SMA沥青混凝土桥面铺装材料的应用与研究进展

陈 宝，樊振通，张长林，王朝辉，李 林

1. 河南省交通运输厅公路管理局，河南 郑州 450000

2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

3. 河南官渡黄河大桥开发有限公司，河南 郑州 451450

0 引言

改性沥青玛蹄脂碎石（SMA）是20世纪60年代中期德国为了解决车辙问题提出的一种道路结构型式[1]，欧洲国家的实践应用证明，SMA铺装结构表现出良好的抗车辙能力和耐久性[2-3]；美国于20世纪90年代引进该项技术并进行了研究改进和广泛应用；与此同时加拿大加快了对SMA基本原理和关键性能的研究；2000年澳大利亚沥青路面协会（AAPA）基于当地研究并结合欧美经验发布了《沥青玛蹄脂碎石设计和应用指南》[4-5]；日本将SMA铺装层应用于桥面铺装结构底层以改善铺装层的抗车辙性能。中国在借鉴国外技术的基础上，于20世纪90年代中期开始SMA铺装技术的资料收集等准备工作，起初应用于高速公路或城市道路面层结构，1997年虎门大桥率先使用双层SMA作为桥面铺装层[6]，是中国自主研究SMA铺装技术的开端，此后汕头礐石大桥、厦门海沧大桥、重庆鹅公岩大桥以及武汉长江白沙洲大桥等一系列大桥相继使用双层SMA铺装结构[7-10]。但是，在实际运营期间，虎门大桥通车半年内出现车辙和推移等热稳定性病害，厦门海沧大桥、武汉长江白沙洲大桥和武汉军山大桥竣工验收后2年出现层间推移，汕头礐石大桥运营4年后出现纵向开裂和横向裂缝。这些主要因为当时中国对SMA沥青混凝土桥面铺装认识不足，也和中国独特的气候分区、水文地质条件复杂多变以及重载超载现象严重密不可分[11-13]。目前中国由早期双层SMA铺装结构转变为将SMA用于浇注式沥青混凝土和ERS（环氧黏结碎石层（EBCL）、环氧沥青混凝土（RA）、沥青玛蹄脂碎石混凝土（SMA）的简称）铺装磨耗层[14]。尽管国内外规范对SMA桥面铺装的设计、施工等做出了规定，也付诸了大量工程实践，但目前SMA沥青混凝土桥面铺装的一系列研究成果较为杂乱，缺乏系统性的梳理与总结，且关于SMA沥青混凝土性能评价指标尚需深入探索和完善。

鉴于此，本文全面调查国内SMA桥面铺装实体工程及研究动态，对比分析不同SMA沥青混凝土使用性能，推荐更为科学合理的SMA沥青混凝土桥面铺装层原材料、级配范围及性能评价指标要求，为进一步修订和完善SMA沥青混凝土桥面铺装材料相关规范奠定基础，为实际工程应用提供参考。

1 SMA沥青混凝土桥面铺装材料应用的调查及评价

相对于国外，中国的SMA混凝土桥面铺装技术起步较晚，但是应用较为广泛。由于国内关于SMA沥青混凝土桥面铺装材料的相关规范基本借鉴于德国、美国和日本等国外规范指南，且中国疆域辽阔，地跨多个温度带，自然因素复杂多变，在工程应用方面更具有典型性；因此有必要全面调查国内SMA沥青混凝土桥面铺装层典型实体工程和SMA铺装层原材料研究动态以及SMA桥面铺装材料级配应用，深入研究铺装结构组合、原材料选择等对桥面病害的影响，系统总结不同铺装材料对桥面性能的影响规律，从而为SMA沥青混凝土桥面铺装层质量管控提供技术保障。

1.1 实体工程应用调查

全面调查汕头海湾大桥、滨州黄河大桥、佛山容奇大桥等24项SMA沥青混凝土铺装层典型实体工程[6-10，15-23]，将实体工程中沥青原材料类型、油石比、纤维掺量、沥青饱和度、空隙率、马歇尔稳定度、流值和路用性能进行汇总，其中沥青原材料主要有SBS改性沥青、SBR改性沥青、TPS改性沥青以及高模量改性沥青，SBS改性沥青在实体工程中应用较广，占已确定基础沥青实体工程的33.3%。具体结果如图1所示。

图1 国内SMA桥面铺装层典型实体工程材料技术指标及路用性能

分析图1可知以下几点。

（1）对于实体工程中已确定的油石比主要集中于6.0%~6.5%之间，其中6.0%~6.2%之间占33.3%，6.3%~6.5%之间占47.6%。对于纤维掺量，主要集中于0.3%和0.4%，其中0.3%的纤维掺量占61.1%，0.4%的纤维掺量占27.8%。

（2）实体工程沥青饱和度主要集中于75.2%~81.5%之间，其中75.2%~77.3%之间占25%，部分实体工程采用的沥青饱和度超过85%，高于规范要求；实体工程中空隙率集中于3.5%~4.3%，最小空隙率低于2.5%，最大达到5.7%。

（3）对于实体工程中已确定的马歇尔稳定度和流值，马歇尔稳定度均大于6.0 kN，集中于7.5~9.0 kN之间，最大达到13.1 kN，最小为6.3 kN；除个别实体工程（广东崖门大桥）外，流值均在2.0~5.0 mm之间，其中最小值为2.35 mm。

（4）对于实体工程已确定的高温性能，动稳定度（60 ℃）均满足建设部规范要求，其中最大值达到12 448次·mm－1，大于5 400次·mm－1的占75%。对于已确定的实体工程低温性能，低温弯拉应变均大于2 500 με，最大值达11 596 με。

（5）对于实体工程水稳定性，72.7%的实体工程采用TSR和残留稳定度2项指标，其中TSR均大于82%，91.10%~93.12%之间占50%，75%的实体工程残留稳定度大于92.01%。

1.2 SMA沥青混凝土桥面铺装材料研究动态调查

通过调查相关资料，统计了长安大学、重庆交通大学、天津市政工程研究院等研究单位关于SMA沥青混凝土桥面铺装30项典型研究动态，汇总了桥面铺装层原材料类型、纤维掺量、油石比、空隙率、沥青饱和度以及使用性能，其中不同研究单位所用的基础沥青主要分为SBS改性沥青和TPS改性沥青2类，分别占20.6%和38.2%。具体见图2。

分析图2可知以下几点。

（1）对于研究动态已确定的油石比，主要集中于6.0%~7.0%之间，其中6.0%~6.5%之间占53.1%，6.6%~7.0%之间占21.9%；对于纤维掺量，以0.3%、0.35%和0.4%为主，分别占29.2%、25.0%和29.2%。

（2）对于研究动态沥青饱和度，均在交通部规范要求范围内，主要集中于77.3%~80.7%之间；对于空隙率，3.3%~4.0%之间占50%，个别研究动态采用的空隙率低于3.0%。

（3）对于研究动态已确定的马歇尔稳定度和流值，马歇尔稳定度均大于7.0 kN；马歇尔流值主要集中于3.6~4.4 mm之间，部分研究动态的流值达到5.5 mm。

（4）对于研究动态高温稳定性能，82.8%的动稳定度（60 ℃）大于4 000次·mm－1，其中大部分TPS改性沥青加入抗车辙剂，其动稳定度（60 ℃）均大于6 500次·mm－1，最大达43 636次·mm－1。对于低温性能，低温弯拉应变均大于5 000 με，最大达11 596 με。

（5）对于研究动态水稳定性，TSR均大于85%，其中90%以上的占46.4%；残留稳定度均大于75%，其中85%以上的占96.6%，90%以上的占65.5%。对于研究动态疲劳寿命，最大达467万次。

1.3 SMA沥青混凝土桥面铺装材料级配应用调查

对国内桥面铺装SMA铺装层典型实体工程应用及研究动态中级配范围进行汇总，具体见表1。

分析表1可知：重庆鹅公岩大桥采用的级配偏粗，其余实体工程和研究单位的级配基本满足规范要求；所调查到的实体工程和研究动态中，除武汉军山大桥2.36 mm孔筛通过率略低于规范要求范围，其余的均在规范上、下限之间。

表1 SMA铺装层SMA-10级配应用情况

图2 国内SMA桥面铺装层原材料研究动态

对以上实体工程及研究单位级配组成数据进行统计分析，得到0.95保证率下的级配范围，如图3所示。

由表1和图3可知以下几点。

（1）调查级配范围中，4.75 mm的筛孔通过率为25.2%~47.2%，2.36 mm的筛孔通过率为16.6%~30.7%，部分实体工程或研究动态采用的级配低于规范下限；0.15 mm的筛孔通过率为10.1%~14.1%，接近规范要求中值；0.075 mm的筛孔通过率为8.2%~12.4%，均在规范要求范围内。

（2）在0.95的保证率下，设计级配各筛孔通过率均在规范要求范围之内，其中，4.75、0.15 mm筛孔通过率接近规范要求中值。

1.4 SMA沥青混凝土主要原材料路用性能调查

为明晰沥青原材料对SMA沥青混凝土路用性能的影响，提升桥面铺装层使用寿命，梳理统计SBS改性沥青混凝土和TPS改性沥青混凝土动稳定度、TSR值和残留稳定度，对比分析不同SMA沥青混凝土的高温稳定性和水稳定性，为今后进一步的性能研究提供参考。具体如图4、5所示。

图3 满足0.95保证率的SMA-10级配曲线

图4 不同SMA沥青混凝土高温稳定性

由图4、5可知以下几点。

（1）对于不同SMA沥青混凝土的高温稳定性，TPS改性沥青混凝土的动稳定度（60 ℃）主要集中于7 418~12 448次 ·mm－1，甚至部分已接近20 000次·mm－1，高于SBS改性沥青混凝土。这主要是因为，TPS改性沥青的性能要优于SBS改性沥青，其次TPS改性沥青混凝土在实体工程应用和科研研究中加入了抗车辙剂，会大大提高其高温稳定性能。

图5 不同SMA沥青混凝土水稳定性

（2）对于不同SMA沥青混凝土的水稳定性，以TSR为检验指标，TPS改性沥青混凝土的冻融劈裂强度略高于SBS改性沥青混凝土；但SBS改性沥青混凝土的残留稳定度要高于TPS改性沥青混凝土。这是由于，不同油石比条件下，改性沥青混凝土集料表面沥青膜厚度有所差异，改性沥青与集料的黏结效果也不尽相同，因此改性沥青混凝凝土所表现出的水稳定性有所差别。

2 SMA沥青混凝土原材料和性能评价指标推荐

全面考虑国内关于SMA沥青混凝土桥面铺装典型实体工程及研究成果，总结归纳其主要材料、性能评价指标建议值，如表2~4所示。

表2 SMA沥青混凝土原材料推荐结果

表3 SMA沥青混凝土性能评价指标技术推荐要求

表4 SMA沥青混凝土级配范围建议值

3 结语

本文全面调查了国内SMA沥青混凝土桥面铺装实体工程及研究动态，对比分析了不同SMA沥青原材料对混凝土路用性能的影响，推荐了更为合理的SMA沥青混凝土桥面铺装材料类型以及混凝土路用性能评价指标和技术要求，为进一步推广SMA沥青混凝土桥面铺装的广泛应用提供了科学依据与技术保障。

SMA沥青混凝土的性能远优于普通沥青混凝土，具有良好的高温稳定性，能有效地减少桥面车辙病害。但是，对于SMA沥青混凝土的低温性能，存在各部规范差别较大、相关研究比较薄弱等问题，大大限制了SMA沥青混凝土铺装材料的应用与发展。因此，加大对SMA沥青混凝土低温抗裂性能的深入研究，对SMA沥青混凝土桥面铺装材料的推广具有重要的现实意义。