SMA混合料设计方法的探讨

任玉林

(中交第一公路勘测设计研究院有限公司)

SMA混合料设计方法的探讨

任玉林

(中交第一公路勘测设计研究院有限公司)

摘 要:SMA结构以其优良的温度稳定性、耐久性和良好的表面特性引起国内外公路、机场等结构面层的广泛应用。SMA混合料作为新型的路面结构材料，与传统的混合材料有很大差别，在设计方法上，单一传统的马歇尔法已不能适应这种新型结构材料的配制，必须研究新的设计方法，本文结合工作实践，对SMA混合料的优化设计方法进行了探讨和推广。

关键词:SMA混合料;马歇尔试验;车辙试验;低温抗裂性能试验;沥青最佳用量

沥青混凝土路面以其造价低、施工方便、行车舒适等优点，被世界各国所重视。国外在修建的高等级公路中，85%以上为沥青混凝土路面，我国已建成的高等级公路中，更有95%以上为沥青混凝土路面。沥青混凝土路面较之其它路面的优势使得未来相当长的时间内公路路面的主要材料将是以沥青混凝土为主。因此，改善沥青路面性能，对组成沥青混凝土的各种材料进行深入的研究，是非常必要的。

沥青玛蹄脂碎石混合料(stonematrixasphalt，简称SMA)是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂结合料填充间断级配的粗骨料骨架间隙而组成的沥青混合料。SMA沥青玛蹄脂混合料是当前国际上公认的一种抗变形能力强、耐久性能较好的沥青面层混合料，由于粗集料的良好嵌挤，混合料有非常好的高温抗车辙能力;同时由于沥青玛蹄脂的粘结作用，低温变形性能和水稳定性也有较多的改善;添加纤维稳定剂，使沥青结合料保持高粘度，其摊铺和压实效果较好;间断级配在表面形成大孔隙，构造深度大，抗滑性能好;同时混合料的空隙又很小，耐老化性能及耐久性都很好。因此，我国在首都机场路，北京长安大街及近年建设的多条高速公路面层中均采用了一定数量的SMA沥青混合，使用效果非常好。

SMA的结构组成特点可概括为“三多一少，即粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少”。SMA沥青混合料5mm以上的粗集料比例高达70%～80%，矿粉的用量达7%～13%，“粉胶比”超出通常值1.2的限制，很少使用细集料;沥青用量甚至高达6.5%～7%，粘结性要求高，并希望选用针入度小、软化点高、温度稳定性好的改性沥青。随着我国对SMA沥青混合料的进一步研究，这种新型的SMA沥青混合料必将得到更广泛的推广和使用。

1 集料的选择

1.1 集料的性质要求

鉴于粗集料在混合料内起骨架作用，且SMA混合料暴露在表面的粗集料颗粒远大于沥青混凝土，粗集料颗粒更易直接受到动荷的作用。所以，粗集料(2.36 mm以上)必须是强度高、耐磨光、耐磨耗、耐久性高的岩石轧制而成，以便在材料受到车轮荷载作用时，颗粒之间的相互挤压不致压碎石料，表面的磨光、磨耗作用不致降低路面的抗滑性能。

粗集料颗粒的几何形状、表面特性对骨架会产生大的影响，近似立方体、表面粗造的颗粒骨架结构能抵抗较大的车辙作用。而较多的针、片状颗粒会使骨架结构的紧凑性变差或在受到重荷时，针、片状颗粒折断，使混合料过早地产生内部裂缝缺陷。一般针、片状含量不应大于20%。

粗集料的化学性质要求比其它混合料宽松，因为沥青用量大，即使某些硬度很高的酸性石料也可以用于SMA混合料。

矿粉一定是碱性矿料石灰岩类磨细而成，这对混合料中有玛蹄脂作用的高粘度沥青胶浆是非常重要的。

1.2 集料的级配要求

现有德国规范中所规定的级配范围太宽，实际选用时较为困难，美国联邦公路局(FHWA)建议的级配范围较窄，使用要方便些，但在4.75 mm以上的筛孔通过规定对公称最大粒径为16 mm的SMA-16显得偏大，大颗粒少，不易充分发挥大颗粒在骨架中的重要作用。因此，在FHWA建议2.36 mm主要规定值基础上，9.5 mm、13.2 mm应参照德国规范做适当调整。两种级配范围级配见表1。

表1 建议SMA混合料矿料级配

根据当地料源，选择合适级配的原则是，尽可能采用高含量的粗集料，使其形成均匀的骨架结构，即4.75 mm通过量约为30%，2.36 mm约为20%，0.075 mm约为10%，并与合适沥青用量(如6%左右)所形成混合料的残留空隙率在2% ～4%范围内。

2 稳定剂的使用

由于SMA混合料的沥青用量大、矿粉含量高，且矿粉与沥青构成的胶浆在高温下易产生离析，所以，混合料的稳定性是必须的。纤维稳定剂除起稳定作用外，对提高抗车辙能力有利。从施工角度考虑，纤维稳定剂未必是越多越好。木质素纤维宜采用0.3%，必须在室内架空堆放，严格防潮，保持干燥。矿质纤维宜采用0.45%，易形成污染的石棉纤维应尽可能不用。

3 沥青的种类及沥青最佳用量的确定

3.1 沥青的种类

SMA混合料中的重要组成部分高粘玛蹄脂沥青胶浆，一是采用高含量的矿粉，二是要有粘度较高的沥青予以保障。从工程中一些试验表明，粘度较高的改性沥青与原沥青反映出不同的效果。因此，粘度较高的沥青是非常重要的。综合前述各种性能随沥青粘度变化趋势结果，西北地区应采用AH-70左右的沥青，或AH-90加适量改性剂的沥青。改性沥青的运输温度不得低于150℃，保温贮存温度不得低于140℃，不得长时间存放，对现场加工的改性沥青，必须不问断地搅拌，以防改性剂离析。

3.2 沥青最佳用量的确定

确定沥青用量的主要程序是马歇尔试验分析、车辙试验分析与低温抗裂性分析，另外，还应进行疲劳性能分析。

(1)马歇尔试验分析

马歇尔试验的目的是检测混合料试件的密度和空隙率，WMA、VCA、VFA等四大体积指标，同时检查马歇尔稳定值和流值。在采用与美国FHWA建议级配类似的矿料时，以包括6%在内的4～5个沥青用量成型马歇尔试件，测定残留空隙率、马歇尔稳定度等指标，以马歇尔稳定度最小值5.0 kN、空隙率2% ～4%为控制指标，同时应根据不同气候条件，特别是寒冷地区，因马歇尔试验是在60℃的条件进行的，对马歇尔试验的结果加以修正，然后选定一个较窄的沥青用量范围，作为下一步车锗试验分析的沥青用量。

如果上述两控制指标不能满足，则分析检查原因，如属材料方面的问题，应调整矿料级配，时其混合料密实度提高，或在规定的范围内提高矿粉用量以及改善矿粉质量，或调整沥青标号、提高粘结力。

(2)车辙试验分析

以上述确定沥青用量范围为依据，并按相应击实马歇尔试件密度制备车辙板进行车辙试验分析。由于SMA混合料应在那些超重交通量的公路上发挥作用，所以，参照日本对动稳定度的要求，取3 000次/mm动稳定度作为控制指标，以确定满足抗车辙性要求的沥青用量。

(3)低温抗裂性试验分析

SMA混合料在低温抗裂性方面优势的发挥，要求混合料的沥青用量达到一定的水平，所以，参照国外经验和有关试验结果，取0℃下最小弯拉应变能5.5J作为控制指标，以确定满足低温抗裂性要求的最小沥青用量。

把握好上述三个方面的选择、控制和检验工作，一定能够确定沥青最佳用量，设计出优质的SMA混合料，确保路面材料的使用效果。

4 结束语

SMA路面表面粗糙，高温稳定性、水稳定性和耐久性好，可避免早期损坏、减少维修养护费用，且能延长使用寿命。尽管初期投资有所增加，对施工工艺要求较高，但仍将产生很好的经济效益。目前SMA混合料的材料、设计和施工技术已较成熟，用以改善高速公路和城市道路切实可行。道路现场取样的试验结果与道路目前良好的使用状况说明SMA混合料非常成功的。将改性沥青技术与SMA路面技术有机结合起来，有效地扩展了这种沥青混合料的温度稳定域，使SMA路面耐温性能与耐久性能均有很大提高。

目前我国在SMA使用推广方面存在一些偏颇倾向，几乎所有工程均直接将其用于铺筑路面表面层，而我国高速公路沥青路面向来是表面层不薄，中、下面层不厚的。实际上，SMA本来应该仅仅作为抗水、抗磨耗层使用，国外技术规范大多将SMA列为主要的薄层罩面材料，另一种常用的磨耗层是OGFC。对此，我们有必要深刻反思，避免将SMA路面技术研究的本土化，演变成SMA材料使用的中国化。针对SMA优良的使用性能，建议在中国开展长寿命沥青路面研究中，可以考虑将其作为首选的表层罩面材料，其上疏下密的组织结构对路面水的封阻效果十分出色，这对路面早期水损害的防治具有重要意义。

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［1］余叔藩.SMA路面设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ 052-2000)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］李银萤.城市道路SMA沥青混凝土路面配合比设计与施工技术［J］.中外建筑，2009:141-143.

中图分类号:U414

B

1008-3383(2011)06-0119-02

收稿日期:2011-05-13

作者简介:任玉林(1962-)，男，高级工程师、主要从公路勘察设计方面的工作。