SMA-8在新建高速公路路面工程中的应用

李明博

[山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，太原 030032]

沥青玛蹄脂碎石混合料起源于德国，20世纪90年代被引入我国，1993年首次被应用于首都机场高速公路路面工程[1]。经过多年发展，我国已成功推广SMA的中粒式(SMA-20、SMA-16)和细粒式(SMA-13、SMA-10)沥青混凝土，其在高速公路、一级公路的建设和养护中得到广泛应用，且国内已有相应的技术规范。

SMA为骨架密实型结构，该结构既规避了传统密级配沥青混凝土(AC)、沥青碎石混合料(AM)和排水性沥青混合料(OGFC)的缺点，又保留了它们的优点[2]。SMA的抗车辙性、疲劳耐久性、抗裂性、水稳定性、渗水性、抗老化性、抗磨损性和抗滑性等各项性能优异，尤其是解决了传统沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性与抗滑性、耐久性不兼容的问题[3]。

为提高路面质量，降低SMA路面成本，尤其是减少面层优质石料的用量，施工中常用的方法是减少面层厚度。为了达到减少面层厚度、降低成本的目的，本文将上面层SMA最大粒径缩小到9.5 mm，并通过室内试验研究SMA-8的技术性能，结合试验段铺筑探究SMA在新建高速公路路面工程中的应用效果，以期为其他公路路面工程提供借鉴和参考。

1 原材料

1.1 粗集料

粗集料选用辉绿岩，粒径为3～5 mm和5～8 mm 两档，粗集料技术性能如表1所示。

表1 粗集料技术性能

1.2 细集料

细集料选用变质砂岩加工制成的机制砂，其表面洁净、干燥，质量稳定，粒径为0～3 mm。细集料技术性能如表2所示。

表2 细集料技术性能

1.3 沥青

沥青采用高黏改性沥青，沥青技术性能如表3所示。

表3 沥青技术性能

1.4 填料

填料为石灰岩磨细的矿粉，外观无团粒结块，矿粉技术性能如表4所示。

表4 矿粉技术性能

1.5 纤维稳定剂

纤维稳定剂采用絮状木质素纤维，纤维长度为4 mm，灰分含量为20%，含水量为1%，相对密度为1.123，其掺量为沥青混合料总质量的0.3%。

2 配合比设计

2.1 级配范围的确定

现有规范未明确SMA-8的级配范围。在世界上，德国最早使用SMA，用量大、填料多、空隙率小，但德国夏季气温不高，因此不会出现泛油和车辙问题。美国对SMA进行了优化升级，其SMA技术基本成熟。我国的纬度和气候条件与美国相近，可使用与美国相似的SMA设计方法[4]。

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)中SMA推荐级配最细的为SMA-10，但级配范围较大，尤其是筛孔尺寸4.75 mm的通过率为28%～60%，增大了设计难度。考虑本次施工路段所属气候为亚热带季风气候，参考国内外SMA级配范围的规范要求和国内施工经验[5]，进行SMA-8级配设计，SMA-8级配设计如表5所示。

表5 SMA-8级配设计

2.2 级配设计

原材料筛分结果如表6所示。

表6 原材料筛分结果

根据原材料筛分结果，参考SMA-8级配范围，初步确定甲、乙、丙3种级配。级配甲的掺配比例为：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(矿粉)=64∶6∶20∶10；级配乙的掺配比例为：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(矿粉)=66∶6∶18∶10；级配丙的掺配比例为：m(5～8 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m(矿粉)=68∶6∶16∶10。SMA-8合成矿料级配如表7所示。

表7 SMA-8合成矿料级配 (%)

设定6.3%为初试油石比，对SMA-8进行马歇尔试验，马歇尔试件双面各击实50次成型，成型温度为170 ℃～180 ℃，SMA-8不同设计级配的体积参数如表8所示。

上述3组级配以2.36 mm为下限，检测粒径>2.36 mm粗集料的松方密度分别为1.640、1.637和1.632，粒径>2.36 mm粗集料的毛体积相对密度为2.794，进而得到3组级配的VCADRC分别为41.3%、41.4%和41.6%。

由表8可知，级配甲和级配丙的空隙率均不满足技术要求。因此，选择级配乙为SMA-8的目标级配。

2.3 最佳油石比

根据选定级配，设定油石比6.1%、6.4%和6.7%进行马歇尔击实试验，SMA-8不同油石比的体积参数如表9所示。

根据《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》(SHC F40—01—2002)，南方炎热地区SMA设计空隙率为4%。结合实际工程应用经验，本试验选取6.4%为SMA-8的最佳油石比。

3 路用性能

为检验SMA-8配合比设计，对前文选择的级配乙进行路用性能研究。

3.1 高温稳定性

采用车辙试验对SMA-8的高温稳定性进行测定。将车辙试件在规定试验温度和轮碾条件下，沿试件表面同一轮迹反复碾压，测定试件表面形成的车辙深度。以每产生1 mm车辙变形所需要的碾压次数(以动稳定度表征)作为评定抗车辙能力的指标，动稳定度越大，沥青混合料的高温稳定性越好。

车辙试验结果为：SMA-8的动稳定度为7 412 次/mm，远远高于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)动稳定度>3 000次/mm的技术要求。

3.2 低温抗裂性

采用低温弯曲蠕变试验对SMA-8的低温抗裂性进行测定。将车辙试件切割为长250 mm、宽30 mm、高35 mm的小梁试件，在-10 ℃下养护5 h，支撑点间距为200 mm，加载速度为50 mm/min。

根据荷载-挠度曲线，求得最大荷载和跨中挠度，进而得出抗弯拉强度为8.96 MPa，破坏时的梁底最大弯拉为2 875 MPa，破坏时的弯曲劲度模量为3 125 MPa。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验对SMA-8的抗水损害能力进行测定。浸水马歇尔试验结果为：SMA-8的浸水0.5 h和48 h的稳定度分别为11.2 kN和10.95 kN，SMA-8的残留稳定度为97.8%，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)残留稳定度≥80%的技术要求。

3.4 谢伦堡沥青析漏试验

谢伦堡沥青析漏试验是德国为SMA配合比设计制定的方法，能够确定沥青混合料中是否含有多余的自由沥青或沥青玛蹄脂，进而确定SMA的最大沥青用量。采用谢伦堡沥青析漏试验对SMA-8的析漏损失进行测试，试验温度为185 ℃。结果表明SMA-8的析漏损失为0.08%，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)析漏损失≤0.1%的技术要求。

3.5 肯塔堡飞散试验

肯塔堡飞散试验用来评价路面由于沥青用量或黏结性不足，在交通荷载作用下路面表层集料脱落而散失的程度。将养护好的标准马歇尔试件放入洛杉矶试验机，以30～33 r/min旋转300 r，计算质量损失，进而确定SMA所需最小沥青用量。

试验结果表明SMA-8的飞散损失为1.36%，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)飞散损失≤15%的技术要求。

4 工程应用

某新建高速公路所处地区属亚热带季风气候，夏季最高温32.9 ℃，极端值39.2 ℃，且降雨量大，气候条件要求路面结构具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和抗车辙性。将SMA-8进行现场试验段试铺，施工过程中注意以下几点：

(1) 施工前要求处治下承层，同时彻底清扫路面、去除积水，确保路面干燥洁净后方可加铺。

(2) SMA-8采用高黏改性沥青，拌和温度为170 ℃～190 ℃。沥青混合料拌和后外观应均匀黝黑，无花白料、结团等现象。

(3) 热沥青混合料摊铺温度控制在165 ℃以上，摊铺一次成型。应合理安排，将人工干预最小化，如果出现少量摊铺缺陷，应及时用热料进行人工修补并压实。为避免离析，摊铺宽度不得超过8 m，摊铺速度不超过3 m/min。

(4) 摊铺成型后，初压采用13 t双钢轮压路机在静压模式下进行压实、收光整平，复压采用重型振动压路机碾压，遍数不少于3遍。振动压路机遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”原则。初压温度控制在160 ℃以上。

(5) 路面温度冷却到50 ℃以下方可开放交通。

施工结束后，对路面厚度、平整度、渗水系数和构造深度进行检测，SMA-8路面试验段实测结果如表10所示。SMA-8的各项检测指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)的技术要求。

5 结论

本文结合国内外相关规范和国内施工经验，确定了SMA-8的级配设计范围；通过室内试验对SMA-8进行了级配设计，确定了最佳油石比为6.4%。室内试验和现场试验段试铺试验结果表明，SMA-8的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、渗水性和抗滑性等性能优异。相较于厚度为24～26 mm的SMA-16，SMA-8，降低了造价。且SMA-8不易离析，降低了施工难度，各项检测指标均满足相关规范的技术要求，具有广阔的应用前景。