不同拌和溫度下的SMA-13瀝青混合料性能分析

摘要 為探究瀝青混合料配制過(guò)程中拌和溫度對(duì)混合料性能的影響效果，文章分別將拌和溫度設(shè)置為160℃、170℃、180℃，制作瀝青混合料試件并測(cè)試其性能。結(jié)果顯示，SMA-13瀝青混合料試件的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度等參數(shù)隨拌和溫度提升而逐漸增加，同時(shí)混合料的流值、礦料間隙率、空隙率等參數(shù)逐漸降低；拌和溫度為170℃時(shí)，SMA-13瀝青混合料各方面性能均處于較高水平，為最優(yōu)的拌和溫度；疲勞壽命隨拌和溫度的提升表現(xiàn)出前期增長(zhǎng)、后期降低的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 SMA-13瀝青混合料；拌和溫度；性能研究

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0180-03

0 引言

SMA系瀝青混合料屬于一種間斷級(jí)配骨架的密實(shí)性混合料，混合料中的粗骨料發(fā)揮嵌擠作用并形成空間骨架結(jié)構(gòu)，而瀝青瑪蹄脂則填充骨架中的空隙，進(jìn)一步強(qiáng)化結(jié)構(gòu)密實(shí)性[1-2]。該類瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和防水性能，目前已廣泛應(yīng)用于道路工程實(shí)踐中[3-4]。

目前，相關(guān)部門針對(duì)SMA系瀝青混合料的工程應(yīng)用已制定相關(guān)規(guī)范，如《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2023）明確了瀝青混合料的壓實(shí)溫度和拌和溫度等參數(shù)，但不同道路工程的施工現(xiàn)場(chǎng)狀況存在差異，且所用材料種類、周邊環(huán)境條件等均不同。受諸多外界因素影響，完全按照規(guī)范開展瀝青混合料的配制，可能導(dǎo)致混合料質(zhì)量難以受控[5-6]，無(wú)法取得預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)。

拌和溫度是直接影響瀝青混合料物理力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。鑒于此，該文以SMA-13瀝青混合料為例，分析不同拌和溫度下混合料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能及疲勞性能。

1 工程概況

某工程為雙向四車道的市政公路，全長(zhǎng)9.26 km，取其中某一試驗(yàn)段開展試驗(yàn)性施工，試驗(yàn)路段長(zhǎng)400 m，路面上面層寬度及厚度分別為12 m和4 m；采用SMA-13瀝青混合料，在拌和廠內(nèi)進(jìn)行集中拌和，然后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)械攤鋪。

2 材料及級(jí)配

2.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用粗集料為輝綠巖，取自當(dāng)?shù)靥烊徊墒瘓?chǎng)，包含粒徑為2.36～2.7 mm顆粒、4.7～9.5 mm顆粒和9.5～13.2 mm顆粒，分別記為1#、2#和3#。所用細(xì)集料為天然河砂中砂。粗集料、細(xì)集料各項(xiàng)主要性能指標(biāo)均符合工程規(guī)范要求。

試驗(yàn)中所用礦粉為石灰石礦粉，采購(gòu)自當(dāng)?shù)夭墒瘓?chǎng)，質(zhì)量符合規(guī)范要求。

實(shí)驗(yàn)中采用SBS改性劑制備瀝青，改性劑用量以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，測(cè)試改性瀝青混合料性能指標(biāo)，結(jié)果均符合規(guī)范要求，具體結(jié)果如表1所示：

實(shí)驗(yàn)中所用纖維均為木質(zhì)素纖維，類別為絮狀木質(zhì)素纖維，纖維用量為瀝青混合料質(zhì)量的0.4%，纖維各項(xiàng)性能均符合工程規(guī)范要求。

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

工程實(shí)踐中可能對(duì)改性瀝青混合料產(chǎn)生影響的因素繁多，其中混合料配合比設(shè)計(jì)會(huì)直接影響材料性能，此處取礦粉：水泥：粗骨料1#∶粗骨料2#∶粗骨料3#=8∶2∶11∶33.5∶45.5作為改性瀝青混合料的配合比，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定最佳的油石比，結(jié)果為5.9%，級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示：

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

3.1 物理力學(xué)性能

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單一變量為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)，在測(cè)試SMA-13瀝青混合料拌和溫度與性能之間關(guān)聯(lián)性時(shí)存在一定的差異性。當(dāng)前學(xué)界開展相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)需要以等黏溫度原則為基礎(chǔ)確定壓實(shí)溫度，而《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對(duì)壓實(shí)溫度進(jìn)行了修正，但改性瀝青拌和溫度依舊存在一定誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果略高于實(shí)際水平。鑒于此，該文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析SMA-13瀝青混合料經(jīng)不同拌和溫度制備下的物理性能差異。

實(shí)驗(yàn)中所用拌和溫度為160℃、170℃、180℃，所用材料為前文配置的SMA-13瀝青混合料，分別通過(guò)雙面擊實(shí)法成形配置馬歇爾試驗(yàn)各3個(gè)，以《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，開展平行試驗(yàn)并取同一組結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

（2）結(jié)果及討論

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示，以混合料穩(wěn)定度、空隙率和流值為例繪制相應(yīng)的發(fā)展曲線，如圖1～2所示：

結(jié)合分析數(shù)據(jù)可知，SMA-13瀝青混合料的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度均隨拌和溫度增長(zhǎng)而逐漸提升，同時(shí)礦料間隙率、空隙率則逐漸降低，說(shuō)明拌和溫度的提升有助于改善SMA-13瀝青混合料的性能發(fā)展。但同時(shí)在拌和溫度增長(zhǎng)過(guò)程中，SMA-13瀝青混合料流值先增加后降低，而馬歇爾穩(wěn)定度則先降低后增加，其中拌和溫度取170℃條件下混合料的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大、流值達(dá)到最小，此時(shí)混合料的礦料間隙率、飽和度、穩(wěn)定度等參數(shù)也能夠保持適中水平。由此可見，170℃拌和溫度下配置的SMA-13瀝青混合料性能能夠處于較好水平。

究其原因在于，SMA-13瀝青混合料配置拌和過(guò)程中，環(huán)境溫度過(guò)高容易導(dǎo)致部分瀝青材料提前老化，同時(shí)會(huì)加劇瀝青混合料的溫度離析問(wèn)題，而瀝青黏度受溫度影響的幅度隨拌和溫度的提升而逐漸削減，而拌和溫度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致瀝青難以充分發(fā)揮潤(rùn)滑作用，不利于結(jié)構(gòu)性能。綜合考慮，推薦采用170℃為拌和溫度配置SMA-13瀝青混合料。

3.2 疲勞性能

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在車輛荷載反復(fù)作用下，SMA-13瀝青混合料路面將受應(yīng)力循環(huán)作用的影響。如果路面結(jié)構(gòu)已存在一定損傷，則會(huì)在循環(huán)荷載作用下不斷擴(kuò)張并最終破損，導(dǎo)致瀝青混合料疲勞破壞，即使路面結(jié)構(gòu)此前并無(wú)損傷，也會(huì)受循環(huán)荷載作用而逐漸形成微小裂縫并蔓延，最終形成疲勞裂縫。該文設(shè)計(jì)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，探究不同拌和溫度下SMA-13瀝青混合料的疲勞性能，對(duì)比各組混合料的性能差異。

結(jié)合前文配比制作400 mm×300 mm×75 mm試件，并在室溫條件下養(yǎng)護(hù)，12 h后取出并切割成小梁試件，尺寸規(guī)格為380 mm×63.5 mm×50 mm。結(jié)合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定要求，取疲勞當(dāng)量下最不利溫度15℃為試驗(yàn)溫度，以正弦波波形施加荷載，取最大加載值的30%、40%和50%分別設(shè)置相應(yīng)的加載應(yīng)力等級(jí)。結(jié)合前文拌和溫度的試驗(yàn)結(jié)果，取170℃為拌和溫度制作試件并進(jìn)行彎拉試驗(yàn)，計(jì)算彎拉強(qiáng)度為8.2 MPa，取該數(shù)值為疲勞荷載加載數(shù)值。測(cè)試各組試件在分級(jí)加載不同載荷條件下的疲勞次數(shù)，分析試件疲勞壽命和應(yīng)力水平之間的關(guān)聯(lián)性，所得結(jié)果即可用于表征SMA-13瀝青混合料的疲勞性能，具體可通過(guò)如下方程計(jì)算：

（1）

式中，Nf——試件疲勞破壞時(shí)荷載的加載次數(shù)（次）；σf——循環(huán)加載的應(yīng)力數(shù)值（MPa）；n和k——瀝青混合料特性及成分決定的常數(shù)。

式（1）中的n和k兩種常數(shù)，可間接表示混合料試件的疲勞性能，其中試件疲勞性能隨k增加而呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)；疲勞曲線斜率為常數(shù)n，瀝青混合料試件對(duì)應(yīng)力的敏感性隨n的增加而提升，而混合料抗疲勞性能則下降。

（2）結(jié)果及討論

疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

由表4可知，拌和溫度為固定值條件下，不同荷載水平作用下的SMA-13瀝青混合料疲勞壽命表現(xiàn)出明顯差異，其中荷載水平較低時(shí)混合料試件的疲勞壽命顯著延長(zhǎng)。而應(yīng)力水平相同條件下，混合料試件疲勞壽命隨拌和溫度提升而表現(xiàn)出前期增長(zhǎng)、后期降低的發(fā)展趨勢(shì)。其中，應(yīng)力水平為0.3時(shí)，拌和溫度為170℃下制備的試件比160℃下的疲勞壽命高出5 000次以上，且比180℃下的疲勞壽命高出4 000次以上。由此可見，拌和溫度為170℃時(shí)制備的SMA-13瀝青混合料具有較強(qiáng)的抗疲勞性能。

取170℃拌和條件下制備的瀝青混合料試件進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)一步分析應(yīng)力倒數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果如圖3所示：

結(jié)合圖3中信息可知，疲勞壽命和應(yīng)力的倒數(shù)之間為正相關(guān)關(guān)系，SMA-13瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)力的倒數(shù)增長(zhǎng)而逐漸提升，其中0.3倍應(yīng)力下的混合料試件疲勞壽命大約為0.5倍應(yīng)力時(shí)的14倍水平。由此可見，重載、超載車輛通行會(huì)對(duì)SMA-13瀝青混合料路面的疲勞性能產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)語(yǔ)

SMA-13瀝青混合料試件的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度等參數(shù)隨拌和溫度提升而逐漸增加，同時(shí)混合料的流值、礦料間隙率、空隙率等參數(shù)逐漸降低。

拌和溫度取170℃時(shí)的SMA-13瀝青混合料各方面性能均處于較高水平。

拌和溫度的變化會(huì)直接影響瀝青混合料的疲勞性能，在外加應(yīng)力幅度相同條件下，疲勞壽命隨拌和溫度提升而表現(xiàn)出前期增長(zhǎng)、后期降低的發(fā)展趨勢(shì)，其中拌和溫度為170℃時(shí)SMA-13瀝青混合料試件的疲勞性能達(dá)到較高水平。

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