SMA路面若干問(wèn)題的探討上課講義

1、 PAGE # - 0 - 11 SMA路面若干問(wèn)題的探討符冠華曹榮吉【江蘇省交通科學(xué)研究院南京210017】摘要：本文結(jié)合近幾年江蘇省SMA路面的工程研究和實(shí)踐，對(duì)SMA路面技術(shù)中的一些問(wèn)題，如級(jí)配、設(shè)計(jì)空隙率、瀝青用量、水損害檢驗(yàn)、碾壓工藝等進(jìn)行探討，提出了建議和意見(jiàn)。關(guān)鍵詞：SMA級(jí)配空隙率水損害碾壓1前言SMA(Stone.Mast：icAsphalt)即瀝青瑪蹄脂碎石混合料，它是按照內(nèi)摩擦角最大的原則，以間斷級(jí)配的粗集料形成相互嵌擠的礦料骨架，然后按照空隙率較小的原則，以瀝青瑪蹄脂填充骨架的空隙，形成一種密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。由于SMA優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性、耐久性及抗滑性能，從20世

2、紀(jì)80年代起就在歐洲得到推廣和普及，現(xiàn)已被許多國(guó)家列入規(guī)范。20世紀(jì)90年代初美國(guó)引進(jìn)了SMA技術(shù)，并在多個(gè)州修筑了SMA試驗(yàn)路，美國(guó)國(guó)家瀝青技術(shù)中心(NCAT)已經(jīng)于1998年底完成了有關(guān)混合料設(shè)計(jì)的研究項(xiàng)目。NAPA于1999年1月出版了SMA設(shè)計(jì)與施工指南。我國(guó)從1992年開始進(jìn)行SMA的研究并且進(jìn)行了一些實(shí)踐，為此成立了交通部SMA推廣課題組，進(jìn)行專題研究。推廣課題組于1997年提出了SMA推廣建議書，1999年6月又提出了SMA路面旋工技術(shù)指南川。至今已有十多個(gè)省市修筑了SMA試驗(yàn)路，一些地區(qū)已經(jīng)開始在高速公路上推廣應(yīng)用SMA。SMA在江蘇的應(yīng)用始于1995年，首先在寧連、寧通公路上

3、修筑了SMA試驗(yàn)路。1998年以來(lái)，我們對(duì)SMA路面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、研究，并在寧揚(yáng)、寧合、寧杭等老路改造項(xiàng)目上成功地應(yīng)用了改性瀝青及普通瀝青、SMAl6與SMAl3。2000年已開始在淮江高速公路及一些地方道路上推廣應(yīng)用。本文結(jié)合近幾年來(lái)我們對(duì)SMlA路面的研究和工程實(shí)踐，對(duì)SMA路面技術(shù)作一些探討。2SMA路面若干問(wèn)題的探討2.1關(guān)于級(jí)配關(guān)于SMA的級(jí)配，不同國(guó)家有不同的特色。SMA之所以具有較好的高溫穩(wěn)定性、出色的抗車轍能力，均與其骨架結(jié)構(gòu)密不可分。SMA級(jí)配設(shè)計(jì)的主要目的就是保證粗集料間能夠形成相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)。SMA起源于歐洲，歐洲SMA的普遍特點(diǎn)是最大公稱粒徑較小、級(jí)配偏細(xì)，比較

4、常用的為011、8、5等。歐洲的SMA級(jí)配范圍較寬，設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，在這些級(jí)配范圍中可以配出優(yōu)良的SMA，但也可能配出并不理想的SMA。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)SMA骨架結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)就是“間斷級(jí)配”、“粗集料用量多”、“5mm以上集料約占70左右”等，SMA配合比設(shè)計(jì)主要依靠馬歇爾、析漏等幾個(gè)試驗(yàn)，對(duì)于怎樣才能使粗集料形成相互嵌擠的骨架沒(méi)有具體的試驗(yàn)方法及量化的指標(biāo)。近兩年歐洲的SMA路面出現(xiàn)了級(jí)配要求趨嚴(yán)、級(jí)配范圍變窄的趨勢(shì)，見(jiàn)表1SMA技術(shù)于20世紀(jì)90年代初傳到美國(guó)，并在美國(guó)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了最大公稱粒徑變大、級(jí)配變粗、用油量相對(duì)減少的趨勢(shì)。最顯著的變化是粗細(xì)集料的比例不同。對(duì)于不同的公稱粒

5、徑的SMA，粗集料的定義不同，如表2。美國(guó)瀝青技術(shù)中心(NCAT)的研究表明，對(duì)于SMAl3SMA25，4.75mm作為級(jí)配的間斷點(diǎn)有著重要意義，4.75mm篩孔通過(guò)量的大小直接影響粗集料的嵌擠效果及vMA4。NCAT還提出了采用式(1)來(lái)判別混合料中粗集料是否形成了嵌擠的骨架。VCAmix17%的要求。實(shí)際上當(dāng)4.75mm的通過(guò)率高于30時(shí)，也很難滿足VCAM-xVcADRYr的要求，也就是說(shuō)這些級(jí)配不能保證粗集料間形成的嵌擠結(jié)構(gòu)。近兩年來(lái)，隨著SMA工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，及受到美國(guó)SMA設(shè)計(jì)思想的影響，降低4.75mm篩孔的通過(guò)量已成為一種趨勢(shì)，如表4。我們認(rèn)為對(duì)于我國(guó)常用的SMAl6、SM

6、Al3，4.75mm篩孔的通過(guò)量應(yīng)控制在30以下，以保證粗集料嵌擠結(jié)構(gòu)。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足VCAmix17的要求，并建議以此作為判別真假SMA的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。2.2關(guān)于設(shè)計(jì)空隙率“對(duì)任何一種瀝青混合料，空隙率都是重要的參數(shù)，它決定了混合料的一系列性能和使用壽命，對(duì)普通瀝青混合料時(shí)這樣，對(duì)SMA同樣是這樣”2。德國(guó)夏無(wú)酷暑，SMA設(shè)計(jì)空隙率為24%，這與其氣候條件是相適應(yīng)的。我國(guó)的SMA最初參考德國(guó)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，一般設(shè)計(jì)空隙率在3左右。美國(guó)NCAT的調(diào)查表明：當(dāng)設(shè)計(jì)空隙率小于3時(shí)，SMA路面出現(xiàn)泛油、車轍的幾率大增。美國(guó)借鑒了其Superpave設(shè)計(jì)思想，SMA的設(shè)計(jì)空隙率一般為4，北方寒冷地區(qū)為

7、3.5。我國(guó)的氣候普遍較德國(guó)炎熱，設(shè)計(jì)空隙率較小是一些SMA工程出現(xiàn)泛油、車轍的重要原因。近兩年來(lái)，在改進(jìn)了級(jí)配之后，也將設(shè)計(jì)空隙率提高到4左右。提到空隙率，不得不談一下混合料的最大理論密度(即文獻(xiàn)口中所指的混合料的最大毛體積相對(duì)密度)，因?yàn)樗苯佑绊懙娇障堵实挠?jì)算結(jié)果，也影響到設(shè)計(jì)油石比。由于最大理論密度計(jì)算失誤，往往導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)油石比及不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)空隙率?；旌狭系淖畲罄碚撁芏瓤梢圆捎脤?shí)測(cè)法，也可以采用計(jì)算法。計(jì)算法存在的問(wèn)題是，在瀝青混合料中，瀝青、纖維的密度比較容易測(cè)定，但集料的有效密度測(cè)定較難?！耙?yàn)榈V質(zhì)集料表面是多空隙的，并能不同程度地吸收水分和瀝青，而且水分與瀝青的吸收比例隨每

8、一種集料而異”3。由于瀝青的滲透性比水差，所以混合料中礦料的有效密度應(yīng)介于表觀密度與毛體積密度之間，可用式(2)表示。yi=ys-a(ys-ysb)(2)式中：yi混合料中礦料的有效密度；ys礦料的表觀密度；ysb礦料的毛體積密度；a系數(shù)，a0，1。采用以上幾種方法對(duì)江蘇某高速公路SMA混合料最大理論密度的測(cè)算情況如圖3。在對(duì)江蘇瀝青路面常用的玄武巖石料進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)采用礦料的表觀密度與毛體積密度的平均值(即a=0.5)計(jì)算最大理論密度，與采用真空法渙0試的結(jié)果基本一致，因此我們大都采用礦料的平均密度來(lái)計(jì)算混合料的最大理論密度。不同方法得到的最大理論密度，對(duì)空隙率、設(shè)計(jì)油石比有顯著

9、的影響，見(jiàn)表5。對(duì)于吸水率較大的集料，這種影響將更為顯著。而指南中推薦的采用礦料毛體積密度計(jì)算最大理論的方法，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)油石比偏低、實(shí)際空隙率偏大，不夠合理。因此，對(duì)于不同礦料、不同級(jí)配的混合料，建議采用實(shí)測(cè)的最大理論密度；或先在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，確定系數(shù)a，采用式(2)得到的礦料有效密度來(lái)計(jì)算最大理論密度；無(wú)條件實(shí)測(cè)時(shí)，可取礦料的平均密度(a一0.5)來(lái)近似計(jì)算最大相對(duì)密度。2.3關(guān)于瀝青用量目前，在我國(guó)一些地方出現(xiàn)了不斷地降低SMA瀝青用量的趨勢(shì)，其理由是我國(guó)的氣候比國(guó)外熱、高的瀝青用量會(huì)出現(xiàn)泛油、車轍。有些地方SMA的油石比已降低至5.4%，與普通瀝青混合料已無(wú)明顯差別。這種趨勢(shì)不一定好。應(yīng)

10、該認(rèn)識(shí)到，我國(guó)早期有些SMA工程出現(xiàn)了泛油、車轍、推移等現(xiàn)象，其原因是多方面的，不能片面地認(rèn)為就是瀝青用量過(guò)高。經(jīng)驗(yàn)不足、級(jí)配不合理、設(shè)計(jì)空隙率偏小、使用吸油性較差的石棉纖維或過(guò)多地使用振動(dòng)碾壓等都可導(dǎo)致SMA路面出現(xiàn)泛油。近年來(lái)，隨著認(rèn)識(shí)的逐步提高，配合比方法、設(shè)計(jì)指標(biāo)的改進(jìn)，泛油的情況是可以避免的。眾所周知，SMA的組成特點(diǎn)是三多一少，即瀝青用量多、粗集料多、礦粉用量多、細(xì)集料用量少。室內(nèi)外試驗(yàn)表明，瀝青用量多是SMA的重要特征，也是影響其性能的重要因素。SMA的設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是，在保證高溫穩(wěn)定性的前提下，較多地使用瀝青。因此各國(guó)都規(guī)定了SMA的最小瀝青用量。由于氣候條件的差異，我國(guó)不可能

11、采用歐洲那么高的瀝青用量，但美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)是可以參考的。我們比較了江蘇省與美國(guó)佐治亞州的氣象資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同緯度的地區(qū)，佐治亞州的高溫比江蘇略高，低溫比江蘇略低，也就是說(shuō)佐治亞州的氣候比江蘇更嚴(yán)酷。而佐治亞州又是美國(guó)SMA應(yīng)用最多、最為成功的兩個(gè)州之一(另一個(gè)為馬里蘭州)。因此片面地講我國(guó)的氣候比國(guó)外嚴(yán)酷的說(shuō)法是不恰當(dāng)?shù)?。我們認(rèn)為對(duì)江蘇的氣候條件而言，SMA的瀝青用量宜滿足表6的要求。1998年以來(lái)，在江蘇寧揚(yáng)、寧合、寧杭等幾條重交通公路水泥路面加鋪改造工程中，在瀝青加鋪層上面層采用了改性或非改性瀝青的SMA。為提高面層抗反射裂縫的能力，SMA面層使用了相對(duì)較高的瀝青用量，油石比為6.26.5。這

12、些路段至今使用效果良好，SMA面層未出現(xiàn)過(guò)反射裂縫，也未出現(xiàn)泛油、車轍等現(xiàn)象，這說(shuō)明我們采用的瀝青用量是適宜的。根據(jù)江蘇省瀝青路面上面層所用玄武巖現(xiàn)狀，進(jìn)行SMA配合比設(shè)計(jì)，當(dāng)級(jí)配滿足要求時(shí)，SMA(SMAl3或SMAl6)的最佳油石比一般約在6.06.5，這也是我省SMA工程油石比大都在6.06.5的主要原因。2.4關(guān)于水穩(wěn)定性檢驗(yàn)我們通常認(rèn)為SMA的水穩(wěn)定性較好，但前提是在保證其空隙率較小的情況下。在相同空隙率的條件下進(jìn)行水損害檢驗(yàn)，SMA與常規(guī)的瀝青混合料相比，并未體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)來(lái)。實(shí)際上當(dāng)空隙率較大時(shí)，比如7以上，SMA的水穩(wěn)定性不及常規(guī)的瀝青混凝土。因此美國(guó)采用AASHTOT283試驗(yàn)評(píng)

13、價(jià)混合料的水穩(wěn)性時(shí)，對(duì)于常規(guī)密級(jí)配瀝青混合料要求試件空隙率7，TSR80；而對(duì)于SMA要求試件空隙率6，TSR70%。因此在多雨地區(qū)，進(jìn)行SMA配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別重視水穩(wěn)定性的檢驗(yàn)。AASHTOT283試驗(yàn)是美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)推薦使用的評(píng)價(jià)壓實(shí)瀝青混合料抗水害的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。對(duì)SMA設(shè)計(jì)檢驗(yàn)而言，AASHT0T283試驗(yàn)采用6空隙率的試件進(jìn)行真空飽水，飽和度5580，再進(jìn)行凍融循環(huán)，測(cè)定條件、非條件試件的劈裂強(qiáng)度比TSR，作為評(píng)價(jià)SMA混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)，要求TSR不小于70。由于試件與路面通車早期的空隙率比較接近(約6)，因此T283試驗(yàn)較浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)條件嚴(yán)

14、酷，也更能反映混合料的水穩(wěn)定性情況。關(guān)于SMA水穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，文獻(xiàn)1中推薦了浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)。這兩種試驗(yàn)均采用馬歇爾試件，空隙率約為4，比，SMA路面通車初期(也是最容易發(fā)生水損壞的時(shí)期)的空隙率小(約6%)，4空隙率的試件基本上不滲水，難以有效評(píng)價(jià)混合料的抗水損害能力。因此在多雨地區(qū)，在配合比設(shè)計(jì)階段，有條件的情況下應(yīng)進(jìn)行AASHTOT283水損害檢驗(yàn)；無(wú)條件的可調(diào)整馬歇爾擊實(shí)次數(shù)或采用靜壓法成型6的試件，再進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。2.5關(guān)于碾壓工藝與常規(guī)瀝青路面相比，SMA的碾壓施工相對(duì)簡(jiǎn)單。SMA的碾壓要求緊跟攤鋪機(jī)，一般采用10f左右雙鋼輪壓路機(jī)連續(xù)碾壓35遍即可。碾壓中初壓和復(fù)

15、壓是連續(xù)進(jìn)行的，無(wú)明顯的界限，之后路面溫度稍低時(shí)，用較寬的壓路機(jī)終壓一遍即可，如不必要也可取消終壓。同時(shí)為提高平整度，壓路機(jī)的每次碾壓應(yīng)不停地向前推進(jìn)，不宜劃分固定的碾壓段落。壓路機(jī)型號(hào)的選擇不能僅從噸位上考慮，可按公式(3)計(jì)算輪碾?yún)?shù)RF，一般用RF為22左右的壓路機(jī)為宜7,對(duì)于軟一些的石料，可稍低一些。RF=P/Ld2(3)式中：RF輪碾?yún)?shù)，kPa；p輪載，kN；L輪長(zhǎng)度，m；d輪直徑，m。壓實(shí)后，混合料壓實(shí)度應(yīng)不小于最大理論密度的94%，試件的空隙率不大于6。可采用鉆孔法檢測(cè)密度，短時(shí)間內(nèi)，鉆孔取樣有困難的，壓實(shí)度主要通過(guò)數(shù)壓路機(jī)的碾壓次數(shù)來(lái)控制，并根據(jù)觀察表面是否有明顯輪跡及瑪蹄脂

16、擠滿程度確定。碾壓中應(yīng)密切注意路表情況，防止過(guò)度碾壓。關(guān)于SMA是否采用振動(dòng)碾壓，目前國(guó)內(nèi)外存在著較大的爭(zhēng)議。在歐美國(guó)家，普遍認(rèn)為振動(dòng)碾壓會(huì)導(dǎo)致SMA集料壓碎，SMA碾壓施工多用靜壓方式，禁止或較少使用振動(dòng)67。而在我國(guó)，很多SMA工程都采用振動(dòng)碾壓方式，有些工程振動(dòng)碾壓多達(dá)5次。振動(dòng)碾壓成了鑒別是否真正SMA的試金石2。毋庸置疑，振動(dòng)碾壓有助于降低路面空隙率、提高壓實(shí)度，而且真正的SMA在高溫下振動(dòng)碾壓的確不會(huì)推移。即使這樣，采用振動(dòng)碾壓時(shí)應(yīng)小心。因?yàn)镾MA為骨架結(jié)構(gòu)，粗集料相互嵌擠形成了穩(wěn)定的支撐骨架，細(xì)集料、瑪蹄脂僅起填充作用，交通荷載主要由粗集料承受。在相同荷載作用下，SMA路面中粗集

17、料間的接觸壓力比AC大，因此磨耗的幾率也大7。盡管大多數(shù)SMA工程都采用耐磨耗的優(yōu)質(zhì)集料，施工中仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)骨料被壓碎的現(xiàn)象，在采用振動(dòng)碾壓時(shí)這種現(xiàn)象更為突出。而骨架結(jié)構(gòu)一旦破壞了，SMA高溫穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)也將喪失殆盡。實(shí)際上由于SMA中瑪蹄脂含量高、細(xì)集料用量少，因而SMA比AC容易壓實(shí)。滿足配合比設(shè)計(jì)要求的SMA基本上不需要振動(dòng)碾壓，有時(shí)候人為地降低SMA的設(shè)計(jì)油石比，而只有依靠振動(dòng)碾壓來(lái)達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度。無(wú)論何種情況，應(yīng)認(rèn)識(shí)到振動(dòng)碾壓是手段不是目的，只要路面能夠達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，全靜壓最好，不得已使用振動(dòng)碾壓時(shí)，應(yīng)該遵循“高頻低幅”的原則，同時(shí)密切注意集料的狀況，避免過(guò)振破壞骨架結(jié)構(gòu)。3結(jié)束語(yǔ)本文結(jié)合近幾年江蘇省SMA工程研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重探討了SMA路面技術(shù)幾方面的問(wèn)題，本文主要結(jié)論如下：我國(guó)SMA工程4.75mm的通過(guò)率呈下降趨勢(shì)，為保證粗集料問(wèn)形成相互嵌擠的結(jié)構(gòu)，4.75mm的通過(guò)率應(yīng)控制在30以下。在配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)堅(jiān)持VMA17、VCAmixVCADR。的要求。在配合比設(shè)計(jì)中計(jì)算空隙率時(shí)應(yīng)采用實(shí)測(cè)的最大理論密度，采用集料的毛體積密度計(jì)算最大理論密度，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)油石比偏低、空隙