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SMA 混合料水稳性的试验研究
文 / 杨雪玲
水稳性指水对沥青和石料形成粘附层的影响程度。国内外有许多因水损害而导致道路破坏的先例，使得沥青脱落造成路面的松散。由于水的存在使沥青与石料的粘附性和粘结力降低、沥青剥离、混合料耐久性降低、强度丧失，因此很必要对其进行研究。
混合料水稳性测试方法可分为两大类：即松散混合料和压实混合料的测试。
松散混合料测试方法有：水煮法（ ASTM D3625 ）和浸水法（ AASHTO T-182 ），这些方法根据石料表面沥青剥落来判定其粘附性，能够快速判断混合料水稳性，但受试验者主观影响大。此外 SHRP 中还使用有水存在情况下的净吸附试验等 。
压实混合料的测试方法有以下几种：一是 Lottman 法 (NCHRP 246) ，即，用真空饱水后一次冻融循环反映路面长期情况，恒温水浴反映其短期情况，以间接抗拉强度和回弹模量之比评价，与现场相关性好，但费时。二是 ASTM D4867 ，考虑空隙率和饱水程度对 Lottman 法进行改进，使用间接抗拉强度和肉眼观察进行损害分析，认为强度比大于 80% 水稳性好，但要试验多次才能达到相同空隙率，试验条件也不够严酷。三是改进 Lottman 法（ AASHTO T283 ），规定空隙率（ 7 ± 1% ），饱水率 55 ～ 80% ，只以间接抗拉强度比作为评定指标。四是马歇尔残留稳定度（ T 0709 — 93 ）试验。五是得克萨斯垫块冻融试验（ FIPT ），即用肉眼观察循环次数。六是浸水压缩试验等。七是 SHRP 中使用环境条件系统（ ESC ）测定混合料受环境影响情况。
沥青玛蹄脂碎石混合料（ Stone Mastic Asphalt ，美国也称作 Stone Matrix Asphalt ），是德国在 20 世纪 60 年代为了抵抗带钉轮胎的磨耗而应用于高速公路的，欧洲许多国家铺筑了 SMA 路面，各国还制定了自己的设计和施工标准。同时，北美、南非、澳洲、东亚和东南亚也纷纷引进 SMA 技术，并根据自己的情况对设计和施工方法作了相应的调整。大量长期观测资料表明，正确设计和施工的 SMA 路面都拥有良好的路用性能。
SMA 是间断级配，粗骨料多、细集料少、填料多、沥青含量大，这使得 SMA 具有许多其它路面结构不可比拟的优点。比如抗车辙能力好、构造深度大、抗疲劳性能高等。 SMA 沥青含量大，沥青膜厚，理论上水稳性应该好，但缺乏室内试验的评价。为了更好地引进此项技术，对其有一个完整的了解，我们选用了残留稳定度和 TSR 指标对 SMA 进行水稳性评价，并与 AC 加以比较。
1 、试验材料
1.1 沥青
基础沥青为大港 70 号沥青，改性沥青为 SBS 改性沥青（ SBS 型号为星形 4303 ，掺量为 5% ），其主要指标见表 1 。
表 1 沥青的主要指标
沥青材料 |
25 ℃ 针入度（ 0.1mm ） |
15 ℃ 延度（ cm ） |
软化点（℃） |
大港 70 号沥青 |
72 |
>150 |
47.5 |
SBS 改性沥青 |
52 |
>100 |
83 |
1.2 石料
粗集料为鹿泉石灰石，主要技术指标见表 2 。细集料为石灰石，密度为 2.715 g /cm 3 ，使用石灰石磨制矿粉，密度为 2.72 g /cm 3 。
表 2 粗集料主要指标
指标 |
测试值 |
指标 |
测试值 |
视密度 (g/cm 3 ) |
2.87 |
磨光值 |
48 |
抗压强度 (Mpa) |
238.8 |
针片状（ % ） |
3.1 |
磨耗率（ % ） |
5.1 |
粘附性 (ESSOAH70) |
5 级 |
压碎值（ % ） |
10.4 |
石料冲击值（ % ） |
5.9 |
坚固性（ % ） 5 次循环 |
0.21 |
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1.3 纤维
纤维使用德国 CFF 纤维集团公司的 TOPCEL ? 颗粒状工程纤维素，与混合料拌和之前先用磨耗机使颗粒状纤维松散。纤维的主要技术指标见表 3 。
表 3 纤维的技术指标
外观 |
湿度 |
PH 值 |
颗粒 直径 |
纤维的分布 |
Alpine 筛 <800 μ m |
Alpine 筛 <200 μ m |
Alpine 筛 <32 μ m |
灰色颗粒 |
约 6% |
约 7 |
约 6mm |
约 75% |
约 85% |
约 50% |
约 15% |
1.4 SMA 混合料的目标配合比
我国公路的面层多用最大粒径 16mm 和 13mm ，故选用 SMA16 和 SMA13 两种类型。并且为了确定粗集料的影响，还变换了 4.75mm 的通过率，为方便起见，将 4.75mm 通过量高的称为Ⅰ型，通过量低的称为Ⅱ型。同时还选用了 AC16 Ⅰ普通沥青混合料以便加以比较，混合料的配合比见表 4 。
表 4 混合料组成级配
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各筛孔的通过率（ % ） |
筛孔（ mm ） |
SMA16 Ⅰ |
SMA16 Ⅱ |
SMA13 Ⅰ |
SMA13 Ⅱ |
AC16 Ⅰ |
16 |
98.5 |
98.3 |
100 |
100 |
98.5 |
13.2 |
83.8 |
81.7 |
94.9 |
94.9 |
83.8 |
9.5 |
62.2 |
57.1 |
77 |
78.8 |
67.5 |
4.75 |
30.0 |
20.9 |
24.9 |
33.4 |
53.7 |
2.36 |
23.0 |
16.7 |
19.1 |
24.9 |
37.1 |
1.18 |
18.5 |
14.5 |
16.2 |
19.7 |
24.3 |
0.6 |
16.9 |
13.8 |
15.3 |
17.9 |
19.9 |
0.3 |
14.8 |
13.1 |
13.9 |
15.4 |
13.8 |
0.15 |
13.5 |
12.9 |
13.1 |
13.9 |
10.2 |
0.075 |
10.3 |
9.5 |
10.1 |
10.5 |
6.7 |
沥青用量（ % ） |
6 |
6.5 |
6.1 |
6.5 |
5 |
纤维用量（ % ） |
0.3 |
0.4 |
0.3 |
0.4 |
0 |
注：空隙率均在 4 ～ 6% 之间。
2 试验结果及分析
2.1 未加抗剥落剂的 TSR
每种类型的混合料有 6 个试件，分为两组，第一组在 15 ℃ 的水中浸 3h ，然后进行劈裂试验；第二组真空饱水 15min ，置于 -17.8 ℃ 的冰箱中冻 15h ，再放入 60 ℃ 恒温水浴箱中 24h ，然后浸入 15 ℃ 水中 3 ～ 4h ，作劈裂试验，从而得到 TSR 指标。试件尺寸为φ 101.6 × 63.5 ± 1.3mm ，使用路基与路面材料参数程控仪进行间接拉伸试验，压条宽度 12.7mm ，加荷速率为 2mm /min ，因劈裂试验建立在试件为弹性体的基础上，故而选定试验温度为 15 ℃ 。试验结果见表 5 。
表 5 不加抗剥落剂的混合料改进 Lottman 法 TSR
混合料类型 |
σ平均值 |
σ冻融后平均值 |
TSR |
SMA16 Ⅰ |
1.568 |
0.610 |
0.39 |
SMA16 Ⅱ |
1.258 |
0.445 |
0.35 |
SMA13 Ⅰ |
1.449 |
0.549 |
0.38 |
SMA13 Ⅱ |
1.239 |
0.426 |
0.34 |
AC16 Ⅰ |
1.690 |
0.674 |
0.40 |
由表 5 可知， SMA 的 TSR 要略低于 AC ；尽管玄武岩吸附性为 5 级，但 TSR 指标仍与规范（ 65% ）相差较远，需要加抗剥落剂。我系试验室经过大量的试验认为，以玄武岩为粗集料的 SMA ，不加抗剥落剂的 TSR 大多不超过 50% ，加抗剥落剂后可提高到 70 ～ 80% 左右，与笔者所得结果也是一致的。
2.2 加抗剥落剂的马氏残留稳定度
以沥青质量的 4 ‰加入西安产抗剥落剂，并按照规范 T-0709-93 要求，分别在 60 ℃ 恒温水浴箱中浸 0.5 和 48h ，作马氏试验，从而得到马氏残留稳定度，结果见表 6 。
表 6 马氏残留稳定度
混合料类型 |
马氏强度（ KN ） |
流值（ 0.01mm ） |
残留马氏强度（ KN ） |
残留稳定度（ % ） |
SMA16 Ⅰ |
6.467 |
27.7 |
5.233 |
80.9 |
SMA16 Ⅱ |
5.733 |
24.3 |
5.067 |
88.4 |
SMA13 Ⅰ |
6.533 |
23.7 |
4.867 |
74.5 |
SMA13 Ⅱ |
5.867 |
24.0 |
5.067 |
86.4 |
AC16 Ⅰ |
12.967 |
20.7 |
12.60 |
97.2 |
改性 SMA16 Ⅰ |
10.333 |
38.0 |
8.00 |
77.4 |
由表 6 可知，从马歇尔残留稳定度指标来看， SMA 残留稳定度小于 AC 16 Ⅰ ；加入抗剥落剂后 SMA 残留稳定度均符合规范要求（除 SMA 13 Ⅰ与之接近） ，水稳性较好； SBS 改性对 SMA 的水稳性无改善。
2.3 加抗剥落剂后混合料的 TSR
以沥青质量的 4 ‰加入西安产抗剥落剂后，按照 2.1 的试验方法，得到表 7 的结果。
表 7 加抗剥落剂的各种混合料 Lottman 法 TSR
混合料类型 |
σ平均值 |
冻融后σ平均值 |
TSR(%) |
SMA16 Ⅰ |
1.242 |
0.932 |
75.07 |
SMA16 Ⅱ |
1.200 |
0.939 |
78.25 |
SMA13 Ⅰ |
1.248 |
0.778 |
62.36* |
SMA13 Ⅱ |
1.090 |
0.716 |
65.7* |
AC16 Ⅰ |
1.620 |
1.285 |
79.3 |
改性 SMA16 Ⅰ |
1.532 |
1.177 |
76.83 |
* 分两批试件成型，影响了试验结果。
由表 7 可知， SMA 的 TSR 要略低于 AC ，在制定 SMA 规范时可略微降低标准；沥青含量增加使得 TSR 略有增加；改性对 SMA 的水稳性无影响；加抗剥落剂后 TSR 值有明显地提高。
3. 结论
• 加入抗剥落剂的 SMA 从残留稳定度和 TSR 指标均达到了规范的要求，水稳性较好。
• SMA 的残留稳定度和 TSR 小于密级配的 AC ，但是尚不能得出 SMA 水稳性较 AC 水稳性差的结论，因为 SMA 沥青含量大，在持续高温（ 60 ℃ ， 24h ）下，可能会使玛蹄脂软化而发生移动，损害混合料的结构，受影响程度大于 AC ，因而建议对 SMA 应适当将指标降低。
• SMA 水稳性要好于多孔性路面和空隙率较大的 AC ，避免了为获取较大的表面构造深度而采用开级配混合料以致使水稳性降低的情况。
• SBS 改性剂对提高混合料水稳性无明显贡献。
• 水煮法（ JTJ 052-94T616 ）只是用于评价粗集料和沥青的粘附性，不能用于评价细集料和沥青的粘附性，而通常细集料与沥青的粘附性来讲对混合料又是十分重要的。水煮法可以作为水稳性评价的相对指标，但受人的主观因素影响比较大，不能作为接受或拒绝的标准。即便是石料的粘附性为 5 级，混合料的水稳性也往往可能不合格，需要采取抗剥落措施。
作者单位：石家庄市公路工程质量监督站
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