宋慶瑞

（山西省公路局 晉中分局，山西 晉中 030600）

0 引言

瀝青瑪蹄脂碎石（Stone Mastic Asphalt，SMA）是一種由瀝青瑪蹄脂分散填充于集料骨架間隙中而形成的瀝青混合料，其中瀝青瑪蹄脂通常由瀝青、纖維、礦粉和少量細(xì)集料組成。SMA路面具有良好的高、低溫穩(wěn)定性，水穩(wěn)性及抗滑性能，已被歐美等國(guó)家近半個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐所證實(shí)[1]。山西省多數(shù)區(qū)域?yàn)檫\(yùn)煤重載地區(qū)，全省交通運(yùn)輸具有通行量大、軸載重的特點(diǎn)；同時(shí)冬季寒冷、夏季炎熱的氣候狀況，為推廣應(yīng)用SMA路面提供了必要性。

SMA路面基本不滲水，是判定其鋪筑成功的重要指標(biāo)之一[1]。SMA路面滲水不僅嚴(yán)重影響通車安全，而且水分下滲引起瀝青混合料發(fā)生水損害，進(jìn)而威脅到路面結(jié)構(gòu)的整體性以及路用性能[2]。在車輛荷載反復(fù)作用下，滲入SMA路面內(nèi)部孔隙的水分產(chǎn)生“動(dòng)水壓力”，導(dǎo)致裹附于集料顆粒表面的瀝青膜發(fā)生剝離現(xiàn)象，進(jìn)而引起路面坑槽、汲漿等水損壞[3]。結(jié)合山西省某新建高速公路SMA路面滲水檢測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)SMA路面部分區(qū)段滲水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果偏大，實(shí)測(cè)值最大為636 mL/min，遠(yuǎn)超過規(guī)范[4]關(guān)于SMA路面路表滲水系數(shù)最大值的技術(shù)要求。鑒于此，該研究依托山西省多條高速公路SMA路面工程檢測(cè)項(xiàng)目，深入分析引起SMA路面滲水現(xiàn)象的原因，進(jìn)一步提出解決SMA路面滲水問題的相關(guān)技術(shù)措施，為其工程應(yīng)用與質(zhì)量控制提供借鑒。

1 路面滲水形式及成因

1.1 滲水形式

路面滲水現(xiàn)象其本質(zhì)為在瀝青混合料內(nèi)部存在一定數(shù)量的連通孔隙，水在一定壓力作用下進(jìn)入孔隙中，并通過連通孔隙在混合料內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。依據(jù)SMA路面現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)的水流走向，將其分為兩種典型形式：上下連通滲水（如圖1）、水平滲水（如圖2）。

圖1 上下連通滲水（單位：cm）

圖2 水平滲水（單位：cm）

路面“上下連通滲水”主要特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)層混合料內(nèi)部孔隙較大且連通性強(qiáng)，芯樣側(cè)面孔隙分布相對(duì)均勻；水流在結(jié)構(gòu)層內(nèi)從上至下滲透，同時(shí)伴隨一定程度水平滲水?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，滲水儀的底盤附近目測(cè)無較為明顯的水跡，但水柱下降較快。

路面“水平滲水”主要特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)層混合料內(nèi)部孔隙水平連通，且基本分布于路表1～2 cm深度范圍內(nèi)（芯樣如圖3）；水流在結(jié)構(gòu)層內(nèi)基本沿水平方向漫流，從表面孔隙進(jìn)入，水平傳輸后從表面孔隙溢出?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，滲水儀水柱下降相對(duì)比較快，滲水儀底盤附近目測(cè)出現(xiàn)大量的水跡且匯流成股?！八綕B水”常被誤判為“滲水儀密封性不良”，兩者有本質(zhì)區(qū)別：若滲水儀密封性不良，溢水點(diǎn)通常位于密封膠周圍（如圖4），而“水平滲水”的溢水點(diǎn)通常距密封膠一定距離，水流呈“從地下冒出”現(xiàn)象。

圖3 路表1～2 cm分布孔隙

圖4 密封性不良

1.2 成因分析

路面“上下連通滲水”主要成因之一為混合料級(jí)配不當(dāng)。SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其體積參數(shù)要求相當(dāng)嚴(yán)苛。理論上，在級(jí)配設(shè)計(jì)中以大于4.75 mm粒徑的粗集料構(gòu)成混合料的“嵌擠骨架”，嵌擠骨架之間應(yīng)有適當(dāng)“空隙”被一定比例的瀝青瑪蹄脂充分填充（如圖5），進(jìn)而形成材料整體強(qiáng)度，同時(shí)保證“不滲水”。若采用過多的瀝青瑪蹄脂片面追求“不滲水”，可導(dǎo)致骨架被“撐開”（如圖6），進(jìn)而影響混合料中粗集料發(fā)揮其應(yīng)有的嵌擠作用，使得瀝青混合料路用性能或力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生損失。而瀝青瑪蹄脂比例較少或集料“嵌擠骨架”形成空隙較大，均導(dǎo)致空隙無法有效被填充（殘留空隙增大），進(jìn)而影響路面滲水性能。

圖5 瀝青瑪蹄脂填充空隙

圖6 骨架被撐開

瀝青混合料拌合站或購置成品混合料前，若沒有嚴(yán)格依據(jù)目標(biāo)配比，進(jìn)行生產(chǎn)配比設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，將導(dǎo)致SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料級(jí)配或體積參數(shù)不當(dāng)，影響整體壓實(shí)效果及路面滲水性能。另外，在較高的溫度條件下用鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)SMA路面進(jìn)行碾壓而不發(fā)生“推擁”現(xiàn)象，為鑒別是否為真正SMA的第二個(gè)有效方法[1]。若混合料級(jí)配不當(dāng)，粗集料無法較好嵌擠，直觀表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)路面碾壓后發(fā)生“推移型”橫向細(xì)小裂紋（如圖7）。

圖7 表面“推移型”橫向細(xì)小裂紋

路面“上下連通滲水”主要成因之二為瀝青用量偏低。瀝青為瀝青混合料中主要的膠結(jié)料，是形成SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料的關(guān)鍵材料，瀝青用量偏低直接導(dǎo)致瀝青瑪蹄脂組成較少，進(jìn)而無法有效、充分填充“嵌擠骨架”形成的空隙，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)層內(nèi)較多空隙至上而下隨機(jī)分布。另外，瀝青用量偏低直接導(dǎo)致集料表面油膜偏薄，在混合料碾壓過程中，無法較好發(fā)揮油膜潤(rùn)滑效應(yīng)，表現(xiàn)為“壓不實(shí)”。

路面“水平滲水”直接原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工溫度偏低。SMA-13面層其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度為4 cm，混合料經(jīng)攤鋪后在氣溫較低、風(fēng)力較大等環(huán)境影響下，混合料表面比材料內(nèi)部溫度喪失要快，導(dǎo)致碾壓后結(jié)構(gòu)層距表面1～2 cm深度范圍內(nèi)空隙較多，而3～4 cm范圍內(nèi)相對(duì)密實(shí)。

2 技術(shù)對(duì)策

SMA路面滲水現(xiàn)象相對(duì)復(fù)雜且其影響因素眾多，不僅涉及SMA混合料配合比設(shè)計(jì)，而且與現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓等工藝有關(guān)，因此有效解決SMA路面滲水問題需全面考慮。

2.1 復(fù)核、驗(yàn)證SMA瀝青瑪蹄脂混合料體積參數(shù)

對(duì)SMA瀝青瑪蹄脂混合料體積參數(shù)進(jìn)行復(fù)核、驗(yàn)證，該項(xiàng)工作實(shí)質(zhì)是尋求SMA瀝青混合料中瀝青瑪蹄脂的含量與粗集料形成的骨架間隙之間的相對(duì)平衡關(guān)系。具體技術(shù)措施為：路面試驗(yàn)室核實(shí)拌合站現(xiàn)用生產(chǎn)級(jí)配，其粗集料骨架的松裝間隙率VCADRC、瀝青混合料試件粗集料骨架間隙率VCAmix、瀝青混合料試件的礦料間隙率VMA；進(jìn)一步判定是否滿足“骨架松裝間隙率VCADRC＞粗集料骨架間隙率VCAmix且礦料間隙率VMA＞17%～18%”的技術(shù)要求。若不滿足，則需要以設(shè)計(jì)的目標(biāo)級(jí)配為調(diào)整基準(zhǔn)，選擇3個(gè)初試級(jí)配（4.75 mm粒徑通過率±3%），分別測(cè)量骨架松裝間隙率VCADRC以及粗集料骨架間隙率VCAmix，在保證VCADRC＞VCAmix的前提下，宜選擇4.75 mm粒徑通過率相對(duì)較大的初試級(jí)配作為設(shè)計(jì)目標(biāo)級(jí)配。

2.2 嚴(yán)格保證瀝青、礦粉、纖維用量

瀝青、礦粉、纖維用量及相互間的合理匹配，對(duì)解決SMA路面的滲水問題以及提升SMA路面整體性能至關(guān)重要。前期經(jīng)驗(yàn)表明，施工現(xiàn)場(chǎng)油石比相差0.5%～1%，路面滲水性能相差很大。因此，在保證SMA瀝青混合料無明顯析漏的條件下，杜絕私自降低瀝青用量。瀝青拌合站應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)段確定最佳瀝青用量、礦粉及纖維用量進(jìn)行混合料生產(chǎn)。

2.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)碾壓溫度，合理匹配碾壓工藝

溫度是直接影響SMA路面碾壓成型效果的關(guān)鍵因素[5]。SMA路面碾壓時(shí)要求遵照“高頻、低幅、緊跟、慢壓”的原則進(jìn)行。其中，“高頻、低幅”是為了較好避免破壞粗集料骨架以及防止瑪蹄脂發(fā)生過度“上浮”的現(xiàn)象；而“緊跟、慢壓”則是保證碾壓溫度、提高壓實(shí)效果的有效措施[6]。工程實(shí)踐表明，在150℃～160℃時(shí)合理碾壓對(duì)提升SMA路面抗?jié)B水作用尤為重要，是解決其滲水問題的最佳有效時(shí)期。而當(dāng)混合料溫度介于120℃～140℃時(shí)，雖然碾壓一定程度提高了路面壓實(shí)度，但對(duì)解決滲水問題作用不顯著。另外，當(dāng)混合料溫度低于90℃時(shí)，杜絕反復(fù)碾壓，否則不僅對(duì)滲水性能沒有提升，而且低溫條件下壓路機(jī)掛振，反而會(huì)破壞SMA的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)導(dǎo)致材料顆粒相對(duì)位置重新分布，易引起內(nèi)部微裂縫。

因此，在不影響攤鋪機(jī)正常工作前提下，要求壓路機(jī)緊跟于攤鋪機(jī)之后且待壓路面的長(zhǎng)度不應(yīng)超過20～30 m。另外，前進(jìn)碾壓時(shí)應(yīng)勻速靜壓，但后退碾壓時(shí)應(yīng)加開振動(dòng)。必要時(shí)，兩幅攤鋪機(jī)搭接處、攤鋪邊部在復(fù)壓時(shí)，輔助小型膠輪壓路機(jī)揉搓，防止局部滲水。

3 結(jié)語

針對(duì)瀝青瑪蹄脂碎石SMA路面滲水這一普遍問題，深入分析引起SMA路面滲水現(xiàn)象的原因，進(jìn)一步提出防止SMA路面滲水相關(guān)技術(shù)措施。具體結(jié)論如下：

a）依據(jù)滲水點(diǎn)位的典型芯樣外觀，將SMA路面滲水形式分為兩種：上下連通滲水、水平滲水。路面“上下連通滲水”主要成因?yàn)榛旌狭霞?jí)配不當(dāng)、瀝青用量偏低；而路面“水平滲水”直接原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工溫度偏低。

b）解決SMA路面滲水問題，首先應(yīng)復(fù)核、驗(yàn)證SMA瀝青瑪蹄脂混合料體積參數(shù)，尋求SMA瀝青混合料中瀝青瑪蹄脂的含量與粗集料形成的骨架間隙VCAmix之間的相對(duì)平衡關(guān)系；其次瀝青、礦粉、纖維用量及相互間的合理匹配，對(duì)解決SMA路面的滲水問題以及提升SMA路面整體性能至關(guān)重要；SMA路面碾壓環(huán)節(jié)中，在150℃～160℃時(shí)進(jìn)行合理碾壓，是解決透水問題的最佳時(shí)期，同時(shí)杜絕90℃以下時(shí)反復(fù)碾壓以避免引起混合料內(nèi)部微裂紋。