摘要：
为提高城市快速路改造工程中 SMA 沥青混合料性能，以沥青 － 骨料界面粘接增强为核心开展配比优化，在 SMA 沥青中加入钢纤维材料，并对其配比优化后的性能进行分析。结果表明，掺入钢纤维的 SMA沥青混合料在抗车辙、低温抗裂方面，分别为 6 500 次/mm 和 3 750 uε。导致粘接界面损伤，水稳定性偏弱，但在抗疲劳性方面较高。最后，除配比控制外，提出沥青混合料的施工全过程的质量控制策略，以此为快速路施工提供参考。
关键词：钢纤维; SMA 沥青混合料; 界面粘接; 施工工艺
沥青玛蹄脂碎石混合料( SMA) 作为一种常用的公路铺装材料，被广泛用于公路建设工程项目中，具备良好的耐磨抗滑以及抗高温车辙性能［1］。在该混合料中，其级配特征体现在沥青及粗集料多、细集料少，具有抗疲劳、抗滑耐磨、抗车辙等优点。其中的纤维稳定剂作为重要的组成部分，可有效提升高低温性能，并通过对沥青的吸收抑制析漏，对于混合料 整 体 性 能 的 提 升 有 重 要 影 响［2］。如 张 飞( 2025) 等［3］将聚酯纤维掺入沥青混合料中，它可以改善沥青的变形能力、应力松弛能力等; 郭 倩( 2025) 等［4］通过综述的方式，分析了玄武岩纤维在改善沥青混合料性能方面的情况，表明玄武岩纤维可改 善 抗 车 辙 性、抗裂性与水稳定性。史 英 杰( 2025) ［5］则将钢渣加入沥青中，它改善了沥青材料的抗车辙性能。本研究基于上述经验，尝试用钢纤维替换纤维材料，从而在提高沥青混合料性能的同时，减少沥青混合料的成本。
1 试验部分
1． 1 主要原材料
( 1) 沥青。在制备钢纤维 SMA － 13 沥青混合料过程中，主要使用了 70 #石油沥青，并参考 JTGE20—2011 开展常规性能检测。其中，沥青的各项性能指标如表 1 所示。
( 2) 集料及矿粉。采用了石灰岩集料与矿粉，且这些集料需要满足粒径的要求，具体为 1 mm ～16 mm。同时，对基本性能进行检测，确保集料各项性能指标满足要求。
1． 2 钢纤维 SMA － 13 沥青混合料配合比
在配合比设计上主要参考了 JTG D50—2017 规定的 SMA － 13 沥青混合料粒径中值［6-7］。且以钢纤维替换石灰岩集料( 4． 75 mm ～ 16 mm) 。3 种钢纤维 SMA － 13 沥青混合料级配如表 2 所示。
1． 3 沥青混合料路用性能试验
通过沥青混合料路用性能试验验证高温抗车辙、疲劳性能等指标是否符合要求，分析掺加不同类型纤维的 SMA － 13 沥青混合料性能的差异性。在试验之前先确定最优的沥青、纤维掺量以及矿料级配，具体采用了马歇尔试验配合比设计方法［8-10］。
1． 3． 1 高温抗车辙性能
以 60 ℃动稳定度为评价指标，评价方式为车辙试验( JTG E20—2011) ［11］。
1． 3． 2 低温抗裂性能
以试件破坏时的最大弯拉应变为评价指标，评价方式为弯曲试验( JTG E20—2011) 。
1． 3． 3 水稳定性能
以冻融劈裂强度比为评价指标，评价方式为冻融劈裂试验( JTG E20—2011) 。
1． 3． 4 疲劳性能
以荷载加载循环次数( 弯曲劲度模量减小至初始弯曲劲度模量的 50% ) 为评价指标，评价方式为四点弯曲疲劳寿命试验( JTG E20—2011) ，应变设置为 400 με。
2 结果与分析
2． 1 高温抗车辙性能
在高温抗车辙性能试验中，分别将钢纤维、木质素纤维、聚酯纤维掺入沥青混合料内，并对不同混合料的动稳定度进行测定。结果如图 1 所示。
由图 1 可知，掺加不同纤维之后的沥青混合料动稳定度是不同的，由高到低分别是钢纤维、聚酯纤维、木质素纤维。结果表明，相对于其他两种纤维材料，掺加钢纤维达到了最高的动稳定度，意味着在改善高温抗车辙性能上达到了最优的效果，其他两种纤维材料的掺加也起到了一定的改善效果，有助于提高 SMA － 13 沥青混合料的高温抗车辙性能。针对上述结果进行分析，发现主要与两方面因素有关:首先，掺加纤维之后会形成特殊的纤维胶浆，使骨料间自由 沥 青 的 黏 度 提 高，降低自由沥青的流动性［12］; 其次，纤维与骨料之间的粘接力受到影响而增大，从而进一步提高了沥青混合料的力学性能。对于钢纤维而言，主要是因为其在纤维长度和断裂强度方面优于其他两种纤维材料，所以掺入沥青混合料中可更显著地提升高温抗车辙性能。
2． 2 低温抗裂性能
在研究过程中通过弯曲试验对比沥青混合料掺入不同纤维之后的低温抗裂性能，分析不同混合料在性能上的差异性。具体结果如图 2 所示。
由图 2 可知，掺加不同纤维材料的最大弯拉应变是不同的，由高到低依次是钢纤维、聚酯纤维、木质素纤维，可知相对于其他 2 种纤维，钢纤维改善低温抗裂性能的效果最明显，其他两种纤维的掺加也起到了一定的改善效果。针对上述现象进行分析，发现主要与如下因素有关: 在沥青混合料内掺加纤维之后发挥了一定的加筋作用，且钢纤维的加筋效果最显著，有效提高了沥青混合料的抗拉强度，从而改善了低温抗裂性能［13］。
2． 3 水稳定性能
通过冻融劈裂试验验证掺加不同纤维之后沥青混合料的水稳定性能，分析不同混合料在性能上的差异性。结果如图 3 所示。
由图 3 可知，掺加不同纤维之后的冻融劈裂强度比是不同的，由高到低分别是木质素纤维、钢纤维、聚酯纤维。结果显示，相对于其他两种纤维，掺加木质素纤维可以更好地改善沥青混合料的水稳定性。针对上述结果进行分析，发现主要与木质素纤维的特殊结构有关，可以更好地分散到骨料内，填充骨料空隙的效果更佳，制约了水分渗入混合料内部的过程，由此可以提升抗劈裂强度。
2． 4 疲劳性能
通过四点弯曲疲劳寿命试验验证不同纤维掺加之后对沥青混合料疲劳性能的影响，分析不同混合料在性能上的差异性。试验结果如图 4 所示。
由图 4 可知，掺加不同纤维之后的 SMA － 13 沥青混合料的疲劳寿命次数存在明显的差异性，由高到低依次是钢纤维、木质素纤维、聚酯纤维。针对上述现象进行分析，发现主要与如下因素有关: 相对于其他两种纤维，钢纤维具备更平滑的表面，更易于分散到骨料中，均匀性较好。由于对沥青的吸收能力较低，掺加沥青混合料之后可以得到较高含量的自由 沥 青，这对提升疲劳寿命产生了 积极的影响［14-15］。另外，掺加木质素纤维的混合料在疲劳性能上也优于聚酯纤维，这与其特殊的空间结构有关，在吸收沥青后构建了独特的空间网络，在一定程度上降低了空隙率，提高了对重复载荷的抵抗能力，由此能够有效改善疲劳性能。
3 钢纤维 SMA －13 沥青混合料施工工艺优
3． 1 工程概况
本研究以某新建公路为例，分析钢纤维 SMA －13 沥青混合料的应用效果，由于公路所处环境条件复杂，车辆较多，且常年降水多，温度较高，这对于沥青路面的抗车辙以及抗渗水性能提出了较高的要求。综合考虑，项目采用了钢纤维 SMA － 13 上面层。钢渣源于附近某钢铁集团的固体废料，改性后取代优质石料( 4． 75 mm ～ 16 mm) ，在满足路面性能要求的同时有效降低了成本，由此可以达到较高的综合效益。
3． 2 钢纤维 SMA －13 沥青混合料生产及运输
钢纤维 SMA － 13 沥青混合料的生产主要基于级配 3。由于铁元素广泛存在于钢纤维中，热传导性能较强，有助于提高加热的效率。除此之外，在混合料运输以及摊铺过程中，也会受到上述因素的影响而降低压实的效果。综合考虑这些问题，需要对拌和时间进行合理调整，可以通过增加集料干拌和、湿拌和时间，分别延长 10 ～ 15 s、15 ～ 20 s，可有效降低混合料温度散失的速度，促进集料和沥青之间的粘接。使钢渣孔隙得到更大程度的填充，由此能够改善摊铺的效果。然而，在延长拌和时间后也可能会影响到拌和机的效率。因此必须将上述因素综合考虑在内，科学设计拌和以及摊铺计划，防止施工进度受到影响。钢纤维 SMA － 13 沥青混合料拌和完成之后应尽快使用。另外，混合料运输之前需要先对车辆进行全面检查，避免车厢内存在杂质等成分。车厢清理干净之后，将专用的防黏剂涂覆到车厢内，防止混合料与车厢接触，减少对混合料的污染。在装料结束之后应尽快运输，按照最优的线路快速将混合料运输到施工现场，避免由于过快的温度散失而影响性能。在抵达施工现场之后需要先检测料温，符合相关要求之后有序卸料。
3． 3 摊铺及碾压
相对于 普 通 沥 青 混 凝 土 路 面，摊 铺 钢 纤 维SMA － 13沥青混合料的流程基本相同，摊铺温度基本处于 160 ～ 180 ℃。考虑到可能发生的冷黏问题，需要先适当预热熨平板，保持 120 ℃的温度，然后才能摊 铺。摊 铺 过 程 中 主 要 采 用 ＲP2405 摊 铺 机( 2 台) ，为了防止出现冷缝，两台设备之间应避免过于靠近，始终保持 5 m ～ 10 m 的作业间隔。除了上述要求之外，还需要对摊铺速度进行合理的设置，应综合考虑作业环境、设备性能等因素，一般将摊铺速度设置为 2． 0 ～ 4． 0 m /min。在摊铺的初期应保持较低的速度，后续随着摊铺工作的进行，可以适当提高摊铺速度，但是应避免速度过快影响摊铺的质量。碾压作为一道关键的工序，将对钢纤维 SMA －13 沥青混合料的应用效果产生直接影响。通常，将其划分为 3 个不同的阶段，分别是初压、复压、终压，各个阶段使用的设备以及操作要求存在一定的差异性。其中，初压主要是实现对沥青混合料的整平，便于继续进行复压。该过程中主要利用了轻型钢轮压路机，需要从两侧向中部逐步碾压推进，速度控制在1． 5 ～ 2． 0 m /min，温度应不低于 120 ℃。初压结束之后即可进行复压，可以将混合料压实，这对最终的路面质量有直接影响。该过程中采用双钢轮振动压路机，反 复 碾 压 4 ～ 6 遍，速 度 保 持 在 2． 0 ～2． 5 m /min，温度应不低于 90 ℃。最后需要进行终压，可以进一步提高路面的平整性，需要采用双轮钢筒压路机反复碾压数次( 不低于 2 次) ，速度保持在1． 0 ～ 1． 5 m /min，温度应不低于 70 ℃。值得注意的是，各个阶段对于温度的控制至关重要，应对温度予以合理的控制，确保和 JTG F40—2004 中的规定保持一致。
3． 4 试验段施工质量评价
基于一些量化指标对试验段施工质量进行评价，判断是否满足施工质量的要求。结果显示，试验段上面层压实度以及构造深度的均值分别达到了98． 471% 、1． 87 mm; 摩擦系数、渗水系数、空隙率分别是 68 BPN、65 mL /min 、4． 69% ，上述结果均符合规定的限值要求，这表明钢纤维 SMA － 13 上面层具备了良好的性能，在实际工程领域体现出较好的应用前景。
4 结语
综上，通过在传统的 SMA － 13 沥青中加入钢纤维，得出掺入后其表现出良好的抗车辙性能、低温抗裂性能等，进而得出通过钢纤维的加入可提高沥青混合料的综合性能。之所以其可以提高，是与钢纤维自身的特点有很大的关系。但是，研究只是初步探讨和对比了钢纤维和其他纤维，后续还需要进行更多的试验。
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原创作者：代睿楠( 中铁上海工程局集团 市政环保工程有限公司，上海 200436)。
