任玉林

(中交第一公路勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

SMA混合料設(shè)計(jì)方法的探討

任玉林

(中交第一公路勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

摘 要:SMA結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性、耐久性和良好的表面特性引起國(guó)內(nèi)外公路、機(jī)場(chǎng)等結(jié)構(gòu)面層的廣泛應(yīng)用。SMA混合料作為新型的路面結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)的混合材料有很大差別，在設(shè)計(jì)方法上，單一傳統(tǒng)的馬歇爾法已不能適應(yīng)這種新型結(jié)構(gòu)材料的配制，必須研究新的設(shè)計(jì)方法，本文結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)SMA混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討和推廣。

關(guān)鍵詞:SMA混合料;馬歇爾試驗(yàn);車轍試驗(yàn);低溫抗裂性能試驗(yàn);瀝青最佳用量

瀝青混凝土路面以其造價(jià)低、施工方便、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)所重視。國(guó)外在修建的高等級(jí)公路中，85%以上為瀝青混凝土路面，我國(guó)已建成的高等級(jí)公路中，更有95%以上為瀝青混凝土路面。瀝青混凝土路面較之其它路面的優(yōu)勢(shì)使得未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)公路路面的主要材料將是以瀝青混凝土為主。因此，改善瀝青路面性能，對(duì)組成瀝青混凝土的各種材料進(jìn)行深入的研究，是非常必要的。

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stonematrixasphalt，簡(jiǎn)稱SMA)是一種由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂結(jié)合料填充間斷級(jí)配的粗骨料骨架間隙而組成的瀝青混合料。SMA瀝青瑪蹄脂混合料是當(dāng)前國(guó)際上公認(rèn)的一種抗變形能力強(qiáng)、耐久性能較好的瀝青面層混合料，由于粗集料的良好嵌擠，混合料有非常好的高溫抗車轍能力;同時(shí)由于瀝青瑪蹄脂的粘結(jié)作用，低溫變形性能和水穩(wěn)定性也有較多的改善;添加纖維穩(wěn)定劑，使瀝青結(jié)合料保持高粘度，其攤鋪和壓實(shí)效果較好;間斷級(jí)配在表面形成大孔隙，構(gòu)造深度大，抗滑性能好;同時(shí)混合料的空隙又很小，耐老化性能及耐久性都很好。因此，我國(guó)在首都機(jī)場(chǎng)路，北京長(zhǎng)安大街及近年建設(shè)的多條高速公路面層中均采用了一定數(shù)量的SMA瀝青混合，使用效果非常好。

SMA的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)可概括為“三多一少，即粗集料多、礦粉多、瀝青多、細(xì)集料少”。SMA瀝青混合料5mm以上的粗集料比例高達(dá)70%～80%，礦粉的用量達(dá)7%～13%，“粉膠比”超出通常值1.2的限制，很少使用細(xì)集料;瀝青用量甚至高達(dá)6.5%～7%，粘結(jié)性要求高，并希望選用針入度小、軟化點(diǎn)高、溫度穩(wěn)定性好的改性瀝青。隨著我國(guó)對(duì)SMA瀝青混合料的進(jìn)一步研究，這種新型的SMA瀝青混合料必將得到更廣泛的推廣和使用。

1 集料的選擇

1.1 集料的性質(zhì)要求

鑒于粗集料在混合料內(nèi)起骨架作用，且SMA混合料暴露在表面的粗集料顆粒遠(yuǎn)大于瀝青混凝土，粗集料顆粒更易直接受到動(dòng)荷的作用。所以，粗集料(2.36 mm以上)必須是強(qiáng)度高、耐磨光、耐磨耗、耐久性高的巖石軋制而成，以便在材料受到車輪荷載作用時(shí)，顆粒之間的相互擠壓不致壓碎石料，表面的磨光、磨耗作用不致降低路面的抗滑性能。

粗集料顆粒的幾何形狀、表面特性對(duì)骨架會(huì)產(chǎn)生大的影響，近似立方體、表面粗造的顆粒骨架結(jié)構(gòu)能抵抗較大的車轍作用。而較多的針、片狀顆粒會(huì)使骨架結(jié)構(gòu)的緊湊性變差或在受到重荷時(shí)，針、片狀顆粒折斷，使混合料過(guò)早地產(chǎn)生內(nèi)部裂縫缺陷。一般針、片狀含量不應(yīng)大于20%。

粗集料的化學(xué)性質(zhì)要求比其它混合料寬松，因?yàn)闉r青用量大，即使某些硬度很高的酸性石料也可以用于SMA混合料。

礦粉一定是堿性礦料石灰?guī)r類磨細(xì)而成，這對(duì)混合料中有瑪蹄脂作用的高粘度瀝青膠漿是非常重要的。

1.2 集料的級(jí)配要求

現(xiàn)有德國(guó)規(guī)范中所規(guī)定的級(jí)配范圍太寬，實(shí)際選用時(shí)較為困難，美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)建議的級(jí)配范圍較窄，使用要方便些，但在4.75 mm以上的篩孔通過(guò)規(guī)定對(duì)公稱最大粒徑為16 mm的SMA-16顯得偏大，大顆粒少，不易充分發(fā)揮大顆粒在骨架中的重要作用。因此，在FHWA建議2.36 mm主要規(guī)定值基礎(chǔ)上，9.5 mm、13.2 mm應(yīng)參照德國(guó)規(guī)范做適當(dāng)調(diào)整。兩種級(jí)配范圍級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 建議SMA混合料礦料級(jí)配

根據(jù)當(dāng)?shù)亓显?，選擇合適級(jí)配的原則是，盡可能采用高含量的粗集料，使其形成均勻的骨架結(jié)構(gòu)，即4.75 mm通過(guò)量約為30%，2.36 mm約為20%，0.075 mm約為10%，并與合適瀝青用量(如6%左右)所形成混合料的殘留空隙率在2% ～4%范圍內(nèi)。

2 穩(wěn)定劑的使用

由于SMA混合料的瀝青用量大、礦粉含量高，且礦粉與瀝青構(gòu)成的膠漿在高溫下易產(chǎn)生離析，所以，混合料的穩(wěn)定性是必須的。纖維穩(wěn)定劑除起穩(wěn)定作用外，對(duì)提高抗車轍能力有利。從施工角度考慮，纖維穩(wěn)定劑未必是越多越好。木質(zhì)素纖維宜采用0.3%，必須在室內(nèi)架空堆放，嚴(yán)格防潮，保持干燥。礦質(zhì)纖維宜采用0.45%，易形成污染的石棉纖維應(yīng)盡可能不用。

3 瀝青的種類及瀝青最佳用量的確定

3.1 瀝青的種類

SMA混合料中的重要組成部分高粘瑪蹄脂瀝青膠漿，一是采用高含量的礦粉，二是要有粘度較高的瀝青予以保障。從工程中一些試驗(yàn)表明，粘度較高的改性瀝青與原瀝青反映出不同的效果。因此，粘度較高的瀝青是非常重要的。綜合前述各種性能隨瀝青粘度變化趨勢(shì)結(jié)果，西北地區(qū)應(yīng)采用AH-70左右的瀝青，或AH-90加適量改性劑的瀝青。改性瀝青的運(yùn)輸溫度不得低于150℃，保溫貯存溫度不得低于140℃，不得長(zhǎng)時(shí)間存放，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的改性瀝青，必須不問(wèn)斷地?cái)嚢?，以防改性劑離析。

3.2 瀝青最佳用量的確定

確定瀝青用量的主要程序是馬歇爾試驗(yàn)分析、車轍試驗(yàn)分析與低溫抗裂性分析，另外，還應(yīng)進(jìn)行疲勞性能分析。

(1)馬歇爾試驗(yàn)分析

馬歇爾試驗(yàn)的目的是檢測(cè)混合料試件的密度和空隙率，WMA、VCA、VFA等四大體積指標(biāo)，同時(shí)檢查馬歇爾穩(wěn)定值和流值。在采用與美國(guó)FHWA建議級(jí)配類似的礦料時(shí)，以包括6%在內(nèi)的4～5個(gè)瀝青用量成型馬歇爾試件，測(cè)定殘留空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度等指標(biāo)，以馬歇爾穩(wěn)定度最小值5.0 kN、空隙率2% ～4%為控制指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同氣候條件，特別是寒冷地區(qū)，因馬歇爾試驗(yàn)是在60℃的條件進(jìn)行的，對(duì)馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果加以修正，然后選定一個(gè)較窄的瀝青用量范圍，作為下一步車鍺試驗(yàn)分析的瀝青用量。

如果上述兩控制指標(biāo)不能滿足，則分析檢查原因，如屬材料方面的問(wèn)題，應(yīng)調(diào)整礦料級(jí)配，時(shí)其混合料密實(shí)度提高，或在規(guī)定的范圍內(nèi)提高礦粉用量以及改善礦粉質(zhì)量，或調(diào)整瀝青標(biāo)號(hào)、提高粘結(jié)力。

(2)車轍試驗(yàn)分析

以上述確定瀝青用量范圍為依據(jù)，并按相應(yīng)擊實(shí)馬歇爾試件密度制備車轍板進(jìn)行車轍試驗(yàn)分析。由于SMA混合料應(yīng)在那些超重交通量的公路上發(fā)揮作用，所以，參照日本對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的要求，取3 000次/mm動(dòng)穩(wěn)定度作為控制指標(biāo)，以確定滿足抗車轍性要求的瀝青用量。

(3)低溫抗裂性試驗(yàn)分析

SMA混合料在低溫抗裂性方面優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，要求混合料的瀝青用量達(dá)到一定的水平，所以，參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，取0℃下最小彎拉應(yīng)變能5.5J作為控制指標(biāo)，以確定滿足低溫抗裂性要求的最小瀝青用量。

把握好上述三個(gè)方面的選擇、控制和檢驗(yàn)工作，一定能夠確定瀝青最佳用量，設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的SMA混合料，確保路面材料的使用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

SMA路面表面粗糙，高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和耐久性好，可避免早期損壞、減少維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，且能延長(zhǎng)使用壽命。盡管初期投資有所增加，對(duì)施工工藝要求較高，但仍將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前SMA混合料的材料、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)已較成熟，用以改善高速公路和城市道路切實(shí)可行。道路現(xiàn)場(chǎng)取樣的試驗(yàn)結(jié)果與道路目前良好的使用狀況說(shuō)明SMA混合料非常成功的。將改性瀝青技術(shù)與SMA路面技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有效地?cái)U(kuò)展了這種瀝青混合料的溫度穩(wěn)定域，使SMA路面耐溫性能與耐久性能均有很大提高。

目前我國(guó)在SMA使用推廣方面存在一些偏頗傾向，幾乎所有工程均直接將其用于鋪筑路面表面層，而我國(guó)高速公路瀝青路面向來(lái)是表面層不薄，中、下面層不厚的。實(shí)際上，SMA本來(lái)應(yīng)該僅僅作為抗水、抗磨耗層使用，國(guó)外技術(shù)規(guī)范大多將SMA列為主要的薄層罩面材料，另一種常用的磨耗層是OGFC。對(duì)此，我們有必要深刻反思，避免將SMA路面技術(shù)研究的本土化，演變成SMA材料使用的中國(guó)化。針對(duì)SMA優(yōu)良的使用性能，建議在中國(guó)開(kāi)展長(zhǎng)壽命瀝青路面研究中，可以考慮將其作為首選的表層罩面材料，其上疏下密的組織結(jié)構(gòu)對(duì)路面水的封阻效果十分出色，這對(duì)路面早期水損害的防治具有重要意義。

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［1］余叔藩.SMA路面設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTGF40-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ 052-2000)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E42-2005)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］李銀螢.城市道路SMA瀝青混凝土路面配合比設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［J］.中外建筑，2009:141-143.

中圖分類號(hào):U414

B

1008-3383(2011)06-0119-02

收稿日期:2011-05-13

作者簡(jiǎn)介:任玉林(1962-)，男，高級(jí)工程師、主要從公路勘察設(shè)計(jì)方面的工作。