SMA路面若干问题的探讨

SMA路面若干问题的探讨
符冠华曹荣吉
【江苏省交通科学研究院南京210017】
摘要：本文结合近几年江苏省SMA路面的工程研究和实践，对SMA 路面技术中的一些问题，如级配、设计空隙率、沥青用量、水损害检验、碾压工艺等进行探讨，提出了建议和意见。

关键词：SMA级配空隙率水损害碾压
1前言
SMA(Stone.Mast：icAsphalt)即沥青玛蹄脂碎石混合料，它是按照内摩擦角最大的原则，以间断级配的粗集料形成相互嵌挤的矿料骨架，然后按照空隙率较小的原则，以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙，形成一种密实骨架结构的沥青混合料。

由于SMA优越的高温稳定性、耐久性及抗滑性能，从20世纪80年代起就在欧洲得到推广和普及，现已被许多国家列入规范。

20世纪90年代初美国引进了SMA技术，并在多个州修筑了SMA试验路，美国国家沥青技术中心(NCAT)已经于1998年底完成了有关混合料设计的研究项目。

NAPA 于1999年1月出版了《SMA设计与施工指南》。

我国从1992年开始进行SMA的研究并且进行了一些实践，为此成立了交通部SMA推广课题组，进行专题研究。

推广课题组于1997年提出了《SMA推广建议书》，1999年6月又提出了《SMA路面旋工技术指南》[川。

至今已有十多个省市修筑了SMA试验路，一些地区已经开始在高速公路上推广应用SMA。

SMA在江苏的应用始于1995年，首先在宁连、宁通公路上修筑了SMA 试验路。

1998年以来，我们对SMA路面进行了大量的试验、研究，并在宁扬、宁合、宁杭等老路改造项目上成功地应用了改性沥青及普通沥青、SMAl6与SMAl3。

2000年已开始在淮江高速公路及一些地方道路上推广应用。

本文结合近几年来我们对SMlA路面的研究和工程实践，对SMA路面技术作一些探讨。

2SMA路面若干问题的探讨
2.1关于级配
关于SMA的级配，不同国家有不同的特色。

SMA之所以具有较好的高温稳定性、出色的抗车辙能力，均与其骨架结构密不可分。

SMA级配设计的主要目的就是保证粗集料间能够形成相互嵌挤的骨架结构。

SMA起源于欧洲，欧洲SMA的普遍特点是最大公称粒径较小、级配偏细，比较常用的为0／11、０／8、０／5等。

欧洲的SMA级配范围较宽，设计有很强的经验性，在这些级配范围中可以配出优良的SMA，但也可能配出并不理想的SMA。

长期以来，人们对SMA骨架结构的认识就是“间断级配”、“粗集料用量多”、“5mm以上集料约占70％左右”等，SMA配合比设计主要依靠马歇尔、析漏等几个试验，对于怎样才能使粗集料形成相互嵌挤的骨架没有具体的试验方法及量化的指标。

近两年欧洲的SMA路面出现了级配要求趋严、级配范围变窄的趋势，［见表1]
SMA技术于20世纪90年代初传到美国，并在美国得到迅速发展，出现了最大公称粒径变大、级配变粗、用油量相对减少的趋势。

最显著的变化是粗细集料的比例不同。

对于不同的公称粒径的SMA，粗集料的定义不同，如表2。

美国沥青技术中心(NCAT)的研究表明，对于SMAl3～SMA25，4.75mm
作为级配的间断点有着重要意义，4.75mm筛孔通过量的大小直接影响粗集料的嵌挤效果及vMA[4]。

NCAT还提出了采用式(1)来判别混合料中粗集料是否形成了嵌挤的骨架。

VCAmix<VCAdry(1)
式中：VCAmix——为混合料中粗集料间隙率，％；
VCAdry——为干捣试验的粗集料间隙率，％。

如果VCAmixvCADRdry,则表明填充的细集料过多，将粗集料相互撑开，没有形成骨架结构，该级配不能接受。

美国的设计规范中4.75mm的通过量较小(20%～28％)，美国SMA级配范围见表3。

我国自1992开始引进SMA技术，开始是学习欧洲的设计方法，级配范围也是参照欧洲的规范而定，但粒径增大了，级配的间断点也相应变了。

对于我国常用的SMAl6、SMAl3级配的间断点应为4.75mm，但在我国最初的一些SMA工程中，4.75mm通过率都比较高，一般为25％～40％。

NCAT 的研究表明Ⅲ，4.75mm的通过率与混合料的VMA密切相关，只有当4.75mm 的通过率小于30％，VMA才开始增加，粗集料的嵌挤作用才能逐渐得以发挥。

现在看来，我国早期的一些SMA工程中4.75mm的通过率偏大，以至有些工程不能满足VMA>17%的要求。

实际上当4.75mm的通过率高于30％时，也很难满足VCAM-x<VcADRYr的要求，也就是说这些级配不能保证粗集料间形成的嵌挤结构。

近两年来，随着SMA工程实践经验的积累，及受到美国SMA设计思
想的影响，降低4.75mm筛孔的通过量已成为一种趋势，如表4。

我们认为对于我国常用的SMAl6、SMAl3，4.75mm筛孔的通过量应控制在30％以下，以保证粗集料嵌挤结构。

在配合比设计时，应满足VCAmix<VCADRY 及VMA>17的要求，并建议以此作为判别真假SMA的一个标准。

2.2关于设计空隙率
“对任何一种沥青混合料，空隙率都是重要的参数，它决定了混合料的一系列性能和使用寿命，对普通沥青混合料时这样，对SMA同样是这样”[2]。

德国夏无酷暑，SMA设计空隙率为2％～4%，这与其气候条件是相适应的。

我国的SMA最初参考德国的设计指标，一般设计空隙率在3％左右。

美国NCAT的调查表明：当设计空隙率小于3％时，SMA路面出现泛油、车辙的几率大增。

美国借鉴了其Superpave设计思想，SMA的设计空隙率一般为4％，北方寒冷地区为3.5％。

我国的气候普遍较德国炎热，设计空隙率较小是一些SMA工程出现泛油、车辙的重要原因。

近两年来，在改进了级配之后，也将设计空隙率提高到4％左右。

提到空隙率，不得不谈一下混合料的最大理论密度(即文献口’中所指的混合料的最大毛体积相对密度)，因为它直接影响到空隙率的计算结果，也影响到设计油石比。

由于最大理论密度计算失误，往往导致不恰当的设计油石比及不恰当的设计空隙率。

混合料的最大理论密度可以采用实测法，也可以采用计算法。

计算法存在的问题是，在沥青混合料中，沥青、纤维的密度比较容易测定，但集料的有效密度测定较难。

“因为矿质集料表面是多空隙的，并能不同程度地吸收水分和沥青，而且水分与沥青的吸收比例随每一种集料而异”[3]。

由于沥青的渗透性比水差，所以混合料中矿料的有效密度应介于表观密度与毛体积密度之间，可用式(2)表示。

yi=ys-a(ys-ysb)(2)
式中：yi——混合料中矿料的有效密度；
ys——矿料的表观密度；
ysb——矿料的毛体积密度；
a——系数，a∈[0，1]。

采用以上几种方法对江苏某高速公路SMA混合料最大理论密度的测
算情况如图3。

在对江苏沥青路面常用的玄武岩石料进行大量实验的基础上，发现采用矿料的表观密度与毛体积密度的平均值(即a=0.5)计算最大理论密度，与采用真空法涣0试的结果基本一致，因此我们大都采用矿料的平均密度来计算混合料的最大理论密度。

不同方法得到的最大理论密度，对空隙率、设计油石比有显著的影响，见表5。

对于吸水率较大的集料，这种影响将更为显著。

而《指南》中推荐的采用矿料毛体积密度计算最大理论的方法，会导致设计油石比偏低、实
际空隙率偏大，不够合理。

因此，对于不同矿料、不同级配的混合料，建议采用实测的最大理论密度；或先在实测的基础上，确定系数a，采用式(2)得到的矿料有效密度来计算最大理论密度；无条件实测时，可取矿料的平均密度(a一0.5)来近似计算最大相对密度。

2.3关于沥青用量
目前，在我国一些地方出现了不断地降低SMA沥青用量的趋势，其理由是我国的气候比国外热、高的沥青用量会出现泛油、车辙。

有些地方SMA 的油石比已降低至5.4%，与普通沥青混合料已无明显差别。

这种趋势不一定好。

应该认识到，我国早期有些SMA工程出现了泛油、车辙、推移等现象，其原因是多方面的，不能片面地认为就是沥青用量过高。

经验不足、级配不合理、设计空隙率偏小、使用吸油性较差的石棉纤维或过多地使用振动碾压等都可导致SMA路面出现泛油。

近年来，随着认识的逐步提高，配合比方法、设计指标的改进，泛油的情况是可以避免的。

众所周知，SMA的组成特点是三多一少，即沥青用量多、粗集料多、矿粉用量多、细集料用量少。

室内外试验表明，沥青用量多是SMA的重要特征，也是影响其性能的重要因素。

SMA的设计的指导思想是，在保证高温稳定性的前提下，较多地使用沥青。

因此各国都规定了SMA的最小沥青
用量。

由于气候条件的差异，我国不可能采用欧洲那么高的沥青用量，但美国的经验是可以参考的。

我们比较了江苏省与美国佐治亚州的气象资料，发现对于同纬度的地区，佐治亚州的高温比江苏略高，低温比江苏略低，也就是说佐治亚州的气候比江苏更严酷。

而佐治亚州又是美国SMA应用最多、最为成功的两个州之一(另一个为马里兰州)。

因此片面地讲我国的气候比国外严酷的说法是不恰当的。

我们认为对江苏的气候条件而言，SMA的沥青用量宜满足表6的要求。

1998年以来，在江苏宁扬、宁合、宁杭等几条重交通公路水泥路面加铺改造工程中，在沥青加铺层上面层采用了改性或非改性沥青的SMA。

为提高面层抗反射裂缝的能力，SMA面层使用了相对较高的沥青用量，油石比为6.2％～6.5％。

这些路段至今使用效果良好，SMA面层未出现过反射裂缝，也未出现泛油、车辙等现象，这说明我们采用的沥青用量是适宜的。

根据江苏省沥青路面上面层所用玄武岩现状，进行SMA配合比设计，当级配满足要求时，SMA(SMAl3或SMAl6)的最佳油石比一般约在 6.0％～6.5％，这也是我省SMA工程油石比大都在6.0％～6.5％的主要原因。

2.4关于水稳定性检验
我们通常认为SMA的水稳定性较好，但前提是在保证其空隙率较小的情况下。

在相同空隙率的条件下进行水损害检验，SMA与常规的沥青混合料相比，并未体现出优势来。

实际上当空隙率较大时，比如7％以上，SMA 的水稳定性不及常规的沥青混凝土。

因此美国采用AASHTO—T283试验评价混合料的水稳性时，对于常规密级配沥青混合料要求试件空隙率7％，TSR≥80％；而对于SMA要求试件空隙率6％，TSR≥70%。

因此在多雨地区，进行SMA配合比设计时，应特别重视水稳定性的检验。

AASHTO T283试验是美国公路战略研究计划(SHRP)推荐使用的评
价压实沥青混合料抗水害的标准试验方法。

对SMA设计检验而言，AASHT0T283试验采用6％空隙率的试件进行真空饱水，饱和度55％～80％，再进行冻融循环，测定条件、非条件试件的劈裂强度比TSR，作为评价SMA混合料水稳定性的指标，要求TSR不小于70％。

由于试件与路面通车早期的空隙率比较接近(约6％)，因此T283试验较浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验条件严酷，也更能反映混合料的水稳定性情况。

关于SMA水稳定性的检验，文献[1]中推荐了浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验。

这两种试验均采用马歇尔试件，空隙率约为4％，比，SMA路面通车初期(也是最容易发生水损坏的时期)的空隙率小(约6%)，4％空隙率的试件基本上不渗水，难以有效评价混合料的抗水损害能力。

因此在多雨地区，在配合比设计阶段，有条件的情况下应进行AASHTO—T283水损害检验；无条件的可调整马歇尔击实次数或采用静压法成型6％的试件，再进行冻融劈裂试验。

2.5关于碾压工艺
与常规沥青路面相比，SMA的碾压施工相对简单。

SMA的碾压要求紧跟摊铺机，一般采用10f左右双钢轮压路机连续碾压3～5遍即可。

碾压中初压和复压是连续进行的，无明显的界限，之后路面温度稍低时，用较宽的压路机终压一遍即可，如不必要也可取消终压。

同时为提高平整度，压路机的每次碾压应不停地向前推进，不宜划分固定的碾压段落。

压路机型号的选择不能仅从吨位上考虑，可按公式(3)计算轮碾参数RF，一般用RF 为22左右的压路机为宜[7],对于软一些的石料，可稍低一些。

RF=P/L·d2(3)
式中：RF——轮碾参数，kPa；
p——轮载，kN；
L——轮长度，m；
d——轮直径，m。

压实后，混合料压实度应不小于最大理论密度的94%，试件的空隙率不大于6％。

可采用钻孔法检测密度，短时间内，钻孔取样有困难的，压实度主要通过数压路机的碾压次数来控制，并根据观察表面是否有明显轮迹及玛蹄脂挤满程度确定。

碾压中应密切注意路表情况，防止过度碾压。

关于SMA是否采用振动碾压，目前国内外存在着较大的争议。

在欧美
国家，普遍认为振动碾压会导致SMA集料压碎，SMA碾压施工多用静压方式，禁止或较少使用振动[6\7]。

而在我国，很多SMA工程都采用振动碾压方式，有些工程振动碾压多达5次。

振动碾压成了鉴别是否真正SMA的试金石[2]。

毋庸臵疑，振动碾压有助于降低路面空隙率、提高压实度，而且真正的SMA在高温下振动碾压的确不会推移。

即使这样，采用振动碾压时应小心。

因为SMA为骨架结构，粗集料相互嵌挤形成了稳定的支撑骨架，细集料、玛蹄脂仅起填充作用，交通荷载主要由粗集料承受。

在相同荷载作用下，SMA路面中粗集料间的接触压力比AC大，因此磨耗的几率也大[7]。

尽管大多数SMA工程都采用耐磨耗的优质集料，施工中仍然会发现骨料被压碎的现象，在采用振动碾压时这种现象更为突出。

而骨架结构一旦破坏了，SMA高温稳定性的优势也将丧失殆尽。

实际上由于SMA中玛蹄脂含量高、细集料用量少，因而SMA比AC容易压实。

满足配合比设计要求的SMA基本上不需要振动碾压，有时候人为地降低SMA的设计油石比，而只有依靠振动碾压来达到规定的压实度。

无论何种情况，应认识到振动碾压是手段不是目的，只要路面能够达到规定的压实度，全静压最好，不得已使用振动碾压时，应该遵循“高频低幅”的原则，同时密切注意集料的状况，避免过振破坏骨架结构。

3结束语
本文结合近几年江苏省SMA工程研究和实践经验，着重探讨了SMA 路面技术几方面的问题，本文主要结论如下：
我国SMA工程4.75mm的通过率呈下降趋势，为保证粗集料问形成相互嵌挤的结构，4.75mm的通过率应控制在30％以下。

在配合比设计中应坚持VMA>17％、VCAmix<VCADR。

的要求。

在配合比设计中计算空隙率时应采用实测的最大理论密度，采用集料的毛体积密度计算最大理论密度，会导致设计油石比偏低、空隙率偏大。

沥青用量多是SMA的重要特征，也是影响其性能的重要因素。

导致SMA路面出现泛油的原因很多，而不仅仅是沥青用量，为此一味地降低沥青用量的方法是不科学的，也是不可取的。

进行SMA的水稳定性检验时，常规的浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验由于试件空隙率小，试验的有效性低。

对于多雨地区，应尽量进行
AASHTO—T283试验或采用6％的空隙率试件进行冻融劈裂试验。

SMA为骨架结构，荷载主要由粗集料承受，粗集料间的接触压力较大，压实度检验的标准是合适的密实度，碾压施工最好采用全静压，当必须采用振动碾压时，应遵循“高频低幅”的原则，尽量避免压碎骨料，或造成过度碾压。

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