SMA-13瀝青混合料在濕熱地區高速公路路面中的應用

李燁宏

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

SMA瀝青混合料為瀝青瑪蹄脂碎石，采用間斷級配設計理念。混合料中，粗集料和瀝青含量高，細集料比例小，具有優異的骨架結構，使其混合料具有良好的耐高溫、抗滑性能，纖維起到吸收油脂和貫穿混合料的作用，使得混合料具有良好的表面構造。廣東省內高速公路路面磨耗層越來越多地采用SMA，與此同時，對SMA施工技術控制的要求較高。

國內許多專家學者對SMA混合料從配合比設計、施工質量控制等多方面展開不同層次的研究。如張肖寧和龔鴿等人針對SMA瀝青路面施工質量展開研究；李娟等對SMA瀝青路面抗滑輪廓構造及施工質量評價；陳永昌分析了SMA-10面層施工工藝；鐘國武等人通過試驗研究了高性能SMA混合料的使用性能；郭偉堅對改性瀝青SMA在鋼橋面鋪裝工程的應用進行了分析和研究。雖然目前針對SMA混合料取得了一定的成果，但進一步的推廣應用還需更多的理論研究和工程實踐經驗總結。

1 工程概況

某高速公路建設項目根據工程變更設計要求，將主線和樞紐互通立交匝道一般路段的瀝青混凝土路面結構層由原設計4.5cm厚GAC-16(PG82 改性)+5.5cm厚GAC-20C(改性)+8cm厚粗粒式瀝青混凝土 GAC-25變更為4cm厚SMA-13(PG76改性)+6cm厚GAC-20C(PG76改性)+8cm厚粗粒式瀝青混凝土GAC-25，如圖1所示。

圖1 路面結構變更

2 SMA-13目標配合比設計

2.1 原材料

上面層SMA-13粗集料為輝綠巖，集料粒徑規格分別為10～15mm、5～10mm、3～5mm；細集料為輝綠巖自制0～3mm機制砂；采用五華縣譚下鎮君其石灰石廠生產的礦粉，由石灰巖磨細制成；水泥為華潤水泥(封開)有限公司生產的PO42.5水泥；瀝青為殼牌新粵(佛山)瀝青有限公司生產的PG-76 SBS改性瀝青。

原材料試驗結果見表1～表3。

表1 集料密度試驗結果

表2 SBS(I-D)改性瀝青物理指標試驗結果

表3 RTFOT(163℃，75min)老化后物理指標試驗結果

2.2 配合比設計

根據廣東省濕熱的環境氣候特點，在進行SMA-13瀝青混合料配合比設計時，重點考慮瀝青混合料的抗高溫性能和抗水損害的能力，取油石比為6.2%，設計級配見表4和圖2所示，混合料性能見表5。

圖2 SMA-13礦料合成級配曲線

表4 SMA-13礦料合成級配

表5 目標配合比性能驗證

從表5試驗結果分析，選取瀝青混合料油石比6.2%所測馬歇爾指標均滿足JTG F40-2004及SMA-13改性瀝青混合料配合比設計技術要求。因此，最終選定礦料摻配比例為：10～15mm：5～10mm：3～5mm：0～3mm：礦粉：水泥=39：33：5：13：9：1，纖維摻量為瀝青混合料的0.35%，油石比為6.2%。

3 試驗路鋪筑及性能檢測

3.1 鋪筑方案設計

為了驗證配比和油石比對SMA-13的影響，在目標配合比的基礎上，本項目按照5個生產配合比方案(表6)，分別鋪筑長度為280m、210m、210m、260m、280m的試驗段，試驗路寬度15.10m，厚度4cm。施工當日天氣晴朗，最高氣溫31℃，最低氣溫25℃。

表6 不同方案的級配

3.2 混合料性能驗證

3.2.1 馬歇爾試驗

根據上述5種鋪筑方案的級配和油石比，進行馬歇爾試驗，試驗結果見表7。

表7 5種鋪筑方案的馬歇爾試驗結果

由表7可知：5種鋪筑方案的馬歇爾試驗結果均滿足設計要求；方案2和方案1相比，小于4.75mm的細粒材料摻配比例不變，油石比不變，僅變化11～16mm和6～11mm的摻配比例。結果表明，最大檔的占比增大，試件的毛體積相對密度減小，空隙率、飽和度增大，礦料間隙率增大，穩定度、殘留穩定度、流值減小。分析認為主要是粗粒增大，合成級配的比表面積減小所致。方案5和方案4相比，級配完全相同，只是油石比降低0.1%，發現空隙率增加，飽和度、礦料間隙率降低，穩定度和流值增加，殘留穩定度減少，說明適當降低瀝青用量可以提高瀝青混合料的初始穩定度，但會降低抗水損壞的能力。

3.2.2 肯塔堡飛散試驗

為了驗證5種方案的SMA-13混合料在車輛荷載反復作用下瀝青與集料的粘結能力，對上述5種混合料進行肯塔堡飛散試驗，試驗溫度為20℃±0.5℃，試件在恒溫水箱養生時間為20h。試驗結果見表8。

表8 肯塔堡飛散試驗結果

由表8可知，飛散試驗單值最大為方案4，最小為方案5，5種方案測試結果均小于設計要求的≯15。說明在合理的級配范圍內，油石比的增大會降低瀝青混合料抗脫落和掉粒等能力。

3.2.3 謝倫堡瀝青析漏試驗

采用謝倫堡瀝青析漏試驗確定SMA-13混合料的最大瀝青用量。依據規范，試驗溫度為185℃，烘箱加熱時間為60min±1min，共做4次試驗。試驗結果見表9。

表9 SMA-13析漏損失試驗結果

析漏損失單值最大是方案1和方案3，為0.07%；其余方案最小為0.06%。5種方案的謝倫堡瀝青析漏損失均小于設計要求的≯0.1。

3.2.4 高溫穩定性

采用170℃的拌和溫度拌和5種SMA-13瀝青混合料，并以165℃的溫度成型三塊尺寸為300mm×300mm×50mm的車轍板，進行車轍試驗。試驗采用輪壓為0.6MPa，試驗溫度為60℃。試驗結果見表10。

表10 SMA-13車轍試驗結果

由表10可知，5種方案的動穩定度均大于10 000次/mm，大于設計要求的6 000次/mm，說明該瀝青混合料具有較好的抵抗高溫變形的能力，能夠滿足廣東省濕熱環境的要求。5種方案的滲水系數分別為28ml/min、23ml/min、24ml/min、27ml/min、32ml/min，大大小于設計要求的150ml/min。

3.3 路用性能檢測

整體來看，路面施工質量較好(圖3)。通過對比不同方案的芯樣圖片，發現方案4的級配更加優異，整體骨架結構良好，如圖4所示。

圖3 整體鋪面效果

圖4 方案4芯樣骨架結構

3.3.1 厚度與壓實度

路面鋪筑完成后次日，通過現場鉆取芯樣，測試其厚度和壓實度，每個鋪筑方案取2個芯樣，分別測試其厚度、密度，并計算出壓實度和空隙率。試驗結果見表11。

表11 不同方案芯樣壓實度

由表11可知：5種方案上面層厚度和總厚度均符合設計要求，單層厚度最大值為50mm，最小值為36mm，總厚度最大值195mm，最小值為177mm。按照馬歇爾壓實度，方案2、方案3、方案5出現壓實度“超百”現象。從空隙率來看，方案2和方案3的級配最差，空隙率不在設計要求范圍之內。

3.3.2 彎沉和滲水

按照設計要求，對5種方案的SMA-13上面層進行彎沉和滲水系數的檢測。檢測結果如圖5和圖6所示。

圖5 5種方案的彎沉值

圖6 5種方案的滲水系數

由圖5可知，方案3的實測彎沉值最小，為0.05mm；最大為0.098mm，但是均小于設計彎沉值0.198mm；方案1和方案2相比較可知在油石比相同的情況下，級配要求范圍內10～15mm碎石所占比例的增加會使得彎沉值減小；方案4和方案5比較可知，礦料級配相同的情況下，在合理的油石比范圍之內，隨著油石比的降低，彎沉增大。

由圖6可知，方案1和方案2的滲水系數明顯偏大，方案3和方案4的滲水系數較小，但都小于設計要求的≤150ml/min。結合現場實際情況分析，造成這種差異的主要原因，一是剛開始時攤鋪機各方面性能不佳，人機配合不足；二是級配和施工溫度的因素。

3.3.3 構造深度

為了驗證5種方案對構造深度的影響，采用手工砂鋪儀對每種SMA-13試驗方案測試兩次構造深度，結果如圖7所示。

圖7 5種方案的構造深度

由圖7可知，采用手工鋪砂法測試5種路面鋪筑方案的構造深度結果均大于設計要求的≥0.8mm，5種方案的構造深度集中在0.8～1.0mm之間；方案1、方案2相比可知隨著最大檔粗集料的增加、構造深度增加；方案3和方案5的突變說明施工均勻性對構造深度的影響不容忽視。

3.3.4 平整度

采用連續式平整度儀測試5種鋪筑方案的平整度。每個試驗段方案在主車道選取長度為100m的測試段，每10cm采集一次數據，輸出100m范圍內的平整度,如圖8所示。

圖8 5種方案的平整度

由圖8可知，方案1～方案3的平整度為0.7mm，方案4的平整度最小，為0.61mm。方案5次之，為0.63mm。說明級配輕微的變化對平整度的影響較小，可以忽略，但是施工機械對平整度的影響不可小覷。

3.3.5 抗滑性能

采用指針式擺式儀對5種方案的SMA-13路面進行抗滑測試。每個方案選取2個測試位置，每個測試位置選取3個測點，每個測點測試5次，取5次結果的平均值為測試路面溫度下測點的BPN值，取3個測點的平均值為該位置的測試值。為了使各溫度下的BPN值有可比性，對各測試溫度下的BPN值換算成20℃的標準值進行比較。方案1～方案3測試時路面溫度為38℃，方案4～方案5測試時路面溫度為40℃。換算后的結果如圖9所示。

圖9 5種方案的BPN測試值

由圖9可知，5種鋪筑方案的BPN值均大于54，滿足設計要求。綜合對比發現，在級配范圍內0～3mm細集料含量的增加，會在一定程度上提高路面的抗滑性能。

4 結語

SMA-13因其粗集料和瀝青含量偏高，木質素纖維貫穿其中，屬于典型的骨架結構，表面構造分布致密，是一種具有優良抗高溫和抗滑性能的磨耗層。本文依托實體工程，設計了5種不同級配和油石比的方案，通過室內試驗和現場試驗段檢測，綜合分析5種方案對混合料路用性能的影響，得出以下結論：

(1)設計的5種SMA-13方案路面平整度、構造深度、滲水抗滑等性能優異。經綜合分析，方案4的各項指標最好。

(2)施工機械和人機配合對SMA-13混合料性能的影響不容忽視，以后的施工要對各施工機械調整，以求得到更加均勻的鋪面效果。

(3)本項目鋪筑5種試驗路的實踐經驗，可為后續SMA-13路面的設計和施工提供參考。