高温多雨区SMA沥青混合料配合比设计研究

胡小兵 张弟华

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056； 2.中交(长沙)建设有限公司 长沙 410023)

广东省基本位于公路自然区划VI、VII区，有着典型的高温多雨气候环境，夏季光照持续时间长，上半年多梅雨，下半年多暴雨。这一独特的气候环境对广东境内的道路交通带来了极大挑战。同时广东省对外贸易发达，车辆载重较大，重载交通的反复作用会加剧这一影响。在广东地区，多雨重载下，路表水浸入路面结构内部，极易迅速发展为脱空并引发相关伴发病害，严重影响路面行车的舒适性和安全性。同时湿热重载对沥青路面的高温稳定性能、水稳定性能和泌水性能都是极大的考验，因此对沥青混合料抗滑性能、高温稳定性能、水稳定性等方面提出了更高的要求，这是亟待解决的问题[1]。

虽然针对SMA沥青混合料的研究已有许多成果[2-4]，但结合具体地区和气候环境进行SMA混合料设计的研究仍不足。为了更好结合广东地区的高温多雨、交通量大等区域特点，探索符合实际需求的混合料配合比设计方法，本文设计了5组不同配合比方案的混合料，其中大粒径比例逐渐增大，中小粒径比例逐渐减小，在适当减小SMA混合料疲劳性能和低温性能的同时提高SMA混合料的设计强度和抗车辙性能，以研究这5种混合料中大粒径集料的比例对SMA混合料的路用与力学性能的影响。

1 原材料性能

1.1 沥青

选用某牌PG-76 SBS改性沥青，其各项技术指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的要求，其具体指标见表1。

表1 改性沥青性能指标

1.2 集料

粗集料由芙蓉石场生产,规格分别为>10～15、>5～10、>3～5、0～3 mm机制砂4档集料。细集料采用由芙蓉石场生产的规格为0～3 mm机制砂，按照规范试验章程测得集料各性能指标见表2，各项指标均符合设计要求。

表2 粗、细集料性能指标

1.3 填料

矿粉由五华县潭下镇君其石灰石厂提供，岩性为石灰岩；华润(封开)水泥有限公司生产的水泥用于本试验，检测得到矿粉、水泥各性能指标均满足设计要求。

1.4 纤维

采用德国瑞登梅尔父子公司生产的木质素纤维，其性能指标试验结果见表3。

表3 木质素纤维性能试验结果

2 沥青混合料配合比设计

根据工程需要，同时结合广东地区的独特气候环境与交通特点，选取SBS改性沥青进行SMA-13级配设计，选取沥青油石比为5.8%。

根据相关研究，改性木质纤维能提高SMA-13沥青混合料的高温性能、疲劳性能和水稳定性能，起到加筋、增黏和增韧作用，可全面提高SMA-13 沥青混合料的路用性能。本文为研究不同配合比对SMA沥青混合料力学性能的影响，提出5种配合比方案，其掺配比例见表4。

表4 各方案配合比掺配比例

3 SMA-13路用性能评价

3.1 水稳定性

根据JTG F40-2004中T0729规定的试验方法[5-6]，分别对这5种配合比的试件展开冻融劈裂试验，每种配合比制备3个试件，以测定SMA混合料试件在水损害发生前后劈裂破坏的程度比，从而评价和表征沥青混合料的抗水损性能。冻融劈裂试验结果见图1。

由表1可知，本次试验采用的5种不同配合比的SMA-13沥青混合料均拥有较好的水稳性能，其冻融劈裂强度比均满足规范要求(≥80%)。不同配合比方案的强度比从左至右依次减小，这表明大粒径集料含量增多会降低SMA混合料的水稳性能，但即使是大粒径含量最大的方案5依旧拥有85.5%的冻融劈裂强度比，依旧能够达到设计目标，适应广东地区多雨环境。

3.2 高温稳定性

通常采用车辙试验来测量和表征沥青混合料的高温稳定性。但由于广东地区不仅具有持续的高温天气产生路面车辙等病害，还伴随着多雨导致道路进一步产生水损坏。因此本次试验采用汉堡车辙试验来测试5种配合比的SMA混合料的高温稳定性。

试验采用意大利生产的汉堡车辙试验仪，按照AASHTO T324规范进行汉堡车辙试验。实验条件为60 ℃水浴，钢轮速度为52 次/min。试件持续加载直至试件产生20 mm变形或钢轮完成20 000次往复运动。本文选取作用次数10 000次下的车辙深度作为评价指标表征混合料的高温稳定性。汉堡车辙试验结果图见图2。

图2 汉堡车辙试验结果

由图2可见，大粒径配合比方案能够有效减小试验车辙深度，这表明该种配合比方案的SMA混合料具有更优秀的高温稳定性。这可能是由于更多的大粒径集料强化了SMA混合料的骨架作用，对结构强度提供更多支撑，因此其抗车辙的能力更为优秀。同时可以看出，方案三到方案四的减幅尤为明显，表明大粒径集料含量增加至方案四以上可能会具有更优秀的高温稳定性。

3.3 低温抗裂性

通常根据相应规范中T0715的试验方法采用低温弯曲试验评价SMA混合料的低温抗裂性能。试验结果见表5。

表5 低温弯曲试验结果

由表5可见，方案一的最大弯拉应变最大，弯曲劲度模量最小；方案五的最大弯拉应变最小，弯曲劲度模量最大。这表明大粒径集料含量越大，该种配合比的SMA混合料的低温抗裂性能越差。进一步分析数据可以得出，虽然5种配合比方案的最大弯拉应变均满足规范要求(≥2 500×10-6)，但方案五的最大弯拉应变仅为2 523×10-6，与规范规定的下限值太过接近，这表明该种配合比方案勉强满足规范要求，工程应用中不建议采用此种配合比方案。

3.4 抗疲劳性能

疲劳性能是沥青混合料的一大重要性能。沥青路面在行车荷载的长期反复作用下，容易产生疲劳破坏，因此需要对SMA混合料的抗疲劳性能展开分析。

本次试验采用UTM试验机对5种不同配合比的SMA混合料小梁试件进行四点弯曲疲劳试验。试验选择应变控制模式，由于沥青混合料在低温条件下更容易疲劳，因此选取试验温度为0 ℃以加快试验进程。应变水平选取300μm/m，四点弯曲疲劳试验结果图见图3。

图3 四点弯曲疲劳试验结果

由图3可见，方案一的SMA混合料具有最高的疲劳寿命，且约为具有最低疲劳寿命的方案五的1.6倍。这表明增加大粒径集料含量对沥青混合料的疲劳性能是不利的，因此实际考虑配合比方案时需要在各种性能中寻找平衡。进一步分析数据可以发现，方案一的疲劳寿命约为方案四的1.25倍，而集料粒径增大至方案五时增大为1.6倍。因此可以认为集料粒径由方案一增大至方案四时，疲劳寿命略有降低，粒径进一步增大时SMA混合料的疲劳寿命会急剧下降，因此建议使用集料粒径不大于方案四的配合比方案制备SMA混合料。

4 结论

1) 不同配合比方案下混合料的水稳性能无明显差异，大粒径集料含量的增加会略微降低SMA混合料的水稳性能，但依旧远大于规范要求的最小值。大粒径集料含量的增加会显著增强SMA混合料的高温稳定性，且在含量为方案四时增幅尤为明显。大粒径集料含量的增加会降低低温抗裂性和疲劳性能，但方案一与方案四的疲劳性能的差距也不明显，方案五的低温抗裂性勉强满足规范要求，不建议采用此种配合比方案。

2) 采用方案四为目标配合比可极大增加SMA混合料的高温稳定性，略微降低水稳性能和疲劳性能，而低温抗裂性能虽有降低但仍能满足规范要求，适合应用于广东地区高温多雨的环境。