SMA路面在某高速公路優化設計中的應用

王思源柳思婷

1.甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司；2.中國昆侖工程有限公司

1 引言

SMA路面起源于20世紀60年代的德國，全稱StoneMasticAsphalt，縮寫為SMA，它是一種新型的瀝青混合料結構，中文名為瀝青瑪蹄脂碎石混合料。該材料于20世紀90年代初引進中國，1993年在我國首都機場高速公路進行了首次應用，SMA路面材料現已作為目前我國高速公路路面的主要結構形式之一，在全國20幾個省、市、自治區進行了大量的應用。

2 材料特性

SMA是一種緊密嵌擠骨架密實結構，它是由瀝青、礦粉、纖維穩定劑及細集料等組成的密實混合料。該材料為間斷級配，即各檔料的用量不是連續的，其特點是粗料多，細料少，其中瀝青瑪蹄脂填充于間斷級配粗集料的骨架間隙中。這種混合料具有很強的抗變形能力，以及很好的高溫抗車轍能力，由于其瀝青面層的綜合性能有了明顯的改善，使得材料的耐久性有了較大的提高。而且，在瀝青瑪蹄脂的黏結作用下，材料的低溫變形能力和水穩定性也有了一定的改善。由于SMA材料的空隙率只有3%～4%，使得它幾乎不透水，因而水對該混合料的影響也比較小。同時由于粗集料占比高于70%，在壓實后的路面表面會形成構造深度大的空隙，從而大大提高路面的抗滑性能。而且該材料還有抗高溫變形能力強、抗開裂、疲勞性能良好，早期裂縫較少，耐久性好等特性。綜上所述，SMA混合料不透水，具有很強的抗水損壞能力，路面粗糙度大，具有很好的抗滑性能，同時能很好地降低行車噪聲，減少水霧及燈光反射，從而提高行車時的能見度。但該路面施工時要求較高的施工工藝，施工難度也比較大；對材料級配和瀝青用量變化比較敏感，經常很小的變化，往往會導致路面施工質量發生較大變化，相比其他材料施工成本也較高。

SMA路面宜在較高的溫度條件下施工，氣溫不宜低于15℃，不得低于10℃。改性瀝青SMA混合料出廠溫度為165℃～180℃，攤鋪溫度不低于160°，初壓溫度不低于150°，碾壓終了的表面溫度不低于90°。施工應配備的主要施工機械包括：（1）瀝青混合料拌和機：配有熱貯料倉，單機產量宜不少于240t/h，增加纖維（必要時和消石灰）投放口；（2）攤鋪機：履帶式攤鋪機2臺以上；（3）壓路機：重型振動壓路機3～4臺，10t雙鋼輪壓路機1～2臺。

3 項目概況

某高速公路地處甘肅東部地區，全長66.75km，屬于典型的山區高速公路，路線整體走向由西北向東南，工程區地勢由西北向東南降低。項目區域屬于溫帶干旱、半干旱氣候區，該氣候區總的特征為南濕、北干、東暖、西涼，由于受地形和海拔高度等的影響，項目區內氣候垂直差異明顯，氣溫變化也較為劇烈，河谷、川地夏季較炎熱，冬季比較寒冷。工程區內降雨量在年內分配極不平衡，降雨量主要集中在6～8月份，且東南部降水多，西北部降水少。原施工圖設計的主線路面結構為：4cmSUP-13上面層+6cmSUP-20中面層+8cmATB-25下面層+封層+35cm水穩基層+20cm水穩底基層。

4 SMA與SUP瀝青混合料特點及性能比較

4.1 特點

SMA瀝青瑪蹄脂碎石，是間斷級配，即各檔料的用量不是連續的，該材料具有細料少，粗料多，高用油量，多礦粉的特點。其中添加的纖維以起到了給骨架加筋的效果。使得其骨架結構變得密實。SUP高性能瀝青混凝土，是一種連續級配材料，它和AC級配非常接近，其混合料是一種懸浮密實型結構。但在實驗室進行級配設計時，通常采用體積設計法，即旋轉壓實的方法，因而其級配曲線是不能通過的。

4.2 優缺點

SMA優點:具有比較強的高溫抗變形、抗開裂、抗疲勞能力，且很少出現早期裂縫，具有良好的耐久性；空隙率小幾乎不透水，具有較強的抗水損壞能力；材料表面構造大，使路面的具有較好的抗滑能力；同時能很好地降低行車噪聲，減少水霧及燈光反射，從而提高行車時的能見度。

SMA缺點：對施工工藝的要求較高，具有一定的施工難度；對材料級配和瀝青用量變化比較敏感，經常很小的變化，往往會導致路面施工質量發生較大變化，相比其他材料施工成本也較高。

SUP優點：其材料密實性較好，具有較強的抗車轍能力，構造深度較高；混合料的瀝青用量相比SMA材料較小，具有相對較低的造價，施工工藝成熟，施工難度不高。

SUP缺點：其路用性能、抗水損害能力相比SMA路面較差。

4.3 指標比較

根據表1已建成高速公路SMA路面與SUP路面的技術指標比較可以得出以下結論。

表1 SMA與SUP技術指標比較

（1）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13的粗集料含量相比SUP-13瀝青混合料，有了顯著提高。（2）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13在馬歇爾穩定度、低溫抗裂方面略優于SUP-13瀝青混合料。（3）瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13相比SUP-13瀝青混合料，其水穩定性、高溫穩定性、摩擦系數、構造深度等方面占有一定的優勢。（4）在疲勞耐久性方面，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13中粗集料的空隙被瀝青膠漿進行了充分的填充，從而獲得了較小的空隙率，以及很高的柔韌性，因而其疲勞耐久性較高。SUP-13瀝青混合料中雖然也有含量較高的粗集料，但由于較低含量的瀝青膠漿，使得細集料膠漿的含量也相應地減少，從而改變了瀝青混凝土的勁度模量，導致出現了硬化的趨勢。瀝青混凝土的疲勞耐久性很大程度上受勁度模量的影響。所以，受級配組成的影響，SUP-13瀝青混合料的疲勞耐久性相對SMA混合料略差一些。（5）受構造深度的影響，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13的抗滑性能相對較好，而SUP-13瀝青混合料的抗滑性能略差。對瀝青路面來說，當具有較大的構造深度時，可以有效防止出現雨天高速行車時的“飄滑”現象，進而提高行車的安全性，同時可以延緩路面抗滑性能的衰減。（6）從施工工藝來看，SMA路面結構相對SUP路面結構施工技術要求較高，難度相對較大。（7）從總體上分析，SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料和SUP-13瀝青混合料的路用性能都較為出色，都是高等級公路路面良好的路面材料。但綜合性能方面SMA-13占優。（8）經濟方面比較，SMA路面結構較同等厚度SUP路面結構工程造價高，增加約20%～30%

5 優化設計方案

SMA瀝青瑪蹄脂混合料是一種抗變形能力強、耐久性能好的瀝青面層混合料，在國內外的道路工程中得到了廣泛的應用。該材料粗集料與細集料等的良好嵌擠，使得混合料具有較好的高溫抗車轍能力。同時受瀝青瑪蹄脂黏結作用的影響，混合料低溫變形性能和水穩定性也有了顯著改善；纖維穩定劑的添加，提高了瀝青混合料的黏度，能夠取得較好的攤鋪和壓實效果。特有的間斷級配在表面形成了構造深度大的大孔隙，提高了抗滑性能。很低的空隙率，使得耐老化性能及耐久性能都比較好。從而導致路用性能得到了全面改善和提高，延長了使用壽命，相應減少了養護維修費用，因而在公路、城市道路、機場跑道等工程領域得到迅速發展和廣泛應用，同時也積累了較為成熟的施工技術經驗。

結合項目區氣候變化明顯、降雨集中且分布極不平衡等特點，為提高路面結構抗滑性，提高抗車轍抗疲勞等路用性能，解決低溫疲勞開裂問題，根據《公路瀝青路面設計規范》（JTGD 50—2017）對路面結構進行了瀝青混合料層疲勞開裂、無機結合料穩定層疲勞開裂、瀝青混合料層永久變形量、季節凍土地區瀝青面層低溫開裂4項設計指標驗算，SMA路面相對于superpave路面高溫抗車轍、低溫抗開裂、表明抗滑性等路用性能更優，且具有良好的水穩定性和耐久性，因此將原設計4cm厚細粒式改性瀝青混合料（superpave-13）上面層優化為4cm厚改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）。變更后主線路面結構：4cmSMA-13上面層+6cmSUP-20中面層+8cmATB-25下面層+封層+35cm水穩基層+20cm水穩底基層（見表2）。

注：表中土基回彈模量是平衡濕度狀態下經干濕與凍融循環作用后的當量回彈模量。

6 相關技術指標及驗算

根據《工可報告》提供的預測交通量及交通量增長率，初始年大型客車和貨車雙向年平均日交通量（輛/日）3863,方向系數0.55，車道系數0.8，交通量年平均增長率7.23%，初始年設計車道大型客車和貨車年平均日交通量（輛/日）1699，設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量（輛）1.586226E+07,路面設計交通荷載等級為重交通荷載等級。

根據《工可報告》整體式貨車比例為54%，半掛式貨車比例為34%。根據整體貨車及半掛式貨車占比，確定車輛類型分布為TTC3型。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTGD 50—2017）表A.3.3-3 2～11類車輛當量設計軸載換算系數計算得：

驗算無機結合料穩定層疲勞開裂時設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數為2.728286E+09。

驗算瀝青混合料層永久變形量時通車至首次針對車轍維修的期限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數為3.637082E+07。

驗算路基頂面豎向壓應變時設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數為6.391747E+07。

驗算結果如表3。

表3 路面結構設計指標驗算結果

7 結論

SMA混合料路面耐久性好，養護維修工作較少，使用壽命相對較長，具有很好的經濟效益和綜合環境效益。結合項目區域地形變化較大，氣候的垂直差異明顯，氣溫變化較為劇烈，區內降雨量在年內分配極不平衡的實際情況，將原設計4cm厚細粒式改性瀝青混合料（superpave-13）上面層優化為4cm厚改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），相關技術指標驗算對比有一定的提升，且滿足規范要求，達到了路面優化設計的目的。相信通過科學合理的施工組織和技術管理，嚴格的施工質量把控，通車運營后能取得較好的效果。

表2 路面結構及材料參數