SMA-16L沥青混合料设计与施工

文 /邢照辉

沥青玛蹄脂碎石混合料（ SMA）路面具有良好的稳定性、致密性、抗滑性、耐久性以及后期经济效益，在国外已被广泛应用， 普遍使用于重交通量的道路、机场及码头等铺面的面层。由于 SMA在欧洲及美国地区所展现的优越效能，引起了我国的关注，经过逐年的研究、试铺后，已经列入公路沥青路面施工技术规范（JTGF40-2004）当中。 但是，随着对近几年已铺筑的 SMA路面进行调查，发现很多路面的路用性能并未象我们所预期的那样良好，出现了较多的病害 ， 主要表现为行车道车辙和水损坏。

出现上述问题的原因，我们认为主要有几个原因：一是 交通量的迅猛增长，大、重型车辆所占比例逐年提升，尤其是超载车实际上大量存在，使路面在交工通车后行车道迅速出现车辙。二是上面层 SMA沥青玛蹄脂碎石混合料中纤维掺加量偏低，致使沥青用量偏小，无法将骨料间空隙充分填充饱满，导致部分路段路面普遍存在有“透水”现象，这是造成各种“水损害”病变发生的一个主要内因和诱因。三是在路面设计、施工及路面病害治理过程中，没有充分认识到“水”对路面的破坏作用，对路面的防水、排水和层间粘结没有格外重视，采取行之有效的预防性措施。四是施工单位没有对SMA混合料的特性有清晰的认识，以及施工过程中存在不合理性和较大的波动，造成铺筑的路面存在较大差异。

2004年，我们在沈大高速改扩建工程表面层SMA-16L施工时，从材料组织、配合比设计、施工工艺调整等方面，针对上述问题，采取了一些措施，现介绍如下。

一、 SMA-16L混合料级配的确定

沈大高速路面表面层原设计为 SMA-16，厚度4cm，后经辽宁省高建局对混合料级配进行了调整，调整结果见表1。

对级配进行这样的调整，基于以下几个原因： 1、提高沥青层压实厚度与集料公称最大粒径的比值，减少离析，便于压实，减少行车后造成的压密车辙；2、适当增加混合料的骨架间隙率VMA，在维持设计空隙率不变的情况下，能够加入较多的沥青，使混合料具有更好的防水性能、抗裂性和耐久性；3、 减少2.36mm～4.75mm间粒径的含量，避免这一粒级颗粒过多把嵌挤骨架破坏。4、提高施工操作性，减少混合料的变异，在使用过程中经得起实践考验。

二、材料选择

1、沥青

采用 SBS改性沥青现场改性，基质沥青为中河辽油石化分公司生产的AH-90重交通沥青，添加5.0%岳化SBS改性剂。采用双控法来控制改性沥青的质量，一是SBS改性剂剂量不能低于5%，二是如果在添加5%SBS剂量不能达到技术要求时，则增加剂量或采取其他措施以达到要求。改性沥青的各项指标及检测结果见表2。

改性沥青在使用前应检查各项性能指标是否符合技术要求，应重点检查是否有离析、凝聚等现象，符合要求后方能使用。对于一些改性沥青，随着存放时间的延长，可能会存在部分指标的衰减，实质上降低了沥青的质量。存放较长时间的改性沥青，在使用前必须重新检测各项指标，尤其是比较敏感的指标（如软化点）。对于离析软化点差这个指标，由于是现场改性，储存时间很短，且储存罐加有搅拌器，所以当时对这个指标没做要求。

2、集料和填料

（ 1）、粗集料

粗集料选用辽宁北宁生产的玄武岩碎石，共有 13.5～19mm、9.5～13.5mm、4.5～9.5mm三种规格，具有良好的颗粒形状，洁净，无风化及杂质。粗集料的技术指标和检测结果见表3、表4。

北宁的玄武岩碎石的料源特性比较好，石质均匀，水锈面少，表面比较粗糙，有适当的吸水率，耐磨耗。所有碎石采用大型反击式破碎设备进行加工，并经立轴式破碎机整型，生产的碎石颗粒形状好，基本成立方体。 若玄武岩碎石粒型不佳或圆石率过高，将减损 SMA路面骨材构架的强度， 北宁的玄武岩表面比较粗糙，经过立轴整型后，在改善颗粒形状的同时，碎石还能保持良好的棱角性，有良好的嵌挤能力。

玄武岩碎石进场后，用 5%的石灰水进行水洗，水洗设备为滚筒式筛分机，石料在滚筒内相互碰撞，同时石灰水逆向冲下，可有效地除去碎石表面的粉尘，同时改善玄武岩碎石与沥青的粘附性能。

表粗集料质量技术要求及检测结果

表 4 粗集料的级配规范值和筛分结果

（ 2）、细集料

细集料全部采用辽阳小屯石灰岩生产的机制砂，由适当的颗粒组成，坚硬、洁净、无杂质或其他有害物质。细集料的技术指标和检测结果见表 5、表6。

表 5 细集料质量技术要求及检测结果

表 6 细集料的级配规范值和筛分结果

生产机制砂的母材料为辽阳小屯的 5～10mm石灰岩碎石，干燥洁净，石质比较坚硬，颗粒形状好，表面粗糙，与基质沥青的粘附性为5级。生产机制砂的破碎设备具有旋风设施，能有效地把＜0.075mm部分抽走，生产的机制砂颗粒形状基本为小立方体，粗糙、干净、棱角性好，同时具有良好的级配组成。

（ 3）、填料

填料选用辽阳石灰岩磨细加工而成的矿粉，细度良好，干燥洁净。质量技术要求及检测结果见表 7、表8。

表 7 填料的质量技术要求及检测结果

表 8 填料的级配规范值和筛分结果

矿粉的原材为辽阳小屯辽阳小屯的 3～5mm石灰岩碎石，干燥洁净，表面粗糙，与基质沥青的粘附性为5级。矿粉细度良好、干燥，能自由地从矿粉罐流出。

3、纤维

采用德国产木质素纤维，其质量技术要求和检测结果如表 9。

表 9 木质素纤维的质量技术要求及检测结果

对于纤维性质的试验相对于其它材料而言并不普遍，因此我们更多依赖于厂家的质量保证和委托研究单位进行相关试验。

三、目标配合比设计

1、确定矿料组成

VCA mix ＜ VCA DRC 为 SMA重要的体积特性，VCA代表粗骨料颗粒间的孔隙体积，拌和沥青 玛蹄脂 (指细骨材、填缝料、沥青及纤维)后的混合料VCA必须小于粗集料干捣状态下的VCA，以确保骨料构架并未被沥青胶浆撑开，无法形成粗骨料互相接触产生互锁作用。因此，SMA配合设计流程与传统密级配沥青混凝土有所不同，先以试拌沥青用量依级配规范带拌制试体，择定符合上述规定体积特性且VMA较大的级配作为设计级配，再以设计级配在不同沥青用量下拌制试体，以试体性质与沥青含量绘制关系图，依上表规定求得最佳沥青用量，最后，再进行动稳定度、飞散、析漏等试验。

按照 SMA混合料配合比设计方法,第一批试验设计成三种级配，以 4.75mm 通过率为变化点，使 4.75mm 通过订为 22% 、 25% 、 28% 左右，同时尽量减少 2.36mm 和 4.75mm 之间的集料数量，在形成骨架的同时，减少这一粒级的干扰，使沥青玛蹄脂有效填充。材料比例及级配计算结果如表 10 所示。

表 10

纤维可以增加混合料高温时的抗塑性变形能力、减低沥青老化等。 根据我们的经验， 0.3% 纤维用量太少，不足以使沥青稳定，容易造成施工时粘轮，以及铺筑后的路面偏软，因此我们把纤维的比例提到 0.35% 。

首先按 6.0% 的油石比进行马歇尔试验，试验结果表明， 4.75mm 的三个通过率 22.4% 、 25.1% 、 27.8% 在油石比 6.0% 的情况下， 4.75mm 通过率 22.4% 、 25.1% 的级配， VCA mix 能满足小于相对应的 VCA DRC 的要求，并且这两组级配的 VMA 都达到了大于 18% 的要求，其中 4.75mm 通过率为 25.1% 的级配， 4.75mm 通过率较大，因此 4.75mm 通过率为 25.1% 的级配为推荐级配。

目标配合比合成级配通过率如表 11所示。

表 11

2、确定最佳沥青用量

按确定的矿料配合比，以 0.3%的间隔，分别进行4组马歇尔试验。试验结果见表12。

表 12

《公路沥青码蹄指碎石路面技术指南》指出，对于高温稳定性要求较高的重交交通路段，设计空隙率允许放宽到 4.5% 。结合辽宁省所处地域特点以及以往的 SMA 施工经验， SMA-16L 的最小油石比不能小于 6.2% ，因此确定此配合比的最佳油石比为 6.2% 。

按此最佳油石比进行其他试验，结果如表 13 。

表 13

四、 SMA混合料拌和

SMA的组成材料与传统沥青混凝土比较有两大特点：纤维稳定剂及高使用量的矿粉，针对这两项材料的添加，我们对拌和楼作了以下的修改：1.增大矿粉罐容量以满足生产需求。2.调整矿粉计量设备，一般沥青混凝土的矿粉添加量通常不高(＜5%)甚至不需添加。对SMA而言，其石粉添加量即为300kg（3000型拌和楼），计量设备的容量至少需提高至350kg，且计量速度要能在每一拌和时间内完成(约1分钟内)。3.纤维的添加，多使用一种材料即需增加一个材料添加口，配备纤维自动添加设备，依拌和量自动控制添加量，并可由控制室控制添加时机。如果纤维没有及时加入，会给控制室一个信号，提醒操作人员。

至于拌和温度应该主要依使用的沥青等级决定，由于目前我国没有对沥青实施类似美国 PG分级的详细分类，一般依据规范和经验得出。 沥青的加热温度掌握在 160～170℃左右，集料的加热温度控制在175～185℃，填料不加热。混合料的出厂温度控制在170～175℃。温度过高，SMA混合料会产生温度离析，同时容易造成轻微的析漏；温度较低时，容易出现沥青、矿粉结团，SMA混合料发涩，难以压实。当混合料温度高于195℃时，混合料予以废弃。

混合料的拌和时间依照试拌的情形予以调整确定，使纤维能均匀地分布在混合料中，干拌及湿拌的时间应增加 5～15s，最终 定干拌时间为 15s、湿拌50s。

由于纤维的态样与混合料中的其它材料明显不同，因此，纤维在混合料中是否能拌和均匀，常常引起施工单位的疑虑。但大体而言，纤维在混合料运送、铺筑过程中发挥防止骨材表面沥青油膜流失的功能，基于这些情况，可根据纤维添加以后是否达到防止骨材表面沥青油膜流失的功能，作为判断纤维在混合料中的分散情形。从混合料中取代表性样品，其析漏试验符合规范要求，因此可以推断纤维在混合料中已经拌和均匀。

五、 SMA运送与铺筑

1、运送

从拌和仓向运料车上放料时，每卸一斗混合料都要挪动一下汽车位置，以减少粗细集料的离析现象。运输过程中用蓬布和棉被加以覆盖，以防止 SMA混合料温度降低过快和污染。 SMA混合料的运送时间应尽可能缩短，切不可为了延长运送时间而任意增加混合料的生产温度，因为高温加上运送过程的振动将会造成沥青油膜的过度流失。同时，因为混合料具较厚油膜，应该增加运送卡车上防黏剂的涂抹次数，以减少混合料黏结于 车厢内 。

为了保证连续摊铺，每台摊铺机前存车不得少于 4辆；同时每台摊铺机前存车不得多于8辆，防止因等待时间过长混合料温度降低。

2、摊铺

采用 2台VOGELE SUPER2100C摊铺机阶梯式作业，每台摊铺机配备有非接触式浮动梁，可避免普通浮动梁小轮的粘料问题。摊铺速度结合拌和楼实际出料及运输情况，调整在2.5～3.0m/min之间，以确保连续稳定摊铺。摊铺温度不低于160℃。摊铺过程中,测量员及时检测并记录标高、横坡，设专人检测和记录摊铺厚度及平整度,达不到要求时，立即进行调整并记录。摊铺机挂强夯匀速摊铺，期望获得良好的平整度；同时混合料通过摊铺机强有力的挤压，这样SMA混合料可获得较高的初始密实度，在整个结构层分布趋于均匀稳定的状态，减少因为SMA混合料不上或晚上胶轮揉搓压实造成的缺陷。

由于 SMA混合料大部份由粗骨料所组成且黏性较高，应尽量以摊铺机铺筑，减少人工耙动。 摊铺时，非必要情况下现场工人严禁进入刚摊铺的作业面，避免所穿的鞋带走混合料，造成局部小坑。在每天的施工中，摊铺机开始摊铺作业后，除特殊情况下，不得停机，如加油、保养等在。

3、压实成型

摊铺完成后随即进行碾压，本着紧跟慢压、高频低幅，先静碾后振压，先轻后重，由低向高阶梯式的原则，在尽量短的时间内碾压完成，保证混合料在较高温度的条件下实现有效碾压。具体碾压组合见表 14。

表 14

初压采用 2台DD-110双轮振动压路机在混合料摊铺后随即分两组进行，初压温度控制在150℃以上，压路机由低处向高处各碾压1遍。1#由外侧向单幅中心碾压，2#跨接缝由单幅中心碾压向中分带缘石碾压。两台压路机前进时静碾，后退时振压，每机错轮20cm。1#碾压时边缘先空出宽30～40cm，初压完成后，复压时将压路机大部分重量位于已压实过的混合料上再压边缘，以减少向外推移。

复压采用振动压路机紧接初压后进行，每机错碾压轮的半轮，采用振幅 0.3～0.6mm，速度4～5Km/h。3#、4#两台DD-130振动压路机各振压2遍，5# CC722 振压1遍。振动压路机倒车时应先停止振动，并在向另一方向运动后再开始振动，避免混合料形成鼓包。

终压紧接复压后进行，采用 VSH102振动压路机静压2遍，碾压至无轮迹为止，终了温度不低于130℃。

当混合料温度降至 100℃以下后，再用胶轮压路机稳压两遍，期望改善混合料的内部分布结构，使碎石处于稳定状态；改善表面纹理，增加其防水性能；同时，希望通过胶轮压路机在较高温度下模拟行车整幅碾压，减小通车后因渠化交通造成的车辙。在碾压过程中，派专人跟机作业，防止发生粘轮的情况。

碾压过程中，每台压路机错轮时搭接长度不应少于 8～10m，压路机的碾压段长度与摊铺速度相适应，一般为30m左右，严禁超过40m。压路机的折返位置随着摊铺机行走呈阶梯状向前移动，且不在同一断面上。碾压时应做到现场碾压顺序清晰，无漏压和过度碾压，以保证压实的均匀性。严禁突然改变碾压方向而导致混合料产生推移变形。在靠近路缘石等结构物边缘 摊铺时往往需要人工补料，同时由于接近白带，温度散失较快， 易 造成压实度不够，出现渗水现象 。如碾压过程中发现有沥青马蹄脂上浮或石料压碎、棱角明显磨损等过碾压现象，应停止碾压。

压路机补充水和燃油时退出碾压区域，在已完成段落上缓慢移动来完成上述作业，不得停机加水、加油。

4、开放交通

SMA混合料路面摊铺层完全自然冷却，两天后方可开放交通。在本项目施工中，我们发现改性沥青SMA沥青面层在开放交通后几天或更长一段时间内，路面结构似乎没有完全硬化，有些大吨位车辆在转弯时能使表面出现轮痕和掉颗粒现象，在发现这种情况以后，我们采用加强早期交通来加以控制。

六、结束语

以上所述是我们对铺筑 SMA路面的一些体会和经验，沈大高速公路已经通车两年多，经我们几次进行实地调查， 除有横向反射裂缝外 , 并没有发现什么问题。在沈大高速那样大车流量、超载车大量存在的实际情况下，部分路段重车道出现了小于 5mm的车辙，我们认为是可以接受的；而对于其他路经常出现的水损坏，截至目前还没有。

我们认为铺筑良好的 SMA路面，其成功的关键在于高质量的材料、良好的设计、严谨的施工及管理规范等。 在今后的设计与施工中，应进一步加强材料选择分类、层间防水设计、反射裂缝的减少和 SMA混合料设计等研究，以减少早期损害的发生，充分发挥SMA路面的优良性能。

作者单位：邢台路桥建设总公司