SMA 沥青混合料在高速公路养护工程中的应用

2021-12-21柯建聪

福建交通科技 2021年8期

■柯建聪

（福建省高速公路达通检测有限公司，福州 350001）

SMA 沥青混合料具有粗集料、矿粉、沥青多，细集料少的材料组成特点，能够形成坚固的骨架嵌挤结构，由于该混合料铺筑的道路具有良好的高温稳定性、低温稳定性和水稳定性，同时抗滑、平整度高以及具备良好的耐久性[1]。因此，SMA 路面自20 世纪60 年代首次在德国出现以来[2]，在国内外得到了较多的研究和应用。除了优异的路面性能和耐久性外，沥青用量多，导致该种路面形式造价较高，但是总体上来看，SMA 沥青混合料更多的使用在路面交通量大、重车荷载比重大，对路面结构、性能要求高的路段。考虑到SMA 路面的优异性能，近年来，路面养护中也更多的使用了SMA 路面形式。鉴于此，本研究依托长深三福三明连接线路面养护工程，对SMA 在养护工程中的应用进行研究和总结。

1 工程概况

长深三福三明连接线是2018 年福建省福银高速公路等路段路面提升改造工程中的一个养护路段，总长19.735 km，该路段已达到路面设计使用寿命，沥青路面老化严重，路面病害频繁发生。通过统计分析，该路段历年养护里程并未随每年的养护而减少，每年有限的养护资金投入也难以最大程度地体现效益，导致养护成本不断提高。因此，综合考虑该路段繁重的交通量和经济社会效益，对该路段主线路面进行大修，其原路面结构形式为：1 cm 微表处+4 cm AK-16A 抗滑表层+5 cm AC-20I 中面层+7 cm AC-25I 下面层+30 cm 5%水泥稳定碎石基层+17～20 cm 3%水泥稳定碎石底基层。本次养护施工重构路面的方案为：（1）路面状况良好，仅存在局部病害的路段，对局部病害进行处治后直接加铺SMA-13；（2）病害发生在上面层及以下结构层，对原路面各病害结构层进行铣刨并重铺，最后在表面层铺筑SMA-13。

2 混合料配合比设计

2.1 原材料选取

原材料选取：（1）集料选用三明北石料场生产的粗、细集料，其规格为0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm；（2）沥青选用中油路通生产的SBS（I-D）改性沥青；（3）填料选用尤溪东方新源白钙石粉厂生产的矿粉，为碱性石灰岩磨细而成；（4）木质素纤维为盐城市欧路宝纤维科技有限公司生产，抗剥落剂选用重庆伍圣建材有限公司生产的AR-II 沥青抗剥落剂。以上原材经检测，均满足规范要求。

2.2 矿料级配选择

首先对各档矿料进行筛分，筛分结果见表1。

表1 各档矿料筛分结果

依据各档矿料筛分结果，结合相关工程经验，初选A、B、C 三组级配，对应的9.5～13.2 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶矿粉的比例分别为级配A（32∶45∶6∶10∶7）、级配B（30∶43∶8∶11∶8）、级配C（28∶41∶10∶12∶9），三组级配4.75 mm 筛孔的通过率分别为22.3%、25.9%和29.5%，具体级配组成计算结果见表2。分别检测三组级配的VCADRC，并根据工程经验预估沥青用量为5.8%，以此沥青用量制件进行马歇尔试验，测定VCAmix、空隙率、VMA、VFA 等指标，最终以符合VCAmix≤VCADRC且VMA≥17%为标准确定最终级配，马歇尔测试结果见表3。

表2 初拟配合比设计组成

表3 初拟三组级配马歇尔试验结果汇总

综合考虑马歇尔试验参数的结果，级配B 的空隙率、矿料间隙率较为合适，沥青饱和度、稳定度符合规范要求，因此选取级配B 为设计级配。

2.3 最佳沥青用量确定

以级配B 和预估沥青用量5.8%为基础，以0.3%为间隔选取5.5%、5.8%、6.1%3 个沥青用量，木质素纤维掺量选取为沥青混合料的0.3%，进行马歇尔试验以确定SMA 混合料的最佳沥青用量，试验结果见表4。

表4 不同沥青用量下马歇尔试验结果

据表4 可知，当沥青用量为5.8%时，混合料的空隙率为3.8%，而其他指标均符合规范要求且处于较好的范围内，进一步考虑到该路段为重载交通路段，所以取沥青用量为5.8%为最佳沥青用量。

2.4 沥青混合料性能检验

依据设计级配和5.8%的沥青用量制备试件，进行谢伦堡析漏、肯塔堡飞散、浸水马歇尔、冻融劈裂、车辙、弯曲、渗水试验，结果显示该级配和沥青用量下混合料的路用性能满足要求，试验结果见表5。

表5 沥青混合料性能验证结果

3 质量控制要点分析

沥青路面保持耐久使用的关键，不仅要求采用良好的配比设计、优质的原材以及性能先进的筑路机械，还需要高超的施工质量控制技术。对于SMA-13 沥青混合料施工质量控制一般是从混合料的拌和、运输、摊铺、碾压4 个环节进行，相应的质量控制技术已经很成熟了，在此不再赘述。结合近年来有些高速公路沥青路面出现了早期病害严重、路面服务水平降低的现象，这可能与施工质量控制的因素有较大的关系，因此进一步归纳总结施工过程中质量控制的要点显得特别的重要。

3.1 下承层的质量控制

高速公路养护施工与新建高速的施工有所不同，一般是在原路面上直接加铺或铣刨旧路面后重铺，那么就需要对下承层进行处理，使其满足施工的要求。

3.1.1 对于直接加铺段

（1）首先对旧路面的标线进行铣刨清除，旧标线的存在影响加铺层的平整度、加铺层与旧路面的黏附情况等，所以务必将旧标线彻底清除干净；（2）对于裂缝病害，采用割槽灌缝后张贴SBS 沥青防水抗裂贴的方式处治，以减缓裂缝病害往上延伸及路面水通过裂缝入侵下层造成水损害；（3）对于上下坡、弯道路段，采用微铣刨的方式进行拉毛处理，以增加此类路段加铺层与旧路面的粘结力；（4）清除路面杂物、灰尘、油污等，最后按规定洒布粘层油。

3.1.2 对于铣刨重铺段

（1）根据刻画好的铣刨面积和设计铣刨深度沿行车方向进行铣刨，当坑槽中出现夹层时，需要增加铣刨深度至彻底裸露出坚实底层为止，边角无法铣刨的地方应该用切割机切割，再用风镐和铁锹人工清除，以保证槽壁整齐垂直、槽底平整；（2）为保障铣刨重铺层与旧路面接缝处的粘结，在摊铺SMA沥青混合料前，采用SBS 沥青防水立面贴张贴在槽壁上以增加接缝处的粘结效果；（3）清除工作面上的碎石、浮料等，使工作面洁净、干燥，最后按规定洒布粘层油。

3.2 原材料的质量控制

3.2.1 集料

集料的质量主要从以下3 个方面进行把控：（1）加强料源管理。近年来，随着环境保护力度的加大，碎石开采受限，地材供应紧张，导致碎石采购杂乱无序，影响路面质量的稳定、均质。因此，在施工准备阶段，应摸底排查工程项目所在地周边的所有的潜在料源，对碎石材质、生产工艺、储量、碎石性能指标、运距、成本等进行综合比选，以确定路面各结构层的料源稳定。（2）由于粗集料占比较高，SMA对其的要求比较严格，不仅要求耐磨坚硬、集料颗粒近似于立方体，而且要求表面构造较为粗糙、针片状含量小，集料颗粒间易于形成良好的嵌挤结构；对于细集料，应干净坚硬，有良好的嵌挤、棱角性能，具备一定的精细级配，以提高沥青混合料的高温稳定性，同时应严格控制≤0.075 mm 的颗粒含量。（3）对于进场的集料原材，应严格控制其合成级配，合成级配应满足规范和设计的要求范围。一方面，合适的级配范围是构筑坚固的骨架嵌挤结构的基础；另一方面，合成级配偏粗或偏细将影响比表面积的大小，进而影响集料上裹覆的沥青膜厚度，沥青膜偏厚可能会导致施工中出现油斑、推移；沥青膜偏薄，可能会导致摊铺的沥青混合料难以压实、空隙增大，出现渗水系数不合格。

3.2.2 改性沥青

改性沥青的质量把控：（1）选择信誉良好的供应商和沥青品牌进行采购，对于SBS 改性沥青应选派专人驻场监造，同时定期从源头上即沥青生产罐内抽检改性沥青，送不相关的第三方进行检测，最大程度避免沥青供应商以次充好、品牌假冒、混兑调和等，确保使用在路面上为优质改性沥青。（2）有研究表明[3-4]，改性沥青中SBS 含量是影响改性沥青性能的重要因素，改性沥青的各项指标会随着SBS含量的变化发生相应的变化，在其性能影响上SBS的含量存在临界值，一般临界值在5%左右。通常在SBS 含量≤5%的范围内，随着SBS 含量的增加，改性沥青的针入度有所下降、软化点会升高、粘度值也会随之升高；但当SBS 含量＞5%时，其相应指标反而会下降。由此可以得出，恰当的SBS 掺量才能使改性沥青达到最佳使用性能。

因此，施工中应按照设计文件要求严格控制改性沥青中SBS 的含量，现场配备SBS 含量快速检测仪器，实行专人检测、每车必检。

3.2.3 矿粉

矿粉在沥青混合料中的作用主要是与沥青形成沥青胶浆，裹覆在集料颗粒之上。一般设计文件上对矿粉中消石灰的添加量有要求，多为≮20%，按要求添加消石灰，有助于黏附性的提高，但在实际施工管控中，由于成本的原因，消石灰的添加量不尽如人意，因此，应增加矿粉采购预算，加强矿粉中消石灰含量的检测力度，确保应用到工程中的矿粉质量。

3.2.4 抗剥落剂

严格控制抗剥落剂的添加及添加量，料源的不稳定性等导致集料黏附性差异较大，使用抗剥落剂可以在很大程度上改善集料与沥青的黏附性。因此，实际施工中应对新进场的改性沥青检验合格后在注入沥青罐时同步添加抗剥落剂，并在沥青罐内强制搅拌，添加数量应根据设计要求而定，不可过多或过少，添加过程应安排专人负责。

3.3 施工过程中温度控制

对于普通热拌沥青混合料而言，温度对路面质量的影响很大，从混合料生产到摊铺碾压结束后开放交通，温度控制贯穿其中。而SMA 混合料中因为添加了大量的矿粉、木质素纤维，其施工难度比普通沥青混合料更高，因此更应该加强对施工过程中的温度控制。（1）由于矿粉、木质素纤维含量高，且为常温状态直接添加，因此SMA 混合料生产中集料达到加热温度要比普通热拌沥青混合料要高些许；改性沥青的加热温度应根据现场实际情况合理控制，温度偏低时可能造成混合料拌合不均匀，温度偏高又有可能造成沥青的老化。一般来说，SMA-13 沥青混合料的加热温度要比普通沥青混合料高10℃～20℃，在实际应用中应根据材料情况（如干湿状态）、压实厚度、现场气候条件等具体分析确定。（2）由于改性沥青软化点高、黏度大，因此改性沥青混合料SMA-13 的施工适合在高温状态下而不适合在低温下施作。在实际施工中，改性沥青混合料SMA-13 的施工温度应根据沥青的标号与黏度、铺装层厚度、改性剂种类与掺量、现场气候情况等而定。 SMA-13 混合料的施工温度可以依据表6 中的温度选择。根据施工经验，在具体操作时施工温度可依据材料状况、当地实际情况作适当调整。对于改性剂使用量偏多、沥青黏度偏大的情况，施工温度适宜选择规定范围的上值，反之则选择下值；对于施工现场气温偏低时，施工温度可适宜选择规定范围的上值，反之则选择下值。

表6 SMA-13 混合料施工温度范围要求

3.4 沥青含量控制

在保证坚固的骨架嵌挤结构的基础上，合适的沥青含量对于SMA-13 混合料的施工质量同样重要。在生产中，改性沥青使用量必须严格按照配合比进行单独计量，而后再注入到拌和锅中，正常情况下不可过多或过少，如若沥青含量过多，会大大降低沥青混合料高温性能，同时也会对路面构造深度产生不利影响，甚至会使施工的路面上出现泛油；如若沥青含量过少，裹覆在集料上的沥青膜偏薄，混合料难以压实，造成空隙率偏高，渗水系数将会偏高，路面雨水容易进入路面，造成耐久性降低。

在实际施工中可以三个方面去把控沥青含量：（1）每施工日的上、下午在施工摊铺现场的摊铺机两侧各取一组混合料，进行马歇尔试验及燃烧炉法测沥青含量，掌握当日生产混合料的沥青含量、空隙率以及稳定度、流值等技术指标，根据当日试验结果并参照前几日的沥青含量数据作相应调整或不作调整。（2）确保拌和楼控制电脑的打印装置运行良好，每施工日结束后及时逐盘打印沥青使用量、各仓集料使用量、沥青混合料的重量，绘制沥青含量波动图，并与试验检测数据进行比对。（3）每施工日或定期计算沥青混合料出料重量、沥青消耗量，验算沥青使用量是否合适。以上3 种方式计算出的沥青使用量或沥青含量可以相互比对，确保沥青含量合适，当出现较大偏差时应及时查找原因并及时解决。