热拌无纤维SMA-13的配合比设计及应用探索

2023-01-26徐韵淳

城市道桥与防洪 2022年12期

徐韵淳

[上海浦东路桥（集团）有限公司，上海市201210]

0 引言

沥青路面建设已有数百年的历史，而在我国，沥青路面从上世纪二十年代首次在上海应用，至今也有近百年的建设历史。沥青玛蹄脂碎石（SMA）路面是20世纪70年代在德国发明的，由于它的良好高温稳定性、低温柔韧性，以及良好的表面宏观构造而赋予的抗滑性，引起了世界许多国家道路工程人员的关注和兴趣。SMA路面于80年代起在西欧得到广泛应用，美国也于1990年起开始对SMA路面进行试验研究，我国自1992年国内铺筑首条SMA道路—首都机场高速公路以来，经过二十多年的发展和应用，我国东部沿海地区，如广东、浙江、江苏等经济发达地区的公路和市政道路路面上应用SMA的比例和规模已经非常大，SMA的生产、施工的技术与能力也非常成熟。

SMA混合料可以认为由两部分组成：一是由粗细料构成的空间骨架结构；二是由沥青、矿粉、纤维构成的玛蹄脂。玛蹄脂填充骨架的空隙，形成密实结构的沥青混合料。

由上述组成结构上可以发现：SMA与其它普通沥青混合料AC类相比，它增加了纤维材料。

不同纤维材料具有不同的性能指标，因此会产生不同的适用性，对于路面性能改进也有不同的侧重。在常规SMA混合料中，国内外的通行做法均添加纤维以稳定沥青。

纤维材料在SMA中所起的吸附、稳定、加筋、分散、增粘作用，均通过改性沥青实现对混合料的增强。若改性沥青用量较少时或者性能较差时，纤维所起的增强作用会极大地削减，甚至产生不良作用，例如：

（1）使用木质素纤维时，若沥青用量不足：集料表面沥青包裹不严密，极易产生早期水损。

（2）使用聚合物纤维时，若沥青性能较差，其纤维与沥青马蹄脂共同形成的次级柔性网架强度不足，不但易变形，而且易形成薄弱界面，使SMA混凝土抗车辙能力极大降低。

（3）纤维生产时投放不及时、投放量不足时，可能引起聚团、泛油，其分散、稳定作用也无从发挥。而目前木质素纤维气力输送的添加量波动、聚合物纤维分袋人工投放均使投放时的稳定性、可靠性无法达到令人满意的程度。

文献[1]针对常用絮状木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维等在SMA中的应用进行了综合性能的比较。其研究结果发现：部分矿物纤维强度不足时，完全破碎后，其无法起到纤维在SMA中应有的作用。但此时SMA中最佳沥青用量约为5.2%～5.5%，较常规的木质素纤维SMA最佳沥青用量5.7%～6.0%约减少0.5%，其综合力学性能满足现行规范[2]要求。

因此，若不使用纤维材料，在使用质量较好的I-D改性沥青（软化点≥70℃）的情况下，通过针对性的配合比设计，是可以生产满足现行规范[2]要求的SMA沥青混凝土[3]。无纤维的SMA材料减少了纤维投放环节，减少了纤维及沥青成本，具备十分优异的生产可靠性和经济性。

现通过无纤维SMA的配合比设计、生产验证及施工实施，提出了无纤维SMA的配合比设计方法，并进行了试验段实施验证，介绍了上海浦东地区在热拌无纤维SMA-13的配合比设计及生产施工的探索。

1 原材料

1.1 集料与填料

试验段所用的集料为玄武岩粗集料及石灰石细集料，符合规范[2]的性能与技术要求，使用规格符合S10、S12、S16规格要求。填料为磨细石灰石粉，质量符合规范[2]填料性能与技术要求。

1.2 沥青

此试验段所用沥青为SBS改性沥青，质量符合规范[2]聚合物改性沥青I-D的技术要求，且软化点为73℃。

2 配合比设计

2.1 总体设计思路

（1）通过添加更多的填料和细集料，弥补纤维缺失和沥青胶结料减少引起空隙率增加趋势。

（2）通过增加改性沥青性能及降低拌合施工温度，提高沥青胶浆粘聚力，防止施工过程中的沥青胶浆流淌（析漏）。必要时可添加温拌剂，以进一步降低施工温度。

（3）通过紧跟碾压，增加压实功，使混合料在略降低施工温度的条件下被充分压实。

2.2 配合比设计结果

沥青混合料级配类型为SMA-13，设计级配范围与设计合成级配组成见表1所列。

表1 无纤维S MA-13沥青混合料设计级配范围与设计合成级配表

合成级配曲线见图1所示。改性沥青用量为5.0%（对应油石比5.3%）。

由图1可知：无纤维SMA-13级配曲线中，通过细集料及填料的用量调整，使通过关键筛孔的质量百分率接近级配范围的上限，以使无纤维SMA-13的空隙率满足3%～4%的技术要求。

图1 无纤维S MA-13沥青混合料合成级配曲线图

2.3 配合比设计验证及性能检验

上述级配的无纤维SMA-13马歇尔试件性能指标如表2所列。

表2 无纤维S MA-13沥青混合料配合比设计检验一览表

由表1可知：无纤维SMA-13沥青混合料与普通SMA-13沥青混合料存在一定差异。需要说明的是，规范[2]要求值是对于使用纤维的SMA，而非对于无纤维SMA的要求，本文将其作为参考要求，但非绝对要求值。

首先，由于缺少纤维材料的稳定作用，无纤维SMA的谢伦堡沥青析漏试验的结合料损失略超出参考的规范[2]要求值。

但若按排水沥青路面的相关技术规范[6]，该指标的要求不大于0.8%，可见该指标并非不可突破的。析漏试验的结合料损失率主要反映沥青马蹄脂在混合料的裹覆稳定性，表征的是沥青混合料在生产、运输、摊铺施工过程沥青混合料是否会发生流淌现象。应通过试验段验证，在实施过程中如不发生流淌现象的要求下，析漏指标不应作为限制条件。

其次，由于增加了填料和细集料，空隙率达到了3%～4%的范围内，但矿料间隙率VMA不可避免地低于规范[2]的要求。

矿料间隙率（Voids in mineral aggregate，VMA）是指沥青混合料压实成型试件全部矿料部分以外的体积占试件总体积的百分率[2]。郭桂爽探讨了矿料级配、沥青用量、集料颗粒形状等对于VMA的影响[7]，明确了：“沥青用量直接影响到全部矿料部分以外的体积。全部矿料以外的体积主要包含了沥青和内部空隙，在空隙率一定的情况下，增加沥青用量，则VMA会明显增大，反之则会减小”。刘雄伟则在实验[8]中发现：由于矿物纤维的稳定沥青效果较差，添加矿物纤维的SMA的VMA指标多数无法满足17%的指标要求。同济大学的林绣贤则阐述了：“最小VMA是为了使沥青混合料有个最小的沥青含量，以形成合适的沥青膜，以保持沥青混合料的耐久性”[9]。

无纤维SMA的情况与使用矿物纤维的情况类似，由于减少了沥青用量，VMA指标很难达到参考规范[2]要求，但SMA需要合适的沥青膜厚度以保证耐久性，其它混合料性能指标应达到参考规范[2]要求。

由表2可知：无纤维SMA-13沥青混合料的稳定度、TSR，以及如图2所示的动稳定度均满足规范[2]要求。