SMA路面若干問題的探討

1、SMA 路面若干問題的探討 符冠華 曹榮吉 【江蘇省交通科學研究院 南京 210017】 摘要：本文結合近幾年江蘇省 SMA 路面的工程研究和實踐，對 SMA 路面技術中的一些問題，如級配、設計空隙率、瀝青用量、水損害檢驗、 碾壓工藝等進行探討，提出了建議和意見。關鍵詞： SMA 級配 空隙率水損害 碾壓1 前言SMA(Stone.Mast: icAsphalt)即瀝青瑪蹄脂碎石混合料，它是按照內摩 擦角最大的原則，以間斷級配的粗集料形成相互嵌擠的礦料骨架，然后按 照空隙率較小的原則，以瀝青瑪蹄脂填充骨架的空隙，形成一種密實骨架 結構的瀝青混合料。由于 SMA 優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性、耐久性及抗滑性

2、能，從 20 世紀 80 年 代起就在歐洲得到推廣和普及，現(xiàn)已被許多國家列入規(guī)范。 20 世紀 90 年 代初美國引進了 SMA 技術，并在多個州修筑了 SMA 試驗路，美國國家瀝 青技術中心 (NCAT) 已經(jīng)于 1998 年底完成了有關混合料設計的研究項目。 NAPA 于 1999年 1月出版了 SMA 設計與施工指南。我國從 1992 年開始進行 SMA 的研究并且進行了一些實踐，為此成立 了交通部 SMA 推廣課題組，進行專題研究。推廣課題組于 1997 年提出了 SMA 推廣建議書， 1999 年 6 月又提出了 SMA 路面旋工技術指南 川。至今已有十多個省市修筑了 SMA 試驗路

3、，一些地區(qū)已經(jīng)開始在高速 公路上推廣應用 SMA。SMA 在江蘇的應用始于 1995 年，首先在寧連、寧通公路上修筑了 SMA 試驗路。 1998年以來，我們對 SMA 路面進行了大量的試驗、研究， 并在寧揚、寧合、寧杭等老路改造項目上成功地應用了改性瀝青及普通瀝 青、SMAI6與SMAI3。2000年已開始在淮江高速公路及一些地方道路上 推廣應用。本文結合近幾年來我們對 SMlA 路面的研究和工程實踐，對 SMA 路面技術作一些探討。2 SMA 路面若干問題的探討2.1關于級配關于 SMA 的級配，不同國家有不同的特色。 SMA 之所以具有較好的 高溫穩(wěn)定性、出色的抗車轍能力，均與其骨架結構

4、密不可分。 SMA 級配設 計的主要目的就是保證粗集料間能夠形成相互嵌擠的骨架結構。SMA 起源于歐洲，歐洲 SMA 的普遍特點是最大公稱粒徑較小、級配 偏細，比較常用的為 0/11、0/&0/5等。歐洲的SMA級配范圍較 寬，設計有很強的經(jīng)驗性，在這些級配范圍中可以配出優(yōu)良的SMA，但也可能配出并不理想的 SMA。長期以來，人們對 SMA骨架結構的認識就 是 間斷級配” 粗集料用量多”“ 5mr以上集料約占70%左右”等，SMA配合比設計主要依靠馬歇爾、析漏等幾個試驗，對于怎樣才能使粗集料形 成相互嵌擠的骨架沒有具體的試驗方法及量化的指標。近兩年歐洲的 SMA 路面出現(xiàn)了級配要求趨嚴

5、、級配范圍變窄的趨勢，見表 1SMA 技術于 20 世紀 90 年代初傳到美國，并在美國得到迅速發(fā)展，出 現(xiàn)了最大公稱粒徑變大、級配變粗、用油量相對減少的趨勢。最顯著的變 化是粗細集料的比例不同。對于不同的公稱粒徑的 SMA ，粗集料的定義 不同，如表 2。美國瀝青技術中心 (NCAT)的研究表明，對于 SMA13SMA25 , 4.75mm 作為級配的間斷點有著重要意義， 4.75mm 篩孔通過量的大小直接 影響粗集料的嵌擠效果及 vMA4 。 NCAT 還提出了采用式 ( 1 )來判別混合 料中粗集料是否形成了嵌擠的骨架。VCAmix<VCAdry(1)式中：VCAmix 為混合料中

6、粗集料間隙率，;VCAdry 為干搗試驗的粗集料間隙率，。如果 VCAmixvCADRdry, 則表明填充的細集料過多，將粗集料相互撐 開，沒有形成骨架結構，該級配不能接受。美國的設計規(guī)范中 4.75mm 的 通過量較小 (20% 28% )，美國 SMA 級配范圍見表 3。我國自 1 992開始引進 SMA 技術，開始是學習歐洲的設計方法，級配 范圍也是參照歐洲的規(guī)范而定，但粒徑增大了，級配的間斷點也相應變 了。對于我國常用的 SMA16、SMA13級配的間斷點應為4.75mm,但在我國最初的一些 SMA工程中，4.75mm通過率都比較高，一般為 25% 40%。NCAT的研究表明皿，4.7

7、5mm的通過率與混合料的 VMA密切相 關，只有當 4.75mm 的通過率小于 30， VMA 才開始增加，粗集料的嵌 擠作用才能逐漸得以發(fā)揮。現(xiàn)在看來，我國早期的一些SMA 工程中4.75mm 的通過率偏大，以至有些工程不能滿足 VMA>17% 的要求。實際 上當4.75mm的通過率高于30%時，也很難滿足 VCAM-x<VcADRYr的要 求，也就是說這些級配不能保證粗集料間形成的嵌擠結構。近兩年來，隨著 SMA 工程實踐經(jīng)驗的積累，及受到美國 SMA 設計思 想的影響，降低 4.75mm 篩孔的通過量已成為一種趨勢，如表 4。我們認 為對于我國常用的 SMAl6、SMAl3

8、， 4.75mm 篩孔的通過量應控制在 30% 以 下 ， 以 保 證 粗 集 料 嵌 擠 結 構 。 在 配 合 比 設 計 時 ， 應 滿 足 VCAmix<VCADRY 及 VMA>17 的要求，并建議以此作為判別真假 SMA 的一個標準。2.2關于設計空隙率“對任何一種瀝青混合料，空隙率都是重要的參數(shù)，它決定了混合料 的一系列性能和使用壽命，對普通瀝青混合料時這樣，對 SMA 同樣是這 樣” 2。德國夏無酷暑， SMA 設計空隙率為 2% 4%，這與其氣候條件是相 適應的。我國的 SMA 最初參考德國的設計指標，一般設計空隙率在 3%左 右。美國 NCAT 的調查表明：當設

9、計空隙率小于 3%時， SMA 路面出現(xiàn)泛 油、車轍的幾率大增。美國借鑒了其 Superpave設計思想，SMA的設計空 隙率一般為 4%，北方寒冷地區(qū)為 3.5%。我國的氣候普遍較德國炎熱，設 計空隙率較小是一些 SMA 工程出現(xiàn)泛油、車轍的重要原因。近兩年來， 在改進了級配之后，也將設計空隙率提高到 4%左右。提到空隙率，不得不談一下混合料的最大理論密度（即文獻口 '中所指的混合料的最大毛體積相對密度 ），因為它直接影響到空隙率的計算結果， 也影響到設計油石比。由于最大理論密度計算失誤，往往導致不恰當?shù)脑O 計油石比及不恰當?shù)脑O計空隙率?；旌狭系淖畲罄碚撁芏瓤梢圆捎脤崪y法，也可以采用

10、計算法。計算法存在的問題是，在瀝青混合料中，瀝青、纖維的密度比較容易測定，但集 料的有效密度測定較難。 “因為礦質集料表面是多空隙的，并能不同程度 地吸收水分和瀝青，而且水分與瀝青的吸收比例隨每一種集料而異” 3。由于瀝青的滲透性比水差，所以混合料中礦料的有效密度應介于表觀密度 與毛體積密度之間，可用式 (2)表示。yi=ys-a(ys-ysb) (2)式中： yi 混合料中礦料的有效密度；ys礦料的表觀密度；ysb 礦料的毛體積密度；a系數(shù)，a 0, 1。采用以上幾種方法對江蘇某高速公路 SMA 混合料最大理論密度的測 算情況如圖 3。在對江蘇瀝青路面常用的玄武巖石料進行大量實驗的基礎上，發(fā)

11、現(xiàn)采用礦料的表觀密度與毛體積密度的平均值(即a=0.5計算最大理論密度，與 采用真空法渙 0 試的結果基本一致，因此我們大都采用礦料的平均密度來 計算混合料的最大理論密度。不同方法得到的最大理論密度，對空隙率、設計油石比有顯著的影 響，見表 5 。對于吸水率較大的集料，這種影響將更為顯著。而指南 中推薦的采用礦料毛體積密度計算最大理論的方法，會導致設計油石比偏 低、實際空隙率偏大，不夠合理。因此，對于不同礦料、不同級配的混合料，建議采用實測的最大理論密度；或先在實測的基礎上，確定系數(shù)a,采用式(2)得到的礦料有效密度來計算最大理論密度；無條件實測時，可取礦料的平均密度 (a 一 0.5)來近

12、似計算最大相對密度。2.3 關于瀝青用量 目前,在我國一些地方出現(xiàn)了不斷地降低 SMA 瀝青用量的趨勢,其 理由是我國的氣候比國外熱、高的瀝青用量會出現(xiàn)泛油、車轍。有些地方 SMA 的油石比已降低至 5.4%,與普通瀝青混合料已無明顯差別。這種趨 勢不一定好。應該認識到，我國早期有些 SMA 工程出現(xiàn)了泛油、車轍、推移等現(xiàn) 象，其原因是多方面的，不能片面地認為就是瀝青用量過高。經(jīng)驗不足、 級配不合理、設計空隙率偏小、使用吸油性較差的石棉纖維或過多地使用 振動碾壓等都可導致 SMA 路面出現(xiàn)泛油。近年來，隨著認識的逐步提 高，配合比方法、設計指標的改進，泛油的情況是可以避免的。眾所周知， SMA

13、 的組成特點是三多一少，即瀝青用量多、粗集料多、 礦粉用量多、細集料用量少。室內外試驗表明，瀝青用量多是 SMA 的重 要特征，也是影響其性能的重要因素。 SMA 的設計的指導思想是，在保證 高溫穩(wěn)定性的前提下，較多地使用瀝青。因此各國都規(guī)定了 SMA 的最小 瀝青用量。由于氣候條件的差異，我國不可能采用歐洲那么高的瀝青用量，但美 國的經(jīng)驗是可以參考的。我們比較了江蘇省與美國佐治亞州的氣象資料， 發(fā)現(xiàn)對于同緯度的地區(qū)，佐治亞州的高溫比江蘇略高，低溫比江蘇略低， 也就是說佐治亞州的氣候比江蘇更嚴酷。而佐治亞州又是美國 SMA 應用 最多、最為成功的兩個州之一 (另一個為馬里蘭州 )。因此片面地講

14、我國的 氣候比國外嚴酷的說法是不恰當?shù)?。我們認為對江蘇的氣候條件而言， SMA 的瀝青用量宜滿足表 6 的要求。1998 年以來，在江蘇寧揚、寧合、寧杭等幾條重交通公路水泥路面加 鋪改造工程中，在瀝青加鋪層上面層采用了改性或非改性瀝青的 SMA 。 為提高面層抗反射裂縫的能力， SMA 面層使用了相對較高的瀝青用量，油 石比為6.2%6.5%。這些路段至今使用效果良好，SMA面層未出現(xiàn)過反 射裂縫，也未出現(xiàn)泛油、車轍等現(xiàn)象，這說明我們采用的瀝青用量是適宜 的。根據(jù)江蘇省瀝青路面上面層所用玄武巖現(xiàn)狀，進行SMA 配合比設計，當級配滿足要求時， SMA(SMAl3 或 SMAl6) 的最佳油石比一

15、般約在 6.0%6.5%，這也是我省 SMA 工程油石比大都在 6.0%6.5%的主要原 因。2.4 關于水穩(wěn)定性檢驗我們通常認為 SMA 的水穩(wěn)定性較好，但前提是在保證其空隙率較小 的情況下。在相同空隙率的條件下進行水損害檢驗， SMA 與常規(guī)的瀝青混合料相比，并未體現(xiàn)出優(yōu)勢來。實際上當空隙率較大時，比如7以上，SMA 的水穩(wěn)定性不及常規(guī)的瀝青混凝土。因此美國采用AASHTO T283試驗評價混合料的水穩(wěn)性時，對于常規(guī)密級配瀝青混合料要求試件空隙率 7%, TSR 8%;而對于 SMA要求試件空隙率 6%, TSR 70%。因此在 多雨地區(qū)，進行 SMA 配合比設計時，應特別重視水穩(wěn)定性的檢

16、驗。AASHTO T283試驗是美國公路戰(zhàn)略研究計劃 （SHRP）推薦使用的評 價壓實瀝青混合料抗水害的標準試驗方法。對SMA 設計檢驗而言,AASHT0T283試驗采用6%空隙率的試件進行真空飽水，飽和度55%80%,再進行凍融循環(huán)，測定條件、非條件試件的劈裂強度比TSR,作為評價 SMA 混合料水穩(wěn)定性的指標,要求 TSR 不小于 70%。由于試件與路 面通車早期的空隙率比較接近 （約 6% ）,因此 T283 試驗較浸水馬歇爾試 驗、凍融劈裂試驗條件嚴酷,也更能反映混合料的水穩(wěn)定性情況。關于 SMA 水穩(wěn)定性的檢驗,文獻 1中推薦了浸水馬歇爾試驗及凍融 劈裂試驗。這兩種試驗均采用馬歇爾試

17、件,空隙率約為4%,比, SMA 路面通車初期 （也是最容易發(fā)生水損壞的時期 ）的空隙率小 （約 6%）, 4%空隙 率的試件基本上不滲水,難以有效評價混合料的抗水損害能力。因此在多 雨地區(qū),在配合比設計階段,有條件的情況下應進行AASHTO T283 水損害檢驗;無條件的可調整馬歇爾擊實次數(shù)或采用靜壓法成型6%的試件,再進行凍融劈裂試驗。2.5 關于碾壓工藝與常規(guī)瀝青路面相比, SMA 的碾壓施工相對簡單。 SMA 的碾壓要求 緊跟攤鋪機,一般采用 10f 左右雙鋼輪壓路機連續(xù)碾壓 35 遍即可。碾壓 中初壓和復壓是連續(xù)進行的,無明顯的界限,之后路面溫度稍低時,用較 寬的壓路機終壓一遍即可,

18、如不必要也可取消終壓。同時為提高平整度, 壓路機的每次碾壓應不停地向前推進,不宜劃分固定的碾壓段落。壓路機 型號的選擇不能僅從噸位上考慮，可按公式 （3）計算輪碾?yún)?shù) RF, 般用 RF 為 22 左右的壓路機為宜 7,對于軟一些的石料,可稍低一些。RF=P/L d2（3）式中：RF輪碾?yún)?shù)，kPa;p輪載，kN ;L 輪長度， m；d輪直徑，m。壓實后，混合料壓實度應不小于最大理論密度的 94%，試件的空隙率 不大于 6?？刹捎勉@孔法檢測密度，短時間內，鉆孔取樣有困難的，壓 實度主要通過數(shù)壓路機的碾壓次數(shù)來控制，并根據(jù)觀察表面是否有明顯輪 跡及瑪蹄脂擠滿程度確定。碾壓中應密切注意路表情況，防

19、止過度碾壓。關于 SMA 是否采用振動碾壓，目前國內外存在著較大的爭議。在歐 美國家，普遍認為振動碾壓會導致 SMA 集料壓碎， SMA 碾壓施工多用靜 壓方式，禁止或較少使用振動 67 。而在我國，很多 SMA 工程都采用振 動碾壓方式，有些工程振動碾壓多達 5 次。振動碾壓成了鑒別是否真正 SMA 的試金石 2 。毋庸置疑，振動碾壓有助于降低路面空隙率、提高壓實度，而且真正 的 SMA 在高溫下振動碾壓的確不會推移。即使這樣，采用振動碾壓時應 小心。因為 SMA 為骨架結構，粗集料相互嵌擠形成了穩(wěn)定的支撐骨架， 細集料、瑪蹄脂僅起填充作用，交通荷載主要由粗集料承受。在相同荷載 作用下， SMA 路面中粗集料間的接觸壓力比 AC 大，因此磨耗的幾率也大 7 。盡管大多數(shù) SMA 工程都采用耐磨耗的優(yōu)質集料，施工中仍然會發(fā)現(xiàn) 骨料被壓碎的現(xiàn)象，在采用振動碾壓時這種現(xiàn)象更為突出。而骨架結構一 旦破壞了， SMA 高溫穩(wěn)定性的優(yōu)勢也將喪失殆盡。實際上由于 SMA 中瑪 蹄脂含量高、細集料用量少，因而 SMA 比 AC 容易壓實。滿足配合比設 計要求的 SMA 基本上不需要振動碾壓，有時候人為地降低