王思源柳思婷

1.甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司；2.中國昆侖工程有限公司

1 引言

SMA路面起源于20世紀60年代的德國，全稱StoneMasticAsphalt，縮寫為SMA，它是一種新型的瀝青混合料結構，中文名為瀝青瑪蹄脂碎石混合料。該材料于20世紀90年代初引進中國，1993年在我國首都機場高速公路進行了首次應用，SMA路面材料現(xiàn)已作為目前我國高速公路路面的主要結構形式之一，在全國20幾個省、市、自治區(qū)進行了大量的應用。

2 材料特性

SMA是一種緊密嵌擠骨架密實結構，它是由瀝青、礦粉、纖維穩(wěn)定劑及細集料等組成的密實混合料。該材料為間斷級配，即各檔料的用量不是連續(xù)的，其特點是粗料多，細料少，其中瀝青瑪蹄脂填充于間斷級配粗集料的骨架間隙中。這種混合料具有很強的抗變形能力，以及很好的高溫抗車轍能力，由于其瀝青面層的綜合性能有了明顯的改善，使得材料的耐久性有了較大的提高。而且，在瀝青瑪蹄脂的黏結作用下，材料的低溫變形能力和水穩(wěn)定性也有了一定的改善。由于SMA材料的空隙率只有3%～4%，使得它幾乎不透水，因而水對該混合料的影響也比較小。同時由于粗集料占比高于70%，在壓實后的路面表面會形成構造深度大的空隙，從而大大提高路面的抗滑性能。而且該材料還有抗高溫變形能力強、抗開裂、疲勞性能良好，早期裂縫較少，耐久性好等特性。綜上所述，SMA混合料不透水，具有很強的抗水損壞能力，路面粗糙度大，具有很好的抗滑性能，同時能很好地降低行車噪聲，減少水霧及燈光反射，從而提高行車時的能見度。但該路面施工時要求較高的施工工藝，施工難度也比較大；對材料級配和瀝青用量變化比較敏感，經(jīng)常很小的變化，往往會導致路面施工質(zhì)量發(fā)生較大變化，相比其他材料施工成本也較高。

SMA路面宜在較高的溫度條件下施工，氣溫不宜低于15℃，不得低于10℃。改性瀝青SMA混合料出廠溫度為165℃～180℃，攤鋪溫度不低于160°，初壓溫度不低于150°，碾壓終了的表面溫度不低于90°。施工應配備的主要施工機械包括：（1）瀝青混合料拌和機：配有熱貯料倉，單機產(chǎn)量宜不少于240t/h，增加纖維（必要時和消石灰）投放口；（2）攤鋪機：履帶式攤鋪機2臺以上；（3）壓路機：重型振動壓路機3～4臺，10t雙鋼輪壓路機1～2臺。

3 項目概況

某高速公路地處甘肅東部地區(qū)，全長66.75km，屬于典型的山區(qū)高速公路，路線整體走向由西北向東南，工程區(qū)地勢由西北向東南降低。項目區(qū)域?qū)儆跍貛Ц珊?、半干旱氣候區(qū)，該氣候區(qū)總的特征為南濕、北干、東暖、西涼，由于受地形和海拔高度等的影響，項目區(qū)內(nèi)氣候垂直差異明顯，氣溫變化也較為劇烈，河谷、川地夏季較炎熱，冬季比較寒冷。工程區(qū)內(nèi)降雨量在年內(nèi)分配極不平衡，降雨量主要集中在6～8月份，且東南部降水多，西北部降水少。原施工圖設計的主線路面結構為：4cmSUP-13上面層+6cmSUP-20中面層+8cmATB-25下面層+封層+35cm水穩(wěn)基層+20cm水穩(wěn)底基層。

4 SMA與SUP瀝青混合料特點及性能比較

4.1 特點

SMA瀝青瑪蹄脂碎石，是間斷級配，即各檔料的用量不是連續(xù)的，該材料具有細料少，粗料多，高用油量，多礦粉的特點。其中添加的纖維以起到了給骨架加筋的效果。使得其骨架結構變得密實。SUP高性能瀝青混凝土，是一種連續(xù)級配材料，它和AC級配非常接近，其混合料是一種懸浮密實型結構。但在實驗室進行級配設計時，通常采用體積設計法，即旋轉(zhuǎn)壓實的方法，因而其級配曲線是不能通過的。

4.2 優(yōu)缺點

SMA優(yōu)點:具有比較強的高溫抗變形、抗開裂、抗疲勞能力，且很少出現(xiàn)早期裂縫，具有良好的耐久性；空隙率小幾乎不透水，具有較強的抗水損壞能力；材料表面構造大，使路面的具有較好的抗滑能力；同時能很好地降低行車噪聲，減少水霧及燈光反射，從而提高行車時的能見度。

SMA缺點：對施工工藝的要求較高，具有一定的施工難度；對材料級配和瀝青用量變化比較敏感，經(jīng)常很小的變化，往往會導致路面施工質(zhì)量發(fā)生較大變化，相比其他材料施工成本也較高。

SUP優(yōu)點：其材料密實性較好，具有較強的抗車轍能力，構造深度較高；混合料的瀝青用量相比SMA材料較小，具有相對較低的造價，施工工藝成熟，施工難度不高。

SUP缺點：其路用性能、抗水損害能力相比SMA路面較差。

4.3 指標比較

根據(jù)表1已建成高速公路SMA路面與SUP路面的技術指標比較可以得出以下結論。

表1 SMA與SUP技術指標比較

（1）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13的粗集料含量相比SUP-13瀝青混合料，有了顯著提高。（2）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13在馬歇爾穩(wěn)定度、低溫抗裂方面略優(yōu)于SUP-13瀝青混合料。（3）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13相比SUP-13瀝青混合料，其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)、構造深度等方面占有一定的優(yōu)勢。（4）在疲勞耐久性方面，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13中粗集料的空隙被瀝青膠漿進行了充分的填充，從而獲得了較小的空隙率，以及很高的柔韌性，因而其疲勞耐久性較高。SUP-13瀝青混合料中雖然也有含量較高的粗集料，但由于較低含量的瀝青膠漿，使得細集料膠漿的含量也相應地減少，從而改變了瀝青混凝土的勁度模量，導致出現(xiàn)了硬化的趨勢。瀝青混凝土的疲勞耐久性很大程度上受勁度模量的影響。所以，受級配組成的影響，SUP-13瀝青混合料的疲勞耐久性相對SMA混合料略差一些。（5）受構造深度的影響，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13的抗滑性能相對較好，而SUP-13瀝青混合料的抗滑性能略差。對瀝青路面來說，當具有較大的構造深度時，可以有效防止出現(xiàn)雨天高速行車時的“飄滑”現(xiàn)象，進而提高行車的安全性，同時可以延緩路面抗滑性能的衰減。（6）從施工工藝來看，SMA路面結構相對SUP路面結構施工技術要求較高，難度相對較大。（7）從總體上分析，SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料和SUP-13瀝青混合料的路用性能都較為出色，都是高等級公路路面良好的路面材料。但綜合性能方面SMA-13占優(yōu)。（8）經(jīng)濟方面比較，SMA路面結構較同等厚度SUP路面結構工程造價高，增加約20%～30%

5 優(yōu)化設計方案

SMA瀝青瑪蹄脂混合料是一種抗變形能力強、耐久性能好的瀝青面層混合料，在國內(nèi)外的道路工程中得到了廣泛的應用。該材料粗集料與細集料等的良好嵌擠，使得混合料具有較好的高溫抗車轍能力。同時受瀝青瑪蹄脂黏結作用的影響，混合料低溫變形性能和水穩(wěn)定性也有了顯著改善；纖維穩(wěn)定劑的添加，提高了瀝青混合料的黏度，能夠取得較好的攤鋪和壓實效果。特有的間斷級配在表面形成了構造深度大的大孔隙，提高了抗滑性能。很低的空隙率，使得耐老化性能及耐久性能都比較好。從而導致路用性能得到了全面改善和提高，延長了使用壽命，相應減少了養(yǎng)護維修費用，因而在公路、城市道路、機場跑道等工程領域得到迅速發(fā)展和廣泛應用，同時也積累了較為成熟的施工技術經(jīng)驗。

結合項目區(qū)氣候變化明顯、降雨集中且分布極不平衡等特點，為提高路面結構抗滑性，提高抗車轍抗疲勞等路用性能，解決低溫疲勞開裂問題，根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD 50—2017）對路面結構進行了瀝青混合料層疲勞開裂、無機結合料穩(wěn)定層疲勞開裂、瀝青混合料層永久變形量、季節(jié)凍土地區(qū)瀝青面層低溫開裂4項設計指標驗算，SMA路面相對于superpave路面高溫抗車轍、低溫抗開裂、表明抗滑性等路用性能更優(yōu)，且具有良好的水穩(wěn)定性和耐久性，因此將原設計4cm厚細粒式改性瀝青混合料（superpave-13）上面層優(yōu)化為4cm厚改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）。變更后主線路面結構：4cmSMA-13上面層+6cmSUP-20中面層+8cmATB-25下面層+封層+35cm水穩(wěn)基層+20cm水穩(wěn)底基層（見表2）。

注：表中土基回彈模量是平衡濕度狀態(tài)下經(jīng)干濕與凍融循環(huán)作用后的當量回彈模量。

6 相關技術指標及驗算

根據(jù)《工可報告》提供的預測交通量及交通量增長率，初始年大型客車和貨車雙向年平均日交通量（輛/日）3863,方向系數(shù)0.55，車道系數(shù)0.8，交通量年平均增長率7.23%，初始年設計車道大型客車和貨車年平均日交通量（輛/日）1699，設計使用年限內(nèi)設計車道累計大型客車和貨車交通量（輛）1.586226E+07,路面設計交通荷載等級為重交通荷載等級。

根據(jù)《工可報告》整體式貨車比例為54%，半掛式貨車比例為34%。根據(jù)整體貨車及半掛式貨車占比，確定車輛類型分布為TTC3型。根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD 50—2017）表A.3.3-3 2～11類車輛當量設計軸載換算系數(shù)計算得：

驗算無機結合料穩(wěn)定層疲勞開裂時設計使用年限內(nèi)設計車道上的當量設計軸載累計作用次數(shù)為2.728286E+09。

驗算瀝青混合料層永久變形量時通車至首次針對車轍維修的期限內(nèi)設計車道上的當量設計軸載累計作用次數(shù)為3.637082E+07。

驗算路基頂面豎向壓應變時設計使用年限內(nèi)設計車道上的當量設計軸載累計作用次數(shù)為6.391747E+07。

驗算結果如表3。

表3 路面結構設計指標驗算結果

7 結論

SMA混合料路面耐久性好，養(yǎng)護維修工作較少，使用壽命相對較長，具有很好的經(jīng)濟效益和綜合環(huán)境效益。結合項目區(qū)域地形變化較大，氣候的垂直差異明顯，氣溫變化較為劇烈，區(qū)內(nèi)降雨量在年內(nèi)分配極不平衡的實際情況，將原設計4cm厚細粒式改性瀝青混合料（superpave-13）上面層優(yōu)化為4cm厚改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），相關技術指標驗算對比有一定的提升，且滿足規(guī)范要求，達到了路面優(yōu)化設計的目的。相信通過科學合理的施工組織和技術管理，嚴格的施工質(zhì)量把控，通車運營后能取得較好的效果。

表2 路面結構及材料參數(shù)