混合料的路用性能，混合料拌合過程中摻量為0.4%，技術指標如表4 所示，其形貌如圖1 所示。

圖1 木質素纖維Fig.1 Lignin fiber

表4 木質素技術指標Table 4 Technical indicators of lignin

2.4 抗車轍劑

抗車轍劑（PR） 是一種灰色的固體顆粒，可顯著提高抗車轍能力、改善低溫抗裂性能，減少因交通荷載所造成的路面疲勞破壞。具有增稠－粘連－增韌作用，適用于重載交通瀝青路面，其技術指標如表5 所示，其形貌如圖2 所示。

圖2 抗車轍劑Fig.2 Anti－rutting agent

表5 抗車轍劑技術指標Table 5 Technical indexes of anti－rutting agent

2.5 試驗方案

研究對AC－13 及SMA－13 兩種級配分別進行摻和不摻抗車轍劑瀝青混合料的性能研究，其中，抗車轍劑的摻量為0.4%，AC－13 及SMA－13 級配曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 AC－13 級配曲線Fig.3 AC－13 grading curve

圖4 SMA－13 級配曲線Fig.4 SMA－13 grading curve

對兩種不同級配瀝青混合料的馬歇爾試件進行測試，試驗結果如表6 所示。

表6 不同級配瀝青混合料馬歇爾技術指標Table 6 Marshall technical indexes of different graded asphalt mixture

AC－13 級配與SMA－13 級配在油石比、穩定度及流值方面均存在一定差異，SMA 級配中添加了木質素纖維，具體吸油特性，需要消耗更多的瀝青來穩定混合料中集料的分布，而抗車轍劑PR的加入，也會在一定程度上增加油石比，且摻PR的瀝青混合料，其穩定度和流值均有一定增長。

3 瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩定性

重載交通會對瀝青面層產生一定變形損傷，在高溫環境下更會加劇路面的車轍病害。研究為探尋適用于重載交通環境的路面結構及材料，對相關性能進行探究。選用高溫車轍儀來模擬路面行車對瀝青混合料的車轍損傷，用動穩定度來具體進行量化表征，動穩定度越大，則表明高溫穩定性越好，路面車轍損傷程度越小，試驗結果如圖5 所示。

由圖5 可知，四種不同級配類型瀝青混合料的動穩定度值分別為2865 次／mm、3652 次／mm、3225 次／mm 和4265 次／mm，摻抗車轍劑的AC－13級配瀝青混合料動穩定度較普通瀝青混合料提升了27.47%，摻抗車轍劑的SMA－13 級配瀝青混合料動穩定度較普通瀝青混合料提升了32.25%，而SMA－13 （PR） 動穩定度較AC－13 （PR） 提升了16.79%。SMA－13 是一種由粗骨料嵌擠行形成的開級配混合料，由木質素纖維填充起到穩定作用，與此同時，木質素頁起到了材料內部加筋作用，可抵抗車輛荷載產生的變形開裂。而抗車轍劑的加入使得混合料的動穩定度進一步提升，抗車轍劑中的高黏組分能夠實現材料的黏彈性增強，材料通過相關嵌擠裹附，使得強度進一步提升。

3.2 水穩定性

高等級瀝青路面不僅要承受重載交通環境影響，還需要具備較好的抗滑和防水損傷性能，研究采用殘留穩定度和凍融劈裂強度比來探究四種不同類型瀝青混合料的水穩定性，試驗結果如表7所示。

將四種不同類型混合料的殘留穩定度劑凍融劈裂強度比繪制成圖分析，如圖6 所示。

圖6 瀝青混合料水穩定性Fig.6 Water stability of the asphalt mixture

根據圖6 可知，AC 級配瀝青混合料的水穩定性要優于SMA 級配，摻抗車轍劑PR 瀝青混合料水穩定性要優于不摻抗車轍劑瀝青混合料，其主要原因是： AC 級配是密實型級配，粗細骨料的骨架嵌擠作用十分明顯，在水損傷環境中，水分子的侵蝕不易對混合料的整體穩定性產生劣化影響，而SMA 級配是大骨料支撐結構，且通過木質素纖維進行瀝青、集料間的加筋和穩定作用，但木質素具有吸水特性，水分子侵蝕凈潤下，木質素易產生膨脹，削弱了其在混合料中裹附強度，水分子易沿內部孔隙進行滲透，進一步破壞結構的穩定性?？管囖H劑在混合料拌合過程中，受熱作用下化解為黏聚較高的聚合物，在一定程度上會增強集料間的黏聚作用。

3.3 低溫抗裂性能

高等級公路往往架設在空曠地域，受晝夜溫差影響，瀝青路面往往會受到低溫開裂影響，在重載交通環境下會進一步削弱材料的強度等級，研究對四種不同類型瀝青混合料的低溫開裂性能進行研究，采用低溫小梁試件在－10 ℃環境下進行破壞荷載施加，采用破壞應變指標來評價低溫抗裂性能，試驗結果如圖7 所示。

圖7 瀝青混合料低溫抗裂性Fig.7 Low－temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖7 可知，上述四類不同瀝青混合料中，摻抗車轍劑的SMA－13 級配瀝青混合料破壞應變最大，達到3925 uε，摻抗車轍劑的AC－3 級配瀝青混合料次之，破壞應變達到3562 uε，二者分別較不摻抗車轍劑的瀝青混合料提升20.62%和25.60%。說明SMA－13 級配的低溫抗裂性要優于AC－13 級配，抗車轍劑有利于提升材料的低溫抗裂性能。其主要是因為SMA－13 級配中采用了高用量改性瀝青和木質素纖維，二者可以充分與集料產生均勻融合，材料的黏度增強，提升了瀝青混合料抵抗外部荷載變形能力?？管囖H劑本質上高分子聚合物，在高溫環境下，黏聚物能夠與瀝青進行有效熔融反應，進一步增強材料的延展性，在低溫環境下材料產生開裂收縮破壞的風險有所降低。

3.4 抗疲勞性能

瀝青路面在長期的服役過程中會面臨疲勞損傷問題，疲勞損傷是瀝青路面在持續的開裂破壞下產生的集中性病害，會削弱瀝青路面的服役質量水平。研究對四種不同類型瀝青混合料的疲勞性能進行研究，采用四點彎曲荷載試驗來分析試件在650 uε 下的疲勞壽命，試驗結果如表8 所示。

表8 瀝青混合料疲勞壽命Table 8 Fatigue life of asphalt mixture

由圖8 可知，四種不同瀝青混合料的疲勞壽命存在一定差異，其中，摻抗車轍劑的SMA－13混合料疲勞壽命最大，達到222690 次，普通AC－13 混合料的疲勞壽命最小，達到161550 次。SMA－13 級配瀝青混合料在摻加抗車轍劑前后，其疲勞壽命提升了12.04%，而AC－13 級配提升了16.60%。說明抗車轍劑對提升混合料的疲勞壽命效果方面，AC－13 級配更加顯著。SMA－13 級配混合料的疲勞壽命要優于AC－13 級配，其主要原因是SMA－13 級配主要是由粗骨料嵌擠形成，骨架結構的穩定對維系瀝青路面的疲勞性能具有重要意義?？管囖H劑高聚合物材料有利用增強瀝青路面的疲勞性能，重載交通瀝青路面可根據道路服役需求進行科學合理使用。

圖8 疲勞壽命－勁度模量曲線Fig.8 Fatigue life－strength modulus curve

圖9 不同類型瀝青混合料無量綱數值Fig.9 Dimensionless values of different types of asphalt mixtures

3.5 混合料綜合性能分析

為進一步綜合比選不同類型瀝青混合料的差異性，研究采用無量綱化對試驗數據進行處理，結果如表9 所示。

表9 瀝青混合料無量綱化數據處理Table 9 Dimensionless data processing of asphalt mixtures

無量綱化后的數據表明，SMA－13 級配的動穩定度、破壞應變及疲勞壽命均優于AC－13 級配，而AC－13 級配在殘留穩定度和凍融疲勞強度比方面占據優勢?？管囖H劑材料的加入整體改善了瀝青混合料的路用性能。對各路用性能進行均等賦值并對不同級配瀝青混合料整體性能進行排序：SMA－ 13 （PR） ＞AC－13 （PR） ＞SMA－13 ＞AC－13。

4 結語

重載交通環境對瀝青路面有著更高的質量技術要求，傳統的密實型級配瀝青混合料易在長期荷載作用下產生車轍變形、路面開裂等問題。本文在對比現有路面結構的基礎上對比了摻加抗車轍劑前后AC－13 及SMA－13 級配的路用性能，研究表明SMA－13 級配在高溫穩定性、低溫抗裂性劑疲勞壽命方面更具優勢，而抗車轍劑能夠進一步增強相關材料的綜合性能。將抗車轍劑材料用于SMA－13 級配中可滿足重載交通路面服役需求，可延長道路使用壽命，具有較廣的應用推廣價值。