SMA混合料設計方法的探討

任玉林

(中交第一公路勘測設計研究院有限公司)

SMA混合料設計方法的探討

任玉林

(中交第一公路勘測設計研究院有限公司)

摘 要:SMA結構以其優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性、耐久性和良好的表面特性引起國內外公路、機場等結構面層的廣泛應用。SMA混合料作為新型的路面結構材料，與傳統(tǒng)的混合材料有很大差別，在設計方法上，單一傳統(tǒng)的馬歇爾法已不能適應這種新型結構材料的配制，必須研究新的設計方法，本文結合工作實踐，對SMA混合料的優(yōu)化設計方法進行了探討和推廣。

關鍵詞:SMA混合料;馬歇爾試驗;車轍試驗;低溫抗裂性能試驗;瀝青最佳用量

瀝青混凝土路面以其造價低、施工方便、行車舒適等優(yōu)點，被世界各國所重視。國外在修建的高等級公路中，85%以上為瀝青混凝土路面，我國已建成的高等級公路中，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)勢使得未來相當長的時間內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，對組成瀝青混凝土的各種材料進行深入的研究，是非常必要的。

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stonematrixasphalt，簡稱SMA)是一種由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量細集料組成的瀝青瑪蹄脂結合料填充間斷級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前國際上公認的一種抗變形能力強、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;同時由于瀝青瑪蹄脂的粘結作用，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，使瀝青結合料保持高粘度，其攤鋪和壓實效果較好;間斷級配在表面形成大孔隙，構造深度大，抗滑性能好;同時混合料的空隙又很小，耐老化性能及耐久性都很好。因此，我國在首都機場路，北京長安大街及近年建設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的結構組成特點可概括為“三多一少，即粗集料多、礦粉多、瀝青多、細集料少”。SMA瀝青混合料5mm以上的粗集料比例高達70%～80%，礦粉的用量達7%～13%，“粉膠比”超出通常值1.2的限制，很少使用細集料;瀝青用量甚至高達6.5%～7%，粘結性要求高，并希望選用針入度小、軟化點高、溫度穩(wěn)定性好的改性瀝青。隨著我國對SMA瀝青混合料的進一步研究，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 集料的性質要求

鑒于粗集料在混合料內起骨架作用，且SMA混合料暴露在表面的粗集料顆粒遠大于瀝青混凝土，粗集料顆粒更易直接受到動荷的作用。所以，粗集料(2.36 mm以上)必須是強度高、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，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、表面特性對骨架會產生大的影響，近似立方體、表面粗造的顆粒骨架結構能抵抗較大的車轍作用。而較多的針、片狀顆粒會使骨架結構的緊湊性變差或在受到重荷時，針、片狀顆粒折斷，使混合料過早地產生內部裂縫缺陷。一般針、片狀含量不應大于20%。

粗集料的化學性質要求比其它混合料寬松，因為瀝青用量大，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類磨細而成，這對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 集料的級配要求

現(xiàn)有德國規(guī)范中所規(guī)定的級配范圍太寬，實際選用時較為困難，美國聯(lián)邦公路局(FHWA)建議的級配范圍較窄，使用要方便些，但在4.75 mm以上的篩孔通過規(guī)定對公稱最大粒徑為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)定值基礎上，9.5 mm、13.2 mm應參照德國規(guī)范做適當調整。兩種級配范圍級配見表1。

表1 建議SMA混合料礦料級配

根據(jù)當?shù)亓显矗x擇合適級配的原則是，盡可能采用高含量的粗集料，使其形成均勻的骨架結構，即4.75 mm通過量約為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。

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，且礦粉與瀝青構成的膠漿在高溫下易產生離析，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。木質素纖維宜采用0.3%，必須在室內架空堆放，嚴格防潮，保持干燥。礦質纖維宜采用0.45%，易形成污染的石棉纖維應盡可能不用。

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結果，西北地區(qū)應采用AH-70左右的瀝青，或AH-90加適量改性劑的瀝青。改性瀝青的運輸溫度不得低于150℃，保溫貯存溫度不得低于140℃，不得長時間存放，對現(xiàn)場加工的改性瀝青，必須不問斷地攪拌，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分析、車轍試驗分析與低溫抗裂性分析，另外，還應進行疲勞性能分析。

(1)馬歇爾試驗分析

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

如果上述兩控制指標不能滿足，則分析檢查原因，如屬材料方面的問題，應調整礦料級配，時其混合料密實度提高，或在規(guī)定的范圍內提高礦粉用量以及改善礦粉質量，或調整瀝青標號、提高粘結力。

(2)車轍試驗分析

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

(3)低溫抗裂性試驗分析

SMA混合料在低溫抗裂性方面優(yōu)勢的發(fā)揮，要求混合料的瀝青用量達到一定的水平，所以，參照國外經驗和有關試驗結果，取0℃下最小彎拉應變能5.5J作為控制指標，以確定滿足低溫抗裂性要求的最小瀝青用量。

把握好上述三個方面的選擇、控制和檢驗工作，一定能夠確定瀝青最佳用量，設計出優(yōu)質的SMA混合料，確保路面材料的使用效果。

4 結束語

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)護費用，且能延長使用壽命。盡管初期投資有所增加，對施工工藝要求較高，但仍將產生很好的經濟效益。目前SMA混合料的材料、設計和施工技術已較成熟，用以改善高速公路和城市道路切實可行。道路現(xiàn)場取樣的試驗結果與道路目前良好的使用狀況說明SMA混合料非常成功的。將改性瀝青技術與SMA路面技術有機結合起來，有效地擴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，而我國高速公路瀝青路面向來是表面層不薄，中、下面層不厚的。實際上，SMA本來應該僅僅作為抗水、抗磨耗層使用，國外技術規(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。對此，我們有必要深刻反思，避免將SMA路面技術研究的本土化，演變成SMA材料使用的中國化。針對SMA優(yōu)良的使用性能，建議在中國開展長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構對路面水的封阻效果十分出色，這對路面早期水損害的防治具有重要意義。

:

［1］余叔藩.SMA路面設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］瀝青路面施工技術規(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計與施工技術［J］.中外建筑，2009:141-143.

中圖分類號:U414

B

1008-3383(2011)06-0119-02

收稿日期:2011-05-13

作者簡介:任玉林(1962-)，男，高級工程師、主要從公路勘察設計方面的工作。