上面层SMA―13配合比的优化设计

摘要：本文结合汝郴高速公路路面工程实践，对上面层SMA-13的配合比设计及施工质量控制要点进行了论述，为SMA-13上面层施工质量控制提供参考。

Abstract： Based on the practice of pavement engineering of Ruchen highway， this paper expounded the quality control points of upper layer SMA-13 mix proportion design and construction， so as to provide reference for the quality control of SMA-13 upper layer construction.

关键词：上面层SMA-13；配合比设计；施工质量控制

Key words： upper layer SMA-13；mix proportion design；construction quality control

中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）14-0143-04

0 引言

厦门至成都国家高速公路湖南省汝城（湘赣界）至郴州高速公路，双向四车道。路面结构主要为厚40mmSMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料上面层（SBS改性沥青）、厚60mmAC-20中面层（SBS改性沥青）、厚80mm粗粒式沥青混凝土下面层、煤油稀释沥青透层、厚10mmSBS改性沥青同步碎石封层和厚360mm水泥稳定碎石基层。上面层沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13配合比的设计与施工控制，直接关系到上面层混凝土成形后的强度、耐久性和抗低温开裂性，如果配合比设计不合理，或者施工控制不力，将造成混凝土开裂、成形强度不达标等问题。因此在施工中一定要严加控制。本文将结合汝郴高速公路路面工程实践，就上面层SMA-13的配合比优化设计及施工质量控制提出一套有效的技术方案，为SMA-13上面层施工质量控制提供参考。

1 沥青马蹄脂碎石混合料（SMA）的特性及强度机理

沥青玛蹄脂碎石混合料是一种以沥青、矿粉、纤维稳定剂机少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料，沥青玛蹄脂碎石混合料的构成特性，俗称“三多一少”，即沥青多为6%左右，矿粉用量多达8%-12%，4.75mm以上粗骨料用量高达矿料用量的70-80%，4.75mm以下的粗集料仅占矿料总重的20-30%，其中还有含有8-12%的矿粉，实际细集料用量为10-20%，相当少，所以沥青玛蹄脂碎石混合料的强度是依靠粗集料在沥青混合料中的骨架嵌剂作用和沥青玛蹄脂胶结料的粘裹作用形成的，因此它具有良好的抗滑性、、抗低温开裂性、高温稳定性及耐久性。下面以汝郴高速公路第39合同段SMA-13上面层（SBS改性沥青）施工为例来说明SMA的配合比优化设计及施工质量控制。

2 SMA-13配合比设计

2.1 原材料的选取

2.1.1 粗集料

SMA的粗集料是指在SMA混合料中形成嵌挤起到骨架作用的集料部分，对SMA-10是指粒径大于2.36mm的集料，对SMA-13、SMA-16是指粒径大于4.75mm的集料，SMA的高温稳定性是基于含量甚多的粗集料之间的嵌挤作用，集料石质的坚韧性、颗粒形状和棱角性决定了其高温稳定性高低，SMA是否能够成功与粗集料的这些性质息息相关，因此在选取原材料时应选取压碎值小、针片状含量少、表面粗糙有一定棱角性的石料。

为了确保混合料中的油膜厚度和粘结力符合要求，在选择石料时应严格遵守以下标准：一是石料的压碎值要低，针片状含量要少；二是石料一定要致密粗糙成立方体；三是石料规格要稳定。只有选取符合上述三个条件的石料，才能确保混合料的各项性能符合要求。汝郴高速采用的是汝城延寿的鑫辉石料厂生产的辉绿岩。各项检测指标见表1。

2.1.2 细集料

细集料是指SMA-13粒径小于2.36mm的集料，在SMA中虽然细集料的比例很少，但却是不可或缺的一个重要组成部分，通过用它填充SMA的粗集料骨架的间隙，不仅能够起到粘结作用，还能使路面的防渗能力增强，选取时应遵循表面粗糙、洁净、有一定棱角性和嵌挤能力的机制砂的原则。

2.1.3 填料

填料主要是指采用石灰岩等碱性岩石磨细的矿粉， 矿粉的用途相当于粘结剂，其作用是使沥青混合料的粘结力提高，但需要注意的是使用过程中应保证矿粉足量，只有这样才能真正地发挥作用。

2.1.4 沥青

路面使用性能与沥青材料的性质之间有着直接的关系，因此为确保路面使用性能，必须选取合适的沥青材料，而选择沥青材料的标准是高温抗车辙能力和低温抗裂能力。有资料显示，改性沥青抗车辙能力明显优于普通沥青，针入度低的普通沥青抗车辙能力优于针入度高的普通沥青，而针入度高的沥青抗低温开裂能力又高于针入度低的沥青，汝郴高速选用的是SBS（I-D）改性沥青，沥青各项指标如表2。

2.1.5 沥青纤维稳定剂

纤维具有加筋、分散吸附沥青、稳定、增粘等作用，对防止SMA沥青析漏的功效较好，对于木质纤维掺量为沥青混合料总量的0.35%。项目部采用的加拿大生产的“莲花牌”絮状木质纤维素，各项检测指标符合指南要求。

2.1.6 水泥

业主充分考虑到郴州地区雨水较多，拟使用2%的水泥替代等量的矿粉，提高沥青路面的水稳定性，项目部拟采用郴州南方水泥厂生产的PC32.5复合硅酸盐水泥。

2.1.7 抗剥落剂

项目部采用的重庆海木的液体抗剥落剂，各项检测指标符合指南要求，掺量为沥青用量的0.3%。

2.2. 设计思路

根据《汝郴高速沥青路面施工技术指南》，结合以往几条路的施工经验，确定以下三条指导思想，一是降低4.75mm的通过率，加强粗集料在沥青混合料中的骨架嵌挤作用；二是适当降低油石比，努力实现通过增大压实功来减小路面空隙率，提高路面的抗车辙能力；三是通过铺筑试验段的试铺，由实际铺筑的路面的质量来确定配合比设计的准确性和合理性。

①石料在高温状态下在拌和、碾压过程中都会有部分磨耗或破碎，与室内试验相比，4.75mm通过率控制在25%左右，0.075mm通过率在10%左右，1#（9.5-13.2mm）料和2#（4.75-9.5mm）料比例在75%以上。

②根据合成毛体积相当密度为结合SMA-13上面层SBS改性沥青施工指导意见油石比暂定5.9%。

③级配和油石比的选取。

根据以往成功的SMA路面的级配，选定4.75mm的通过率为22%、25%和28%三个档次，0.075mm通过率为10%左右，分别按这三种级配测定4.75mm以上粗集料的毛体积相对密度和矿料毛体积相对密度，具体见表3。

从表3可以看出，三种级配的合成毛体积相对密度均在2.80以上，根据《汝郴高速沥青混凝土面层施工技术指南》中改性沥青SMA-13马歇尔试验配合比设计技术要求之规定。合成毛体积相对密度在2.8时油石比不小于5.8%，在2.9时油石比不小于5.6%，根据此要求，我们结合以往项目SMA路面成功和失败的经验和教训，同时根据我们室内马歇尔试验结果和设计思路，我们选择B级配为最佳级配、5.9%的油石比为最近油石比，试验结果见表4。

从表4可以看出，粗集料的骨架间隙率VCAmin均小于相对应的VCADRC，说明该种级配形成了石-石嵌挤结构，矿料间隙率大于16.5%，说明有足够的间隙供玛蹄脂填充，空隙率、饱和度均满足设计要求，然后项目部开始对沥青拌和楼进行调试，并对热仓料进行了生产配合比设计，确定生产配合比为4#（11-16mm）：3#（6-11mm）：2#（3-6mm）：1#（0-3mm）：矿粉：水泥=37：36：4：13：8：2，油石比为5.9%。

④设计检验及验证。

委托湖南省交通科学研究院对项目部的生产配合比进行了验证，检验结果如表5。

3 SMA-13混合料的拌和

①拌和温度：沥青加热温度为165-170℃，由于SMA-13掺加大量的冷矿粉，集料的加热温度控制在190-210℃，混合料出场温度为175-185℃，出场温度由试验室安排专人负责检测，发现温度不在此范围给拌和楼进行及时反馈。

②确定拌和时间和拌和数量：

按照图1所示流程进行拌和。拌和时间由试拌确定，使所有集料颗粒全部裹覆沥青混合料，并以混合料拌和均匀为度，经多次试验，其中干拌时间为15s，湿拌时间为40s，卸料时间为6s。

③木质纤维添加方式，由专用的设备进行投放，用量为沥青混合料的0.35%，每盘料为4吨木质纤维的添加量为14kg，通过厂家与项目部试验人员多次对木质纤维添加设备用量的标定，最终确定每盘沥青混合料纤维用量为14kg时，纤维吹送时间为13.5s。混合料拌和顺序为，矿料、矿粉、木质纤维进拌锅，干拌15s，加沥青后试拌40s，开始卸料。

④抗剥落剂的添加方式，根据沥青储存罐中沥青的数量，按沥青质量的0.3%计算出所需用量，投入处于热熔状态的沥青中，开动沥青泵将沥青与抗剥落剂混合液泵入空置的沥青储罐中，再将沥青储罐中的沥青与抗剥落剂混合液泵入另一个沥青储罐中，反复泵拌4-5次，使抗剥落剂均匀分布于沥青中。沥青与抗剥落剂的混合液静置不用的状态不宜超过24h，否则应按上述程序重新搅拌一次。

⑤细集料必须要搭棚覆盖以免受潮，由于SMA混合料中只有非常少的细集料，所以通常冷料仓斗门开启度很小，一旦细集料受潮，就会直接影响到集料干湿程度，在这种情况下集料的下降速度无法保证，会直接影响到整个操作。

⑥对木质纤维的储放需搭棚，以免木质纤维受潮成团，影响混合料的成名质量。

4 SMA-13混合料的运输

①由于沥青玛蹄脂的粘性较大，为避免混合料粘结箱壁，应在运料车的车厢底部及四壁应涂防粘物，但为了防止析漏，应控制用量。同时装料前要在运输车车箱底部及四壁涂1：3的油水混合物（菜籽油），并保证车厢清洁干净。

②拌和机向运料车放料时，汽车应前后移动，分三次装料前、后、中以减少粗集料的离析现象。

③安排专人负责检测沥青混合料的出场温度和运到现场温度，只有符合相关规范要求的混合料才能予以保留，否则必须淘汰。

④沥青混合料运输车的运量较拌和能力或摊铺速度有所富余，施工过程中摊铺机前方应有运料车在等候卸料，开始摊铺时在现场等候卸料的运料车不少于5辆。

⑤运料车全程应用篷布覆盖，用以保温、防雨、防污染，我们采用的是两层篷布之间夹一层棉被，以防表面混合料降温结硬壳，卸料过程应继续覆盖，直到卸料结束后才能取走篷布，摊铺结束后，及时清理运料车剩余残留物。

5 SMA-13混合料的摊铺与碾压

在YK48+700-YK49+060进行了试验段的摊铺，上面层半幅设计宽度为10.75m，在摊铺过程使用一台中大1600型摊铺机一次性铺筑。摊铺时，两侧采用非接触式平衡梁。

①把摊铺机调整到最佳工作状态，调整好螺旋布料器两端的自动料位器，并使料门开度，链板送料器的速度和螺旋布料器的转速相匹配。螺旋布料器的料量应略高于螺旋布料器中心，使熨平板的挡板前混合料的高度在全范围内均匀分布，并随时分析、调整粗细集料是否均匀、检测松铺厚度是否符合规定。在摊铺过程中，做到缓慢、均匀、连续不断的摊铺，不得中途随意变换或中途停顿，正常摊铺速度为2.5m/min，做到摊铺速度与碾压速度、后场拌和楼产量相匹配。摊铺机熨平板的振动频率调制为14Hz，熨平板的夯锤频率为12Hz，确保混合料铺筑后初始压实度在85%以上。

②SMA的碾压遵循“紧跟、慢压、高频、低幅、匀速、少水”的原则。此次碾压方案为：初压：两台戴纳派克624紧跟摊铺机，并列梯队半幅碾压，前静后振一遍、前振后振一遍，静压时错1/2轮；复压：一台戴纳派克624和一台酒井SW800N紧跟在初压后进行，由低到高振动碾压两遍；终压：采用宝马203静压一遍，消除轮迹。并对靠近路面两层进行多碾压2遍，使边部不渗水。

通过此次试铺，得到混合料实验结果（见表6）和试验段路面检测结果（见表7），同时总结了以下几点经验：

①通过此次试铺我们总结了摊铺碾压的最佳组合方案，取得了成功，为大面积施工奠定了良好的基础。

②必须保证到场混合料温度在175℃以上，并且在运输和摊铺过程中不揭篷布。

③配合比设计时空隙率在4.0%左右，以保证设计较粗的级配和较低的油石比提高抗车辙能力减小泛油。

④在保证摊铺连续的前提下尽可能采用匀速的摊铺速度，以减少从摊铺到碾压这段时间的温度散失。

⑤初压尽可能采用大吨位的压路机在高温状态振动碾压，以提高压实效率且避免石料被压碎。

6 结论

①在配合比设计时，应充分考虑马歇尔空隙率和饱和度等指标，通过增大压实功来降低路面空隙率，保证大吨位的振动压路机强度不推移且有足够的构造深度且不渗水。

②SMA混合料对温度的敏感性非常高，在确定了施工配合比和施工工艺时后，能否控制好施工温度就成为SMA路面能否成功的关键，项目部在《汝郴高速沥青混凝土路面施工技术指南》的基础上，混合料出厂温度都是靠近上限。

③SMA路面靠近两侧路缘石约50cm左右，一直是碾压摊铺的薄弱环节，项目部对两侧进行大吨位压路机进行初压和增加碾压遍数，两侧渗水效果有明显的改善。

参考文献：

[1]湖南省汝郴高速公路路面施工图设计.

[2]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]湖南省汝郴高速沥青混凝土面层施工技术指南[S].

[4]Brown，E.R，Haddock，J.E，Mallick，R.B，Lynn，A.Development of MixtureDesign Proeedure for Stone Matrix AsPhalt （SMA）. 1997.