SMA在太原北中環(huán)橋工程中的應(yīng)用

吉平云

(太原市市政工程總公司，山西太原 030002)

1 設(shè)計(jì)背景

北中環(huán)橋是我市第九座跨越汾河的大橋，同時(shí)也是全長(zhǎng)近50 km快速中環(huán)線上的“咽喉”工程，設(shè)計(jì)車速達(dá)80 km/h，橋面采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。為配合鋼橋結(jié)構(gòu)的柔韌性并確保橋面防水性，設(shè)計(jì)采用了澆筑式瀝青混凝土下面層+高彈改性SMA-16面層作為大橋的橋面鋪裝層。瀝青瑪脂碎石(SMA)混合料較普通AC混合料孔隙率小、構(gòu)造深度大、水穩(wěn)定性好，高彈改性瀝青SMA又比普通SMA具有更加良好的高溫性能和優(yōu)異的回彈變形能力。但是因?yàn)镾MA材料價(jià)格高、施工難度大，此種結(jié)構(gòu)的瀝青混合料目前多用于高速公路的路面工程，此前我市市內(nèi)僅在漪汾橋改造工程中采用SMA-10作為瀝青上面層使用過(guò)。

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

我試驗(yàn)室在接到施工方配合比設(shè)計(jì)委托后，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查、多配比試驗(yàn)，結(jié)合我市近年來(lái)氣候四季溫差偏大的特點(diǎn)及交通負(fù)擔(dān)日重的狀況，根據(jù)現(xiàn)有的資料進(jìn)行了北中環(huán)橋SMA-16高彈改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。

3 材料的選用

瀝青混合料的質(zhì)量理不理想首先要看材料質(zhì)量滿不滿意。本次設(shè)計(jì)采用了韓國(guó)SK聚合物改性瀝青(I-D)為瀝青原材，輝綠巖作為粗細(xì)集料的破碎集料，用木質(zhì)素纖維作為穩(wěn)定劑，這些原材料從技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)都是目前市面上能找到的最適合SMA結(jié)構(gòu)的原材。

3.1 瀝青

本工程采用的高彈改性瀝青是韓國(guó)SK能源株式會(huì)社生產(chǎn)的I-D型聚合物改性瀝青。SK能源株式會(huì)社選用100%的中東產(chǎn)(科威特、沙特)原油，生產(chǎn)高品質(zhì)的穩(wěn)定的瀝青，其生產(chǎn)銷售的瀝青品質(zhì)均勻、含蠟量低，這種瀝青不僅最適合路面鋪設(shè)，而且是生產(chǎn)改性瀝青的最佳基質(zhì)瀝青。根據(jù)我國(guó)JTJ 036-98公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范分類，Ⅰ類為SBS類熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青，I-D型適用于炎熱地區(qū)及重交通路段，這是考慮到近年來(lái)我市夏季高溫持續(xù)偏高，且鋼橋表面溫度要高于道路路表溫度而定的。我試驗(yàn)室對(duì)施工單位所送來(lái)樣檢測(cè)后的結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表

對(duì)來(lái)樣進(jìn)行瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)表明，其薄膜加熱質(zhì)量損失平均值為0.17LT(%)，加熱后殘留物針入度比 Kp=65.8%。表2為SMA-16高彈改性瀝青的技術(shù)要求表。

表2 SMA-16高彈改性瀝青技術(shù)要求

由以上數(shù)據(jù)可知:該瀝青的性能是完全符合設(shè)計(jì)要求的。

3.2 粗集料

研究瀝青混合料的路緣性能時(shí)，必須在保證集料質(zhì)量的前提下，再考慮如何控制礦料的級(jí)配，如何提高瀝青混合料的性質(zhì)。SMA混合料中集料的耐沖擊性和耐磨性直接影響到道路開(kāi)放后的使用功能，所以要求集料巖石必須具有足夠的硬度，以確保能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持棱角而不被磨損，從而達(dá)到道路長(zhǎng)期抗滑性能的要求。通過(guò)查找大量資料得知:輝綠巖與玄武巖均具有抗壓強(qiáng)度高、耐磨耗(磨光值相差不多)、堅(jiān)硬的特點(diǎn)，玄武巖比輝綠巖密度略大，兩種巖石的基本性能差別不大。此次北中環(huán)橋采用輝綠巖破碎為集料而未使用玄武巖，主要是根據(jù)我市的供料情況，輝綠巖的供料渠道更穩(wěn)定一些，而且其硬度等各項(xiàng)指標(biāo)也符合規(guī)范要求。有關(guān)資料表明:輝綠巖屬于弱堿偏中性石料，壓碎值約為12.2%，能確保混合料在施工過(guò)程中以及開(kāi)放交通后具有足夠的抗壓碎能力;與瀝青的粘附性可達(dá)4級(jí)，無(wú)需摻入瀝青抗剝落劑即可具有良好的抵抗水剝離能力。有關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)輝綠巖瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定，并采用高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面抗車轍能力，結(jié)果顯示:此種混合料動(dòng)穩(wěn)定度大、水穩(wěn)定性能好，所以輝綠巖完全可以作為SMA的集料用于瀝青路面施工。表3是SMA-16對(duì)粗集料技術(shù)性能指標(biāo)，為了能達(dá)到表3的要求，制作集料時(shí)應(yīng)注意必須采用錐式(回轉(zhuǎn)式)或錘式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，以保證集料的棱角性能達(dá)到技術(shù)要求，減少針片狀顆粒的含量。

表3 粗集料技術(shù)性能指標(biāo)

3.3 細(xì)集料及礦粉

細(xì)集料在SMA中只占很少的比例(不到10%)，目前都要求采用人工砂，即機(jī)制砂。機(jī)制砂是采用堅(jiān)硬巖石反復(fù)破碎制成，所以它有良好的棱角性和嵌擠性能，對(duì)提高混合料的高溫穩(wěn)定性有好處。細(xì)集料的粗糙性或棱角性對(duì)SMA的嵌擠作用非常重要，SMA路面要求細(xì)集料棱角性不小于45%。

在SMA中礦粉用量比普通瀝青混凝土要多一倍左右，礦粉在瀝青混合料中的作用至關(guān)重要。瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對(duì)其他粗細(xì)集料產(chǎn)生粘附作用。在本次設(shè)計(jì)中我試驗(yàn)室加入的礦粉材料為石灰石礦粉，其親水系數(shù)小于1，與瀝青有良好的粘附性，能很好的將輝綠巖集料與瀝青的粘附性提升至5級(jí)以上，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，礦粉的細(xì)度也應(yīng)符合要求，小于0.075 mm的含量應(yīng)大于75%。

3.4 纖維

SMA混合料的特點(diǎn)是粗集料多、礦粉多、瀝青結(jié)合料多、細(xì)集料少，加入纖維作為穩(wěn)定劑可以有效地提高混合料的高溫穩(wěn)定性和抵抗埋釘輪胎的磨耗。

本工程采用木質(zhì)素纖維(MC)作為SMA混合料的穩(wěn)定劑，它是天然木材經(jīng)過(guò)化學(xué)處理得到的有機(jī)纖維，由于處理溫度高達(dá)250℃，在通常條件下化學(xué)性能非常穩(wěn)定，不被一般的溶劑、酸、堿腐蝕，還可以增加SMA混合料的抗疲勞性能。

纖維的種類重要，它的摻量選擇更重要:纖維摻量過(guò)少會(huì)使混合料中瀝青增多，易發(fā)生滴漏，形成油斑;同時(shí)還會(huì)造成瑪脂有效數(shù)量不足，孔隙率增大，降低路面的耐久性能。纖維摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)使分散困難，影響生產(chǎn)率，而且如有結(jié)團(tuán)，還會(huì)使混合料粘聚力下降，影響路用性能。此外，纖維較多時(shí)，混合料中自由瀝青過(guò)少，使瑪脂過(guò)于粘稠。低溫性增大，降低混合料抵抗低溫開(kāi)裂能力。本工程使用的纖維摻量為混合料重量的0.3%。

4 混合料級(jí)配與性能要求

SMA混合料的結(jié)構(gòu)是一種由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量細(xì)集料組成的，由瀝青瑪脂填充間斷級(jí)配碎石骨架間隙而成的瀝青混合料，它最基本的組成是碎石骨架和瀝青瑪脂結(jié)合料兩大部分。配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定骨架和瑪脂部分各種材料的規(guī)格和比例，以便保證真正形成粗集料骨架，骨架的間隙又恰到好處地填充瑪脂。

秉持這一原則，本工程采用忻州防滑料、鎮(zhèn)城機(jī)制砂、柏板礦粉制作的配比如表4所示。

而SMA-16混合料的級(jí)配范圍要求見(jiàn)表5。

表4 各材料配比表

表5 混合料級(jí)配范圍要求

由以上數(shù)據(jù)可知該級(jí)配符合設(shè)計(jì)要求，總體比平均最佳級(jí)配略細(xì)一些。根據(jù)該級(jí)配做四組配比后得出最佳瀝青含量為5.8%，最佳油石比為6.1%。用該配比制成試件后試件密度為2.453 g/cm3，孔隙率為3.9%，經(jīng)試驗(yàn)室在60℃時(shí)用輪碾法測(cè)得動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)為9 270次/mm(三次平均值)。根據(jù)SMA-16混合料的性能要求可知，該配比是非常成功的(見(jiàn)表6)。

表6 SMA-16混合料性能要求

根據(jù)施工后取樣的試驗(yàn)結(jié)果顯示，施工時(shí)成品油石比為5.9%～6.0%，孔隙率為3.7%～3.9%，穩(wěn)定度位于 8.7 kN ～9.6 kN之間，符合SMA的技術(shù)要求，說(shuō)明北中環(huán)橋的高彈改性SMA的配比及施工做得還是很成功的。

5 結(jié)語(yǔ)

配合比的成功僅是保證SMA成品質(zhì)量的第一步，其拌和過(guò)程也有很多要點(diǎn)需注意，比如:礦粉必須存放在室內(nèi)干燥的地方，確保在使用時(shí)干燥、不成團(tuán);不得使用回收粉塵替代礦粉，因?yàn)榛厥辗蹓m中含土量大，使用了回收粉的試件車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度和馬歇爾穩(wěn)定度都比使用礦粉的低得多等。只有將配比和拌和都控制好才能保證做出真正的SMA混合料，為保證施工質(zhì)量鋪平道路。

針對(duì)現(xiàn)代道路負(fù)荷日漸加重、極端氣候頻發(fā)的現(xiàn)狀，SMA這種具有優(yōu)良抗車轍性能和抗滑性能的路面材料優(yōu)勢(shì)更加顯著，在城市快速路發(fā)展中的應(yīng)用前景廣闊。為此，我試驗(yàn)室將密切關(guān)注施工后的道路狀況，分析工后各種現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)間、原因，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，為今后SMA的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、拌和、施工SMA混合料提供充足的技術(shù)保障。我們將從技術(shù)和管理兩方面入手，為市內(nèi)各項(xiàng)工程提供優(yōu)質(zhì)的瀝青混合料及路面成品。

［1］沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，1999：7.

［2］王佳佳.SMA瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)科技教育(理論版)，2012(4)：20.

［3］JTJ 032-94，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］玄武巖與輝綠巖的區(qū)別［J］.公路與汽運(yùn)，2005(3)：25.