徐韻淳

[上海浦東路橋（集團(tuán)）有限公司，上海市201210]

0 引 言

瀝青路面建設(shè)已有數(shù)百年的歷史，而在我國，瀝青路面從上世紀(jì)二十年代首次在上海應(yīng)用，至今也有近百年的建設(shè)歷史。瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）路面是20世紀(jì)70年代在德國發(fā)明的，由于它的良好高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性，以及良好的表面宏觀構(gòu)造而賦予的抗滑性，引起了世界許多國家道路工程人員的關(guān)注和興趣。SMA路面于80年代起在西歐得到廣泛應(yīng)用，美國也于1990年起開始對SMA路面進(jìn)行試驗(yàn)研究，我國自1992年國內(nèi)鋪筑首條SMA道路—首都機(jī)場高速公路以來，經(jīng)過二十多年的發(fā)展和應(yīng)用，我國東部沿海地區(qū)，如廣東、浙江、江蘇等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的公路和市政道路路面上應(yīng)用SMA的比例和規(guī)模已經(jīng)非常大，SMA的生產(chǎn)、施工的技術(shù)與能力也非常成熟。

SMA混合料可以認(rèn)為由兩部分組成：一是由粗細(xì)料構(gòu)成的空間骨架結(jié)構(gòu)；二是由瀝青、礦粉、纖維構(gòu)成的瑪蹄脂?，斕阒畛涔羌艿目障?，形成密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。

由上述組成結(jié)構(gòu)上可以發(fā)現(xiàn)：SMA與其它普通瀝青混合料AC類相比，它增加了纖維材料。

不同纖維材料具有不同的性能指標(biāo)，因此會產(chǎn)生不同的適用性，對于路面性能改進(jìn)也有不同的側(cè)重。在常規(guī)SMA混合料中，國內(nèi)外的通行做法均添加纖維以穩(wěn)定瀝青。

纖維材料在SMA中所起的吸附、穩(wěn)定、加筋、分散、增粘作用，均通過改性瀝青實(shí)現(xiàn)對混合料的增強(qiáng)。若改性瀝青用量較少時(shí)或者性能較差時(shí)，纖維所起的增強(qiáng)作用會極大地削減，甚至產(chǎn)生不良作用，例如：

（1）使用木質(zhì)素纖維時(shí)，若瀝青用量不足：集料表面瀝青包裹不嚴(yán)密，極易產(chǎn)生早期水損。

（2）使用聚合物纖維時(shí)，若瀝青性能較差，其纖維與瀝青馬蹄脂共同形成的次級柔性網(wǎng)架強(qiáng)度不足，不但易變形，而且易形成薄弱界面，使SMA混凝土抗車轍能力極大降低。

（3）纖維生產(chǎn)時(shí)投放不及時(shí)、投放量不足時(shí)，可能引起聚團(tuán)、泛油，其分散、穩(wěn)定作用也無從發(fā)揮。而目前木質(zhì)素纖維氣力輸送的添加量波動、聚合物纖維分袋人工投放均使投放時(shí)的穩(wěn)定性、可靠性無法達(dá)到令人滿意的程度。

文獻(xiàn)[1]針對常用絮狀木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維等在SMA中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合性能的比較。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：部分礦物纖維強(qiáng)度不足時(shí)，完全破碎后，其無法起到纖維在SMA中應(yīng)有的作用。但此時(shí)SMA中最佳瀝青用量約為5.2%～5.5%，較常規(guī)的木質(zhì)素纖維SMA最佳瀝青用量5.7%～6.0%約減少0.5%，其綜合力學(xué)性能滿足現(xiàn)行規(guī)范[2]要求。

因此，若不使用纖維材料，在使用質(zhì)量較好的I-D改性瀝青（軟化點(diǎn)≥70℃）的情況下，通過針對性的配合比設(shè)計(jì)，是可以生產(chǎn)滿足現(xiàn)行規(guī)范[2]要求的SMA瀝青混凝土[3]。無纖維的SMA材料減少了纖維投放環(huán)節(jié)，減少了纖維及瀝青成本，具備十分優(yōu)異的生產(chǎn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)通過無纖維SMA的配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)驗(yàn)證及施工實(shí)施，提出了無纖維SMA的配合比設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)段實(shí)施驗(yàn)證，介紹了上海浦東地區(qū)在熱拌無纖維SMA-13的配合比設(shè)計(jì)及生產(chǎn)施工的探索。

1 原材料

1.1 集料與填料

試驗(yàn)段所用的集料為玄武巖粗集料及石灰石細(xì)集料，符合規(guī)范[2]的性能與技術(shù)要求，使用規(guī)格符合S10、S12、S16規(guī)格要求。填料為磨細(xì)石灰石粉，質(zhì)量符合規(guī)范[2]填料性能與技術(shù)要求。

1.2 瀝青

此試驗(yàn)段所用瀝青為SBS改性瀝青，質(zhì)量符合規(guī)范[2]聚合物改性瀝青I-D的技術(shù)要求，且軟化點(diǎn)為73℃。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

（1）通過添加更多的填料和細(xì)集料，彌補(bǔ)纖維缺失和瀝青膠結(jié)料減少引起空隙率增加趨勢。

（2）通過增加改性瀝青性能及降低拌合施工溫度，提高瀝青膠漿粘聚力，防止施工過程中的瀝青膠漿流淌（析漏）。必要時(shí)可添加溫拌劑，以進(jìn)一步降低施工溫度。

（3）通過緊跟碾壓，增加壓實(shí)功，使混合料在略降低施工溫度的條件下被充分壓實(shí)。

2.2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

瀝青混合料級配類型為SMA-13，設(shè)計(jì)級配范圍與設(shè)計(jì)合成級配組成見表1所列。

表1 無纖維S MA-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級配范圍與設(shè)計(jì)合成級配表

合成級配曲線見圖1所示。改性瀝青用量為5.0%（對應(yīng)油石比5.3%）。

由圖1可知：無纖維SMA-13級配曲線中，通過細(xì)集料及填料的用量調(diào)整，使通過關(guān)鍵篩孔的質(zhì)量百分率接近級配范圍的上限，以使無纖維SMA-13的空隙率滿足3%～4%的技術(shù)要求。

圖1 無纖維S MA-13瀝青混合料合成級配曲線圖

2.3 配合比設(shè)計(jì)驗(yàn)證及性能檢驗(yàn)

上述級配的無纖維SMA-13馬歇爾試件性能指標(biāo)如表2所列。

表2 無纖維S MA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)一覽表

由表1可知：無纖維SMA-13瀝青混合料與普通SMA-13瀝青混合料存在一定差異。需要說明的是，規(guī)范[2]要求值是對于使用纖維的SMA，而非對于無纖維SMA的要求，本文將其作為參考要求，但非絕對要求值。

首先，由于缺少纖維材料的穩(wěn)定作用，無纖維SMA的謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)的結(jié)合料損失略超出參考的規(guī)范[2]要求值。

但若按排水瀝青路面的相關(guān)技術(shù)規(guī)范[6]，該指標(biāo)的要求不大于0.8%，可見該指標(biāo)并非不可突破的。析漏試驗(yàn)的結(jié)合料損失率主要反映瀝青馬蹄脂在混合料的裹覆穩(wěn)定性，表征的是瀝青混合料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪施工過程瀝青混合料是否會發(fā)生流淌現(xiàn)象。應(yīng)通過試驗(yàn)段驗(yàn)證，在實(shí)施過程中如不發(fā)生流淌現(xiàn)象的要求下，析漏指標(biāo)不應(yīng)作為限制條件。

其次，由于增加了填料和細(xì)集料，空隙率達(dá)到了3%～4%的范圍內(nèi)，但礦料間隙率VMA不可避免地低于規(guī)范[2]的要求。

礦料間隙率（Voids in mineral aggregate，VMA）是指瀝青混合料壓實(shí)成型試件全部礦料部分以外的體積占試件總體積的百分率[2]。郭桂爽探討了礦料級配、瀝青用量、集料顆粒形狀等對于VMA的影響[7]，明確了：“瀝青用量直接影響到全部礦料部分以外的體積。全部礦料以外的體積主要包含了瀝青和內(nèi)部空隙，在空隙率一定的情況下，增加瀝青用量，則VMA會明顯增大，反之則會減小”。劉雄偉則在實(shí)驗(yàn)[8]中發(fā)現(xiàn)：由于礦物纖維的穩(wěn)定瀝青效果較差，添加礦物纖維的SMA的VMA指標(biāo)多數(shù)無法滿足17%的指標(biāo)要求。同濟(jì)大學(xué)的林繡賢則闡述了：“最小VMA是為了使瀝青混合料有個最小的瀝青含量，以形成合適的瀝青膜，以保持瀝青混合料的耐久性”[9]。

無纖維SMA的情況與使用礦物纖維的情況類似，由于減少了瀝青用量，VMA指標(biāo)很難達(dá)到參考規(guī)范[2]要求，但SMA需要合適的瀝青膜厚度以保證耐久性，其它混合料性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到參考規(guī)范[2]要求。

由表2可知：無纖維SMA-13瀝青混合料的穩(wěn)定度、TSR，以及如圖2所示的動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范[2]要求。

圖2 無纖維S MA-13瀝青混合料60℃動穩(wěn)定度指標(biāo)檢驗(yàn)圖示

由圖2可知：60℃動穩(wěn)定度均大于5 000次/mm，平均值為6 127次/mm，滿足SMA技術(shù)要求[2]。

3 試驗(yàn)段生產(chǎn)與實(shí)施

3.1 瀝青混合料生產(chǎn)

瀝青混合料的生產(chǎn)拌和使用一般的間歇式拌合樓。試驗(yàn)段每盤瀝青混合料拌和量為3 950 kg，填料采用回收粉及石灰石礦粉各50%。生產(chǎn)流程與材料加熱溫度見圖3所示。

圖3 無纖維S MA-13瀝青混合料生產(chǎn)流程與材料加熱示意圖

由于無纖維材料，因此生產(chǎn)過程中瀝青混合料無需干拌，節(jié)約生產(chǎn)拌合時(shí)間與能耗。濕拌時(shí)間不應(yīng)少于30 s，礦粉應(yīng)與瀝青同步添加。拌合及出料溫度應(yīng)為170℃～180℃。

施工工藝目前按常規(guī)SMA-13的施工工藝進(jìn)行,見表3所列。

表3 試驗(yàn)路碾壓工藝一覽表

3.2 試驗(yàn)段實(shí)施

2021年9月于上海浦東完成該試驗(yàn)段實(shí)施。攤鋪時(shí)間為13:00～15:00，天氣多云。

試驗(yàn)段實(shí)施目的：通過試驗(yàn)段對室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，包括混合料生產(chǎn)工藝和碾壓工藝的控制等。

根據(jù)前述的生產(chǎn)配合比進(jìn)行生產(chǎn)。經(jīng)確認(rèn)，生產(chǎn)工藝參數(shù)均能按照既定執(zhí)行，且能穩(wěn)定控制。

攤鋪時(shí)觀察料車廂底，均無明顯瀝青流淌現(xiàn)象，見圖4所示。

圖4 攤鋪后運(yùn)料車廂底無流淌現(xiàn)象之實(shí)景

圖4表明：無纖維SMA瀝青混合料的謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)的結(jié)合料損失雖然略高于0.1%的參考要求值，但使用了軟化點(diǎn)較高的瀝青膠結(jié)料后，其并未出現(xiàn)瀝青馬蹄脂流淌、墜流等現(xiàn)象，證明前述設(shè)計(jì)思路是可行的。

攤鋪效果及路面表觀狀態(tài)見圖5、圖6所示。

圖5 無纖維S MA-13瀝青試驗(yàn)段實(shí)施效果之實(shí)景

圖6 無纖維S MA-13瀝青試驗(yàn)段實(shí)施表觀之實(shí)景

3.3 試驗(yàn)段瀝青混合料生產(chǎn)檢驗(yàn)

試驗(yàn)段生產(chǎn)的瀝青混合料馬歇爾試件性能指標(biāo)如表4所列。試驗(yàn)段路面檢驗(yàn)結(jié)果如表5所列。

表4 無纖維S MA-13試驗(yàn)段生產(chǎn)瀝青混合料檢驗(yàn)一覽表

表5 無纖維S MA-13試驗(yàn)段路面性能檢驗(yàn)一覽表

由表4、表5可知：無纖維SMA-13在試驗(yàn)段的實(shí)施工藝條件下，壓實(shí)度偏低，滲水系數(shù)偏高，雖然符合規(guī)范[4]要求，但依然具有提升空間。無纖維SMA表面瀝青膠漿不多，可利用膠輪壓路機(jī)但不必?fù)?dān)心表面泛油，并增加瀝青路面的壓實(shí)效果。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

將兩種SMA的原材料配比和生產(chǎn)工藝的參數(shù)進(jìn)行對比，詳見表6所列。其中，改性瀝青按4 000元/t，纖維按4 000元/t，燃油按5 000元/t計(jì)。

表6 無纖維S MA與傳統(tǒng)S MA配比參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)對比一覽表

根據(jù)瀝青拌合站實(shí)際消耗測算，拌合時(shí)間減少10 s，可節(jié)省約2 kg燃油[5]。

則生產(chǎn)1 t無纖維SMA混合料：

可節(jié)省燃油成本約0.002×5 000=10（元）；

可節(jié)省改性瀝青成本約0.7%×4 000=28（元）；

可節(jié)省纖維成本約0.3%×4 000=12（元）；

共計(jì)可節(jié)省成本50元/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)段實(shí)施與數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）無纖維SMA-13相對于普通SMA瀝青混合料，減少了纖維投放環(huán)節(jié)，可以省去近10s的干拌時(shí)間，節(jié)約生產(chǎn)能耗。瀝青用量減少了0.7%左右（普通SMA一般瀝青用量5.7%～5.8%）。雖然略增加了填料及細(xì)集料，但SMA整體材料成本下降約50元/t，經(jīng)濟(jì)性顯著。

（2）無纖維SMA-13在部分馬歇爾體積指標(biāo)（主要指VMA）上沒滿足規(guī)范要求，但按目前的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，無纖維SMA在強(qiáng)度及穩(wěn)定性上滿足路用要求。

（3）本文所設(shè)計(jì)的無纖維SMA瀝青混合料成功實(shí)施試驗(yàn)段，依賴于生產(chǎn)過程中對級配的精確控制。即無纖維SMA瀝青混合料在配合比設(shè)計(jì)及生產(chǎn)控制上的要求較普通SMA更高。

（4）從試驗(yàn)段的實(shí)施結(jié)果來看：無纖維SMA瀝青混合料的壓實(shí)特性發(fā)生了一些改變。在后續(xù)研發(fā)中，可添加溫拌劑增加瀝青混合料的可壓實(shí)性能，或增加膠輪碾壓改善壓實(shí)效果。

（5）通過SMA的原材料性能調(diào)整及配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，使SMA瀝青混合料中不使用纖維材料，生產(chǎn)施工工藝與常規(guī)SMA保持一致，具備十分優(yōu)異的生產(chǎn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在上海浦東的試驗(yàn)段應(yīng)用中取得滿意的成果。