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1、化临高速公路SMA试验路配合比设计陈大华李德恩袁世刚王军忠郭树明摘要：就京沪高速公路山东省境内化马湾临沂段首次推广使用SMA新技术修筑试验路的工程实践，从原材料的选用到SMA混合料配合比设计及其试验结果均进行了较为详实地叙述。关键词：SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)改性沥青配合比级配范围油石比马歇尔试验SMA路面结构在国外特别是欧洲一些国家很早便进行了研究和应用，获得了良好效果。尤其对交通量大、轴载重的高等级公路，更表现出了其它路面结构无法比拟的优势，它的突出特点表现在以下几个方面：良好的高温抗车辙性能、低温抗裂性能；良好的抗老化性能、耐疲劳性能、水稳性能；抗滑构造深度和抗滑摩擦系数适宜，明显降
2、低交通事故率。1994年该项技术引入国内，并先后修建了首都机场高速公路、八达岭高速公路、首都机场东跑道、北京东、西长安街。另外，江苏省、辽宁省、吉林省、河北省等都先后铺筑了不同规模的试验路，经过几年来特大交通量的营运，严寒酷暑的考验，表现出良好的路用性能。从各国使用SMA结构的情况来看，搞好SMA路面结构的关键和前提是控制原材料和配合比设计，这一点各个国家是统一的。但是对配合比设计的方法及各项技术要求，各国有其各自的特点，主要表现在级配和油石比方面。化临高速公路第一合同段SMA表面层是山东省为推广SMA结构修建的第一条试验路，在配合比设计方面，我们重点参考了与本省气候条件相近的美国及近年来国内
3、若干工程的经验，并结合自己的实际情况适当作了调整，使配合比设计更加合理，试验路各方面取得了良好效果。1原材料控制1.1沥青从泰安境内夏季高温的状况来看，沥青路面路表温度要达到60以上，我们决定使用抗高温性能比较好的改性沥青。基质沥青采用进口韩国AH-70号重交通道路石油沥青，改性剂采用国际上普遍使用的性能较好的星型SBS，为北京燕山石化公司生产，剂量为5%，由北京市国创改性沥青有限公司的LG-8型改性沥青制作设备在拌和现场加工制作。改性沥青经显微镜观察分散非常均匀，一般小于5，试验结果见表1。表1改性沥青主要检测指标指标AH-70号 原样沥青5%SBS改性沥青技术要求针入度25(0.1mm)6
4、94540延度15(cm)5(cm)130882320软化点()51.47165含蜡量(%)1.21密度(g/cm3)1.031.035弹性恢复(%)90701.2矿料采用莱芜玄武岩石料厂生产的1020mm、510mm、35mm三种规格的玄武岩石料，由大型锤式破碎机生产，石质坚硬，破碎面多，针片状很少。天然砂选用汶河中砂，级配合理，含泥量很小。矿粉为平邑产球磨机磨细石灰岩石粉，细度适合，石质纯正，基本不含泥土及风化层。各种材料的筛分结果及各项检验指标见表2、表3。 表2原材料筛分结果材料通过下列筛孔(mm)的百分率(%)19.016.013.29.54.752.361.180.60.30.15
5、0.0751020mm10085.659.321.60000000510mm10010010010011.60.40.30.30.20035mm10010010010098.25.00.20.10.100天然砂10010010010095.583.756.642.68.83.21.9矿粉10010010010010010010010099.892.276.8表3各种矿料的主要控制检验指标材料玄武岩 1020mm玄武岩510mm玄武岩35mm天然砂石灰岩矿粉表观密度(g/cm3）2.9652.9593.0022.6122.676压碎值(%)10.5吸水率(%)0.430.470.66针片状含量(
6、%)5.47.2洛杉矶磨耗损失(%)9.7石料磨光值(BPN)58与沥青的粘附性亲水系数0.791.3纤维使用从美国进口的Interfibe公司生产的纯松散木质素纤维，为了提高纤维投放效率及分散效果，纤维由专用的纤维投放设备直接投入拌和机，剂量为混合料总量的0.3%。纤维的各项检验指标见表4。表4纤维主要检验指标0.6mm筛的 通过率(%)吸油值含水量(%)600加热后灰分含量(%)72.8纤维质量的5.16倍3.517.72配合比设计SMA混合料配合比设计的步骤各个国家基本是一致的，首先进行材料选择，确定最佳集料级配，确定最佳沥青结合料含量，评价沥青结合料析漏潜能，评价沥青混合料水敏感性。但
7、试验的方法各国之间差别比较大，矿料级配差别也比较大。由于美国的气候条件与我国相近，因此大部分技术指标的要求我们主要借鉴了美国的经验，同时参考了北京市若干工程的经验。结合我们设备的实际情况，试验的方法主要依据马歇尔试验初步确定目标配合比，再通过其它辅助试验对配合比进一步确认。2.1确定矿料级配范围及设计技术参数从SMA混合料使用的情况来看，欧洲地区气候较冷，采用的矿料级配范围粒径较小，级配偏细，油石比较大。而美国由于气候比较温暖，则粒径加大，粗集料增多，油石比有所降低。但是各个国家在空隙率的选用上基本是一致的，一般掌握到3%4；为了提高其高温抗车辙性能，4%的空隙率为最佳数值。由于本地区夏季炎热
8、，对油石比的选用更要特别慎重，只能低，不能高。美国规定最小沥青用量为6%，并明确规定以矿料间隙率VMA17%作为设计指标。由于在相同的矿料级配情况下，矿料间隙率随沥青用量的增加而有所增大，因此我们在矿料间隙率的设计指标上作了适当调整，以满足最佳空隙率要求，提高路面的高温抗车辙性能和耐久性。从美国SMA结构发展的状况来看，早期SMA结构级配一般是：4.75mm筛的通过率30%左右，2.36mm筛的通过率20%左右，0.075mm筛的通过率10%左右。随着对SMA结构的进一步研究，级配进一步变粗，目前对4.75mm筛通过率的研究结论是：SMA混合料中4.75mm筛的通过率必须小于30%，才能保证石
9、料与石料的接触，为SMA提供足够的抗剪强度。而且只有通过4.75mm筛的百分率小于30%，才能在粗集料结构中撑开更多的空间，使VMA足够大。表5是美国规范和我国部分工程采用的矿料级配范围。从表中可以看出，1994年以后美国规范中规定的SMA结构级配范围基本处于稳定状态，而我国的几条主要高速公路采用的级配范围总体上偏细，只有河北保津高速公路的级配范围与美国的级配范围基本接近。 表5SMA结构矿料级配范围对比表筛孔(mm)191613.212.59.54.752.361.180.60.30.150.0751994年美国 SMA-1990100457025402230182210208121994年
10、美国细型SMA-12.51008510060802532182410208121994年美国粗型SMA-12.510085957520281624121612158101997年美国SMA-199010050742560202816241321121812158101997年美国SMA-12.510090100267820281624132112181215810首都机场高速公路SMA-161009510082956378253520261521121811161015812八达岭高速公路SMA-1610095100729254722540173114261022817715711河北保津高速
11、公路SMA-161009510085956075202816241418121612151012810从目前的实际情况来看，在美国的工程实践中，也倾向于将6%的最小沥青用量减小，大约有50%的工程沥青用量小于6%，以避免SMA混合料在施工压实机具的作用下，沥青胶泥向表面迁移，并防止在重交通和高温条件下泛油。在我国的SMA试验路中，有些因沥青用量较大已出现了泛油现象。依据成功的经验、失败的教训及新的研究成果，结合本地区的实际情况，具体确定了化临高速公路SMA结构矿料级配范围及设计参数，见表6、表7。 表6化临高速公路SMA结构矿料级配范围级配类型下列筛孔的通过率范围(%)19.016.013.2
12、9.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-1610090 1006585507020301524142410221015714712表7化临高速公路SMA混合料设计参数试验项目项目指标技术要求马歇尔试验试件击实次数两面各击实50次稳定度6kN流值25mm空隙率3.54.0矿料间隙率VMA16.5%17.5%粗集料骨架间隙率 VCAmix粗集料松装间隙率VCADRC谢伦堡沥青析漏试验结合料损失0.1%肯塔堡飞散试验结合料损失3000次/mm浸水马歇尔试验残留强度比80%冻融劈裂试验残留稳定度80%2.2配合比设计过程2.2.1初试级配根据4.75mm筛孔的通过率确定三种初试级配：1020mm碎石510mm碎石35mm人工砂天然砂矿粉 43355413 40357513 46350613SMA混合料配合比设计矿料级配曲线见图1，矿料级配计算结果见表8。图1SMA混合料配合比设计矿料级配曲线表8矿料级配计算结果筛孔原材料筛分结果合成级配目标级配值10 20mm510mm
