瀝青混合料的應(yīng)用及發(fā)展

　　瀝青是公路工程施工中的基本原材料，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，瀝青混合料逐漸得到廣泛應(yīng)用，本文主要探討瀝青混合料的應(yīng)用。

　　《中外公路》1976年創(chuàng)刊，是全國公路交通行業(yè)權(quán)威性期刊，發(fā)行量在公路系統(tǒng)報刊中居于前列。資訊刊不僅有效地吸引了全國近30個省市區(qū)數(shù)百家高速公路管理廳局、公司及上千家高速公路服務(wù)區(qū)的中高層經(jīng)營管理者;以高速公路及服務(wù)區(qū)為服務(wù)對象的各行業(yè)的經(jīng)營管理人員;高速公路司乘人員、自駕游者等讀者群，還以清新的風(fēng)格、濃郁的海派韻味、敏銳的流行觸覺、輕快而富有文化品味的風(fēng)格,敏銳，獨特的視角，捕捉時尚消費資訊;積極，健康的理念，引領(lǐng)高品位的生活訴求。

　　因SMA混合料結(jié)構(gòu)組成特點，其對原材料的技術(shù)指標(biāo)、施工工藝和管理措施要求均很高，本文以SMA瀝青混合料的設(shè)計、配合比以及選擇等做了一些詳細(xì)闡述，僅供參考。

　　一、引言

　　隨著我國公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，SMA瀝青在城市道路和高速公路上的應(yīng)用越來越廣泛，同時也充分證實了這種材料的優(yōu)劣品質(zhì)，其優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能，使得路面能夠承受較大的車輪荷載而不易產(chǎn)生擠壓變形，始終保持良好的平整度和良好的抗車轍能力。

　　SMA(Stone Mastic Asphalt)瀝青混合料是由瀝青、礦粉、纖維及少量細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂填充間斷級配的粗集料碎石骨架的間隙而形成一體的混合料。它發(fā)源于20世紀(jì)60年代中期的聯(lián)邦德國，因其具有良好的優(yōu)越性，在歐洲得到迅速推廣應(yīng)用，后來美國1990年9月派出大型代表團到歐洲考察其應(yīng)用技術(shù)后才開始的，并在德國和歐洲其他國家應(yīng)用SMA路面基礎(chǔ)上進一步研究和完善，總結(jié)出SMA瀝青路面設(shè)計、施工的相關(guān)技術(shù)指南。我國對SMA路面技術(shù)的研究是從1991年逐漸開展的，先期在首都機場高速、北京長安街等大型工程中使用SMA結(jié)構(gòu)材料，以后又在全國多個省市地區(qū)高速公路、重交通道路和許多橋面工程獲得成功應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計我國已建成通車的SMA路面已超過3萬公里，但在采用該項新技術(shù)的同時，也需要結(jié)合我國實際國情在設(shè)計、施工等過程中進行研究、消化、改進，積極推動SMA結(jié)構(gòu)材料在我國的發(fā)展應(yīng)用。

　　二、SMA混合料與其他瀝青混合料的比較

　　瀝青路面按結(jié)構(gòu)特點可劃分為三種類型：以普通AC密集配瀝青混合料為代表的懸浮--密實型結(jié)構(gòu)、以O(shè)GFC大空隙排水式瀝青混合料為代表的骨架--空隙型結(jié)構(gòu)和以SMA瀝青瑪蹄脂混合料為代表的骨架--密實型結(jié)構(gòu)。

　　懸浮--密實型結(jié)構(gòu)的混合料通常是按密集配原則進行設(shè)計，其密實度與強度較高，水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、耐久性比較好，主要靠瀝青膠砂的黏結(jié)力來提供強度，是目前最普遍使用的瀝青混合料。但該種混合料的級配材料由大到小以一定數(shù)量的形式連續(xù)分布，同一檔較大顆粒被較小一檔顆粒擠開，大顆粒猶如以懸浮狀態(tài)處于較小顆粒之中，各級集料被次級集料和瀝青膠漿所分離，不能直接互相嵌鎖形成骨架，內(nèi)摩擦角較小，高溫穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生車轍等病害，其表面構(gòu)造深度也較小，作為表面層時抗滑性能較差。

　　骨架--空隙型結(jié)構(gòu)的混合料主要靠較多的粗集料顆粒彼此接觸，形成互相嵌擠的骨架，但較細(xì)粒料數(shù)量較少，不足以充分填充骨架空隙，壓實后混合料中的空隙較大。這種結(jié)構(gòu)中粗集料之間的內(nèi)摩擦力與嵌擠力起著決定性作用，其結(jié)構(gòu)強度受瀝青本身性質(zhì)和物理狀態(tài)影響較小，因而高溫穩(wěn)定性和抗噪性較好，但由于空隙率較大，其透水性、耐老化性能、低溫抗裂性能、耐久性較差。

　　骨架--密實型結(jié)構(gòu)的混合料是綜合以上兩種方式的結(jié)構(gòu)組成，一方面混合料有足夠數(shù)量的粗集料以形成骨架，另一方面根據(jù)粗集料骨架的空隙多少加入足夠的較細(xì)的瀝青填料，形成較大的密實度和較小的殘余空隙率，因此礦料級配是一種非連續(xù)的間斷級配。這種結(jié)構(gòu)兼?zhèn)渖鲜鰞煞N結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)類型。

　　SMA混合料就是典型的骨架--密實型結(jié)構(gòu)，其粗集料形成石--石接觸的骨架，承受著主要的交通荷載，在高溫條件下體現(xiàn)出很好的高溫抗車轍性能;粗集料骨架間隙填充足夠的瀝青瑪蹄脂(由瀝青、礦粉、砂及纖維組成)，在低溫條件下能很好的黏結(jié)集料不被拉開，具有較好的低溫抗裂性能。同時SMA較好的密實度和幾乎不透水的空隙率保證混合料具有較好的抗疲勞耐久性和水穩(wěn)定性。另外SMA混合料要求采用堅硬、粗糙、耐磨的優(yōu)質(zhì)石料，且粗集料含量高，表面構(gòu)造深度較大，在雨天交通行車還會減輕或消除水霧和濺水，減少夜間行車路面的眩光影響，大大改善了雨、夜天路面的明視度，增強路面的抗滑能力和行車的安全性。

　　通過以上比較可以看出，相比目前普遍使用的AC密集配瀝青混合料和OGFC大空隙排水式瀝青混合料，只有SMA混合料能將抗車轍性能和抗裂性能統(tǒng)一起來，將路面的抗滑性和耐久性統(tǒng)一起來，并獲得各方面的優(yōu)異性能。從近20年來我國的和其他各國應(yīng)用SMA路面的經(jīng)驗來看，要實現(xiàn)該種路面最佳性能并減小養(yǎng)護工程量的理想目標(biāo)，SMA混合料必須做到精心設(shè)計、精心施工方可達(dá)到。

　　三、SMA混合料的配合比設(shè)計

　　3.1 項目的基本情況

　　由于我國的氣候條件與美國相似，因此我國的SMA混合料設(shè)計方法在很多方面參照了美國的模式。Batumi-Kobuleti-Choloki繞城公路(E70)總長約48公里，施工內(nèi)容包括隧洞、高架橋等。本工程建設(shè)內(nèi)容為：

　　路段一: 項目所在區(qū)域為旅游區(qū)，接待了大量的游客。本項目旨在修建一條12.4公里長的雙車道繞城公路，以緩解現(xiàn)有穿城而過的公路交通壓力，行車道寬度2*3.5m。該標(biāo)段共有橋梁14座，橋梁總長2470.5m。

　　路段二：該標(biāo)段施工任務(wù)主要是對現(xiàn)有雙車道公路拓寬為四車道公路。

　　水泥土樁施工：軟基處理主要集中在標(biāo)段一中樁號為KM0+300—KM8+319的路段。該水泥土樁直徑為0.6m，梅花型布置，間排距為2.4m×2.4m，總工程量為367320m。

　　土石方工程：主要施工內(nèi)容為路基開挖、不良土開挖、借土開挖與填筑。各類開挖合計50.9萬m3，各類填筑合計129.6萬m3。

　　橋梁施工：道路全線共有橋梁14座，其中現(xiàn)澆橋3座，預(yù)制梁橋梁11座。橋梁樁基總長27562.4m，27米長預(yù)應(yīng)力梁共624片。

　　路基及路面施工：主要工作為路基石質(zhì)土填筑124.98萬m3，沙粒料底基層及路肩填筑11萬m3，碎石骨料層填筑3.9萬m3，浸瀝青基層上層填筑2.39萬m3，瀝青混凝土基層1.39萬m2，瀝青混凝土面層8789m3。

　　筆者根據(jù)在本項目中的設(shè)計、研究成果，分析和總結(jié)出SMA混合料的配合比設(shè)計的一些心得和體會如下：

　　3.2 選擇材料

　　(1) 瀝青材料：SMA混合料中瀝青材料的質(zhì)量必須要有較高的黏度，應(yīng)采用比常規(guī)AC混合料稠度更大的瀝青材料，結(jié)合項目所在地氣候分區(qū)為夏炎熱冬冷半干區(qū)，考慮采用A-70號瀝青。該項目建成后作為重要的城市外環(huán)道路，承擔(dān)著連接城市內(nèi)部各分區(qū)及疏散過境交通的雙重任務(wù)，交通等級為重載交通標(biāo)準(zhǔn)(軸載和輪胎單位壓力較大)，甚至存在許多超載車輛通行，設(shè)計中考慮提高混合料性能采用摻加4-5%SBS(Ⅰ-D)熱塑性橡膠改性瀝青，聚合物改性瀝青質(zhì)量符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求。

　　(2) 粗集料：良好的高溫穩(wěn)定性來源于SMA混合料粗集料之間的骨架嵌擠作用，因此設(shè)計中要求粗集料應(yīng)選用質(zhì)地堅硬、表面粗糙耐磨、韌性好、形狀接近立方體的破碎玄武巖石料，石料要求用錘擊式或錐式碎石機破碎，施工時應(yīng)進行二次水洗，其磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值滿足抗滑表層混合料的技術(shù)要求。

　　(3) 細(xì)集料：SMA混合料中細(xì)集料一般是指2.36mm篩孔以下的集料，設(shè)計時要求采用具有良好棱角性和嵌擠性能的機制砂，嚴(yán)禁采用石屑加工，含量不超過混合料的10%，其技術(shù)指標(biāo)采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的指標(biāo)要求。

　　(4) 填料：適宜數(shù)量的礦粉--瀝青膠漿體系是保證SMA混合料優(yōu)良路用性能的重要條件，因為瀝青只有吸附在礦粉表面形成瀝青膜，才能對其他粗、細(xì)集料產(chǎn)生黏附作用，即瀝青與礦粉的完美結(jié)合才是真正的瀝青結(jié)合料。因此該項目采用磨細(xì)的天然石灰?guī)r礦粉，不考慮使用回收粉塵，不得含有泥土及雜物，要求干燥、潔凈、無雜質(zhì)、無結(jié)團，粉膠比控制在1.8～2.0范圍內(nèi)。另外還考慮到充分消解的消石灰粉能明顯改善混合料的水穩(wěn)定性能，且能延緩瀝青在拌合、運輸、攤鋪和碾壓過程中的老化作用，提高混合料的耐久性，在礦粉中適當(dāng)摻加消石灰粉，用量占礦粉總量的10%～20%。

　　(5) 纖維：考慮到本項目工期緊任務(wù)重，客觀上從設(shè)計到施工的一系列過程中，瀝青混合料的用量和技術(shù)難度相當(dāng)大，因此設(shè)計時考慮為保證SMA混合料在拌合、運輸、攤鋪和碾壓過程中保持高含量的瀝青膠結(jié)料而不產(chǎn)生析漏，同時更進一步的全面提高SMA混合料的各項路用指標(biāo)，在混合料摻加目前國內(nèi)常用的絮狀木質(zhì)素纖維穩(wěn)定劑。該種穩(wěn)定劑表面柔曲而有絨毛，可吸附瀝青的比表面積比較大，能較好地防止析漏，且資源豐富、價格低廉，應(yīng)用頗為廣泛，摻加含量為0.3%。

　　3.3 級配范圍選擇和厚度確定

　　根據(jù)近年來我國在高速公路和城市道路上的工程實踐經(jīng)驗和與建設(shè)方的溝通交流結(jié)果，確定本項目路面結(jié)構(gòu)中上面層瀝青混合料的級配類型為SMA-13。由相關(guān)資料和試驗數(shù)據(jù)可知4.75mm以上部分的粗集料是真正形成石—石嵌擠結(jié)構(gòu)的集料，也是成為調(diào)整瑪蹄脂含量和粗集料骨架間隙之間取得平衡的關(guān)鍵，因此確定4.75mm篩孔通過率考慮為30%以下，礦粉要求0.075mm篩孔通過率達(dá)到8%～12%,盡量讓粗顆粒通過率接近上限，細(xì)顆粒通過率接近下限，級配曲線呈“S”形。下表為該項目的礦料級配范圍：

　　我國現(xiàn)行《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》(CJJ 169—2012)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定，對SMA和OGFC混合料路面厚度不宜小于混合料公稱最大粒徑的2.5倍，最小壓實厚度為3cm,以減小離析，便于壓實。因此本項目擬定上面層SMA-13混合料厚度為4cm。同時SMA瀝青路面的壓實度要求馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度的壓實度不小于96%，最大理論密度的壓實度不小于94%。

　　研究表明，瀝青路面路表下4～9cm處的溫度最高，是路面剪切變形和車轍病害最主要的發(fā)生范圍，因此本項目在設(shè)計時考慮中面層采用8cm厚AC-20(C)中粒式瀝青混凝土，增加粗集料的含量以提高抗車轍性能，增強SMA瀝青路面的各項路用指標(biāo)。同時為提高瀝青路面的低溫抗裂性能，減少因采用半剛性基層(水泥穩(wěn)定碎石基層)會產(chǎn)生反射裂縫的影響，特在中面層下加設(shè)一層14cm厚的瀝青碎石基層。

　　3.4 最佳瀝青用量選定與配合比驗證

　　一般SMA-13瀝青混合料的最佳油石比在4.5%～6.5%，本項目以大量工程實踐經(jīng)驗和馬歇爾試驗方法為基礎(chǔ)進行目標(biāo)配合比設(shè)計和生產(chǎn)配合比設(shè)計，確定設(shè)計空隙率為4%，油石比為5.9%。設(shè)計中還提出應(yīng)根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的要求并結(jié)合本項目的重交通等級等特點，對SMA混合料配合比設(shè)計按下表進行各種檢驗和驗證：

　　3.5 瀝青混合料設(shè)計方法選擇

　　在瀝青混合料設(shè)計方法中，馬歇爾設(shè)計方法是影響最為深遠(yuǎn)、應(yīng)用最為廣泛的一種，該種方法基本上屬于體積設(shè)計法，試件是按沖擊法進行壓實，對混合料的密度、空隙率、礦料間隙率等指標(biāo)有明確的要求，但是該方法也有一些現(xiàn)實性的缺陷，諸如不能精確地判別不同交通量對瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)、與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不掛鉤、試件成型方法不能模擬行車壓實等問題，因此其他的設(shè)計方法如維姆法、貝雷法、Superpave法(旋轉(zhuǎn)壓實法)相繼提出，但都有各自的優(yōu)勢，也同時存在需要改進的地方。因此在具體應(yīng)用時，需根據(jù)項目所在地的氣候條件、經(jīng)濟技術(shù)條件等因素加以合理選擇。

　　四、結(jié)語

　　綜上所述，SMA混合料在結(jié)構(gòu)上具有“三多一少”的特點，“三多”是指粗集料多、礦粉多、瀝青結(jié)合料多，“一少”是指細(xì)集料少。因SMA混合料結(jié)構(gòu)組成特點，其對原材料的技術(shù)指標(biāo)、施工工藝和管理措施要求均很高，在初期實施階段的生產(chǎn)成本相比常規(guī)AC瀝青混凝土路面高約20%左右，但是各項路用性能也比普通瀝青混合料有明顯的提高，主要表現(xiàn)為高溫穩(wěn)定性好、低溫抗裂性好、較強的抗老化能力和抗疲勞性能等優(yōu)點，尤其是對于防治我國瀝青路面主要的破壞原因—車轍和裂縫問題、延長瀝青路面使用壽命、減小維修養(yǎng)護費用是個很好的選擇，相信SMA瀝青路面在今后我國城市建設(shè)工程上會發(fā)揮更多、更積極的影響。

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