沥青混合料的应用及发展

　　沥青是公路工程施工中的基本原材料，随着科学技术的发展，沥青混合料逐渐得到广泛应用，本文主要探讨沥青混合料的应用。

　　《中外公路》1976年创刊，是全国公路交通行业权威性期刊，发行量在公路系统报刊中居于前列。资讯刊不仅有效地吸引了全国近30个省市区数百家高速公路管理厅局、公司及上千家高速公路服务区的中高层经营管理者;以高速公路及服务区为服务对象的各行业的经营管理人员;高速公路司乘人员、自驾游者等读者群，还以清新的风格、浓郁的海派韵味、敏锐的流行触觉、轻快而富有文化品味的风格,敏锐，独特的视角，捕捉时尚消费资讯;积极，健康的理念，引领高品位的生活诉求。

　　因SMA混合料结构组成特点，其对原材料的技术指标、施工工艺和管理措施要求均很高，本文以SMA沥青混合料的设计、配合比以及选择等做了一些详细阐述，仅供参考。

　　一、引言

　　随着我国公路事业的蓬勃发展，SMA沥青在城市道路和高速公路上的应用越来越广泛，同时也充分证实了这种材料的优劣品质，其优良的高温稳定性能，使得路面能够承受较大的车轮荷载而不易产生挤压变形，始终保持良好的平整度和良好的抗车辙能力。

　　SMA(Stone Mastic Asphalt)沥青混合料是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架的间隙而形成一体的混合料。它发源于20世纪60年代中期的联邦德国，因其具有良好的优越性，在欧洲得到迅速推广应用，后来美国1990年9月派出大型代表团到欧洲考察其应用技术后才开始的，并在德国和欧洲其他国家应用SMA路面基础上进一步研究和完善，总结出SMA沥青路面设计、施工的相关技术指南。我国对SMA路面技术的研究是从1991年逐渐开展的，先期在首都机场高速、北京长安街等大型工程中使用SMA结构材料，以后又在全国多个省市地区高速公路、重交通道路和许多桥面工程获得成功应用，据不完全统计我国已建成通车的SMA路面已超过3万公里，但在采用该项新技术的同时，也需要结合我国实际国情在设计、施工等过程中进行研究、消化、改进，积极推动SMA结构材料在我国的发展应用。

　　二、SMA混合料与其他沥青混合料的比较

　　沥青路面按结构特点可划分为三种类型：以普通AC密集配沥青混合料为代表的悬浮--密实型结构、以OGFC大空隙排水式沥青混合料为代表的骨架--空隙型结构和以SMA沥青玛蹄脂混合料为代表的骨架--密实型结构。

　　悬浮--密实型结构的混合料通常是按密集配原则进行设计，其密实度与强度较高，水稳定性、低温抗裂性能、耐久性比较好，主要靠沥青胶砂的黏结力来提供强度，是目前最普遍使用的沥青混合料。但该种混合料的级配材料由大到小以一定数量的形式连续分布，同一档较大颗粒被较小一档颗粒挤开，大颗粒犹如以悬浮状态处于较小颗粒之中，各级集料被次级集料和沥青胶浆所分离，不能直接互相嵌锁形成骨架，内摩擦角较小，高温稳定性较差，容易产生车辙等病害，其表面构造深度也较小，作为表面层时抗滑性能较差。

　　骨架--空隙型结构的混合料主要靠较多的粗集料颗粒彼此接触，形成互相嵌挤的骨架，但较细粒料数量较少，不足以充分填充骨架空隙，压实后混合料中的空隙较大。这种结构中粗集料之间的内摩擦力与嵌挤力起着决定性作用，其结构强度受沥青本身性质和物理状态影响较小，因而高温稳定性和抗噪性较好，但由于空隙率较大，其透水性、耐老化性能、低温抗裂性能、耐久性较差。

　　骨架--密实型结构的混合料是综合以上两种方式的结构组成，一方面混合料有足够数量的粗集料以形成骨架，另一方面根据粗集料骨架的空隙多少加入足够的较细的沥青填料，形成较大的密实度和较小的残余空隙率，因此矿料级配是一种非连续的间断级配。这种结构兼备上述两种结构的优点，是一种较为理想的结构类型。

　　SMA混合料就是典型的骨架--密实型结构，其粗集料形成石--石接触的骨架，承受着主要的交通荷载，在高温条件下体现出很好的高温抗车辙性能;粗集料骨架间隙填充足够的沥青玛蹄脂(由沥青、矿粉、砂及纤维组成)，在低温条件下能很好的黏结集料不被拉开，具有较好的低温抗裂性能。同时SMA较好的密实度和几乎不透水的空隙率保证混合料具有较好的抗疲劳耐久性和水稳定性。另外SMA混合料要求采用坚硬、粗糙、耐磨的优质石料，且粗集料含量高，表面构造深度较大，在雨天交通行车还会减轻或消除水雾和溅水，减少夜间行车路面的眩光影响，大大改善了雨、夜天路面的明视度，增强路面的抗滑能力和行车的安全性。

　　通过以上比较可以看出，相比目前普遍使用的AC密集配沥青混合料和OGFC大空隙排水式沥青混合料，只有SMA混合料能将抗车辙性能和抗裂性能统一起来，将路面的抗滑性和耐久性统一起来，并获得各方面的优异性能。从近20年来我国的和其他各国应用SMA路面的经验来看，要实现该种路面最佳性能并减小养护工程量的理想目标，SMA混合料必须做到精心设计、精心施工方可达到。

　　三、SMA混合料的配合比设计

　　3.1 项目的基本情况

　　由于我国的气候条件与美国相似，因此我国的SMA混合料设计方法在很多方面参照了美国的模式。Batumi-Kobuleti-Choloki绕城公路(E70)总长约48公里，施工内容包括隧洞、高架桥等。本工程建设内容为：

　　路段一: 项目所在区域为旅游区，接待了大量的游客。本项目旨在修建一条12.4公里长的双车道绕城公路，以缓解现有穿城而过的公路交通压力，行车道宽度2*3.5m。该标段共有桥梁14座，桥梁总长2470.5m。

　　路段二：该标段施工任务主要是对现有双车道公路拓宽为四车道公路。

　　水泥土桩施工：软基处理主要集中在标段一中桩号为KM0+300—KM8+319的路段。该水泥土桩直径为0.6m，梅花型布置，间排距为2.4m×2.4m，总工程量为367320m。

　　土石方工程：主要施工内容为路基开挖、不良土开挖、借土开挖与填筑。各类开挖合计50.9万m3，各类填筑合计129.6万m3。

　　桥梁施工：道路全线共有桥梁14座，其中现浇桥3座，预制梁桥梁11座。桥梁桩基总长27562.4m，27米长预应力梁共624片。

　　路基及路面施工：主要工作为路基石质土填筑124.98万m3，沙粒料底基层及路肩填筑11万m3，碎石骨料层填筑3.9万m3，浸沥青基层上层填筑2.39万m3，沥青混凝土基层1.39万m2，沥青混凝土面层8789m3。

　　笔者根据在本项目中的设计、研究成果，分析和总结出SMA混合料的配合比设计的一些心得和体会如下：

　　3.2 选择材料

　　(1) 沥青材料：SMA混合料中沥青材料的质量必须要有较高的黏度，应采用比常规AC混合料稠度更大的沥青材料，结合项目所在地气候分区为夏炎热冬冷半干区，考虑采用A-70号沥青。该项目建成后作为重要的城市外环道路，承担着连接城市内部各分区及疏散过境交通的双重任务，交通等级为重载交通标准(轴载和轮胎单位压力较大)，甚至存在许多超载车辆通行，设计中考虑提高混合料性能采用掺加4-5%SBS(Ⅰ-D)热塑性橡胶改性沥青，聚合物改性沥青质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求。

　　(2) 粗集料：良好的高温稳定性来源于SMA混合料粗集料之间的骨架嵌挤作用，因此设计中要求粗集料应选用质地坚硬、表面粗糙耐磨、韧性好、形状接近立方体的破碎玄武岩石料，石料要求用锤击式或锥式碎石机破碎，施工时应进行二次水洗，其磨光值、道瑞磨耗值和冲击值满足抗滑表层混合料的技术要求。

　　(3) 细集料：SMA混合料中细集料一般是指2.36mm筛孔以下的集料，设计时要求采用具有良好棱角性和嵌挤性能的机制砂，严禁采用石屑加工，含量不超过混合料的10%，其技术指标采用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的指标要求。

　　(4) 填料：适宜数量的矿粉--沥青胶浆体系是保证SMA混合料优良路用性能的重要条件，因为沥青只有吸附在矿粉表面形成沥青膜，才能对其他粗、细集料产生黏附作用，即沥青与矿粉的完美结合才是真正的沥青结合料。因此该项目采用磨细的天然石灰岩矿粉，不考虑使用回收粉尘，不得含有泥土及杂物，要求干燥、洁净、无杂质、无结团，粉胶比控制在1.8～2.0范围内。另外还考虑到充分消解的消石灰粉能明显改善混合料的水稳定性能，且能延缓沥青在拌合、运输、摊铺和碾压过程中的老化作用，提高混合料的耐久性，在矿粉中适当掺加消石灰粉，用量占矿粉总量的10%～20%。

　　(5) 纤维：考虑到本项目工期紧任务重，客观上从设计到施工的一系列过程中，沥青混合料的用量和技术难度相当大，因此设计时考虑为保证SMA混合料在拌合、运输、摊铺和碾压过程中保持高含量的沥青胶结料而不产生析漏，同时更进一步的全面提高SMA混合料的各项路用指标，在混合料掺加目前国内常用的絮状木质素纤维稳定剂。该种稳定剂表面柔曲而有绒毛，可吸附沥青的比表面积比较大，能较好地防止析漏，且资源丰富、价格低廉，应用颇为广泛，掺加含量为0.3%。

　　3.3 级配范围选择和厚度确定

　　根据近年来我国在高速公路和城市道路上的工程实践经验和与建设方的沟通交流结果，确定本项目路面结构中上面层沥青混合料的级配类型为SMA-13。由相关资料和试验数据可知4.75mm以上部分的粗集料是真正形成石—石嵌挤结构的集料，也是成为调整玛蹄脂含量和粗集料骨架间隙之间取得平衡的关键，因此确定4.75mm筛孔通过率考虑为30%以下，矿粉要求0.075mm筛孔通过率达到8%～12%,尽量让粗颗粒通过率接近上限，细颗粒通过率接近下限，级配曲线呈“S”形。下表为该项目的矿料级配范围：

　　我国现行《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169—2012)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定，对SMA和OGFC混合料路面厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2.5倍，最小压实厚度为3cm,以减小离析，便于压实。因此本项目拟定上面层SMA-13混合料厚度为4cm。同时SMA沥青路面的压实度要求马歇尔标准密度的压实度不小于96%，最大理论密度的压实度不小于94%。

　　研究表明，沥青路面路表下4～9cm处的温度最高，是路面剪切变形和车辙病害最主要的发生范围，因此本项目在设计时考虑中面层采用8cm厚AC-20(C)中粒式沥青混凝土，增加粗集料的含量以提高抗车辙性能，增强SMA沥青路面的各项路用指标。同时为提高沥青路面的低温抗裂性能，减少因采用半刚性基层(水泥稳定碎石基层)会产生反射裂缝的影响，特在中面层下加设一层14cm厚的沥青碎石基层。

　　3.4 最佳沥青用量选定与配合比验证

　　一般SMA-13沥青混合料的最佳油石比在4.5%～6.5%，本项目以大量工程实践经验和马歇尔试验方法为基础进行目标配合比设计和生产配合比设计，确定设计空隙率为4%，油石比为5.9%。设计中还提出应根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的要求并结合本项目的重交通等级等特点，对SMA混合料配合比设计按下表进行各种检验和验证：

　　3.5 沥青混合料设计方法选择

　　在沥青混合料设计方法中，马歇尔设计方法是影响最为深远、应用最为广泛的一种，该种方法基本上属于体积设计法，试件是按冲击法进行压实，对混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求，但是该方法也有一些现实性的缺陷，诸如不能精确地判别不同交通量对沥青混合料技术指标、与路面结构设计不挂钩、试件成型方法不能模拟行车压实等问题，因此其他的设计方法如维姆法、贝雷法、Superpave法(旋转压实法)相继提出，但都有各自的优势，也同时存在需要改进的地方。因此在具体应用时，需根据项目所在地的气候条件、经济技术条件等因素加以合理选择。

　　四、结语

　　综上所述，SMA混合料在结构上具有“三多一少”的特点，“三多”是指粗集料多、矿粉多、沥青结合料多，“一少”是指细集料少。因SMA混合料结构组成特点，其对原材料的技术指标、施工工艺和管理措施要求均很高，在初期实施阶段的生产成本相比常规AC沥青混凝土路面高约20%左右，但是各项路用性能也比普通沥青混合料有明显的提高，主要表现为高温稳定性好、低温抗裂性好、较强的抗老化能力和抗疲劳性能等优点，尤其是对于防治我国沥青路面主要的破坏原因—车辙和裂缝问题、延长沥青路面使用寿命、减小维修养护费用是个很好的选择，相信SMA沥青路面在今后我国城市建设工程上会发挥更多、更积极的影响。

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