（交通运输工程专业论文）sma路面在山东省高速公路中的应用与研究.pdf

摘要 摘要 在我国已建成的高速公路沥二青混凝土路面中，普遍出现了不同程度的早期破坏， 主要表现为车辙、推移、剥落、泛油和低温开裂等病害，而路面表面层的破坏尤为严 重。 为解决这一问题，许多公路界知名专家都进行过专题研究，引进研究了国外先进 路面结构和设计理念，并在多个项目上进行过实践尝试。其中新型路面结构s m a 表 现出十分优良的性能。为了对这一源于欧洲，并在世界各地广泛使用的路面结构进行 更加深入的应用研究，本论文在国内及省内部分高速公路应用的基础上，通过对多个 具体工程项目s m a 配合比设计以及施工的研究，以期在s m a 路面本地化方面解决更 细节化的问题。 论文通过对山东省不同工程项目的s m a 混合料配合比设计实例的研究，进一步 探索矿料级配对混合料性能的影响，以及不同集料级配性能指标的差异；通过s m a 路面施工工艺的研究，在机械配置与组合、混合料拌和运输、以及摊铺压实等各方面， 进一步探索更加合理的工艺，为：芩地s m a 路面施工提供指导和借鉴。 s m a 的组成设计理念适应当前技术水平和交通运输状况，满足现阶段高速公路 沥青面层的使用要求。在当前高速公路建设中，对于交通量大、重载超载车多、纵坡 大的山区高速公路，无论是从经济能力还是从技术能力，都可以采用性能优良的s m a 路面结构。 关键词：s m a 路面配合比矿料级配施工技术研究 _ 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ee x i t i n ga c p a v e m e n t i no u rc o u n t r y ， s o m ep r e m a t u r ed i s t r e s s e ss u c hu s r u t t i n g ，p u s h i n g ， u p h e a v a l ： b l e e d i n ga n dc r a c j i n gh a v ea p p e a r e dg e n e r a l l y ， e s p e c i a l l y i nt h es u r f a c el a y e l t os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e ， m a n yf a m o u ss p e c i a l i s th a v es t u d i e dt h e m c o m p r e h e n s i v e l ya n dt h en e w 锣p ep a v e m e n ts t r u c t u r e ，s m a ，w h i c hr i s e di ne u r o p e a n dh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l ys h o w sv e r yg o o dp r o p e r t y t og e n e r a l i z et h es t r u c t u r e o fs m a ，t h ea u t h o ri nt h i sp a p e rs t u d y st l l er a t i oo fn l 权t u r ea n dc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u eo fs m a b a s e do nm a n ye n g i n e e r i n gp r o j e c ta n ds e v e r a lf e e w a y s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e sd e t a i l e d l yt h eg r a d a t i o no fs m a a p p l i e di nt h e f e e w a yi ns h a n d o n gp r o v i n c ea n d s e a r c hf b rt h ee f f e c to ft h eg r a d a t i o no f m i x t u r et ot h ep r o p e r t yo f p a v e m e n ta n dt h ed i f 扎r e n t i ao f c r i t e r i o nu n d e rt h e d i f f e r e n t g r a d a t i o n o fm i x t u r e b yt h es t u d y i n gt h eo p e r a t i n go ft h es m a c o n s t r u c t i o n ， s o m em o r er e a s o n a b l ep r o c e d u r e si nt h ec o m b i n a t i o no fm a c h i n e， b i e n d i n ga n dt r a n s p o r t a t i o no fm i x t u r 9 ， p a v e i n ga n dc o m p a c t i o n ，a r eg i v e n ，w h i c h c a np r o v i d eg u i d a n c ea n dr e f e r c nc ef b rt h ec o ns t r u c t i o no fs m a t h ei d e ad fc o m p o s i n gd e ：s i g n o fs m aa d a p t st ot h et e c h n o l o g yi e v e la n d t r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o nc u r r e n t l y a n df h l f i lt h en e e do fs u r f l a c el a y e r t h e s t r u c t u r eo fs m ac a na ub eu s e di nl a r g et r a m c， h i g np r o p o r t i o no fo v e rl o a d i n g ， m o u n t a i n o u sa r e af r e e w a yw i t hab i g g i s hl o n g i t u d i n a ls l o p ef r o mt h ea b i l i 够o f e c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y 1 ( e y w o r k s ： s m a p a v e m e n t ，r a t i oo fm i x t u r e ，a g g r e g a t er a d a t i o n ，c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o 锣，s t u d a y 学位论文独创性声明 本人声骥所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包禽 其他人已经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获待东南大学或其它教育祝构 的学位或证书两使用过的材料。与我一婀工佟豹同忠对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 。 签名：疆袭：垦竺。穹 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中网科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电予文档，可隧采用影印、缩e p 或其他复审l 手段保存论文，本人 电子文档的内容和纸质论文的内窑相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被奄阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：雄导师签名：埠日期：幽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 自改革开放以来，我国国民经济得到迅速发展，人们生活水平得到巨大提高。为 了满足国民经济的的飞速发展和人们生活水平不断提高的需要，我国公路进行了大规 模的建设，总里程快速增加。1 9 8 8 年1 0 月我国建成了第一条高速公路上海沪嘉 高速公路，中国大陆高速公路建设实现了零的突破，公路交通现代化建设由此迈出了 坚实的一步。十六年来，我国高速公路建设高歌猛进，不断创造出新的奇迹。尤其是 近几年，高速公路的建设速度更加惊人，至2 0 0 3 年底，我国的高速公路通车总里程 达到了3 万公里，总里程仅次于美国，名列世界第二，为交通事业跨越式发展奠定了 坚实的基础。 经过十几年的艰苦努力，以“五纵七横”为主骨架的国道主干线交通运输网络体 系已初具规模，缓解了公路交通“瓶颈”的制约。高速公路的建设，有力地推动和促 进了沿线经济的发展，为国民经济和区域经济的持续发展，构筑了一系列新的经济增 长点，显示了巨大的生命力。与此同时，高速公路还促进了社会进步和现代文明。高 速公路的效益远远超出了交通运输行业自身，有着广泛的经济效益与社会效益。 根据总体规划，到2 0 2 0 年，我国的国家干线高速公路将达到8 万公里。 山东省一直非常重视公路交通事业的发展。1 9 9 0 年春，山东省第一条高速公路 济南至青岛高速公路破土动工，1 9 9 3 年1 2 月1 8 日，全长3 1 8 公里的济青高速 公路建成通车，出东没有高速公路的历史从此画上了句号。 由此，根据路网规划区域间协调发展和适度超前的原则，山东省开始了大规模高 速公路建设。1 9 9 8 年底，山东高速公路通车里程达到9 1 4 公里，跃居全国第一位； 1 9 9 9 年7 月6 日，京福高速公路济南黄河大桥、齐河至济南段竣工通车，山东高速 公路率先在全国突破1 0 0 0 公里；2 0 0 2 年1 1 月，京福高速公路曲阜至张山子段竣工 通车，山东高速公路率先在全国突破2 0 0 0 公里，达到2 0 0 6 公里；2 0 0 2 年8 月，山 东南大学硕士学位论文 东省1 7 市实现了市市由高速公路连接的高速公路网，构筑了以省会济南为中心的“半 日生活圈”；到2 0 0 3 年1 2 月，总通车里程达到3 0 1 8 公里，连续6 年保持全国第一。 根据山东省“五纵连四横、一环绕山东”的规划目标，至2 0 0 8 年通车里程将达 到4 0 0 0 公里，届时，占全省8 0 以上县市区将由高速公路连接，形成一个布局更加 合理、快速高效、安全舒适的高速公路网络。 在高速公路建设过程中，沥青混凝土路面以其显著的优点成为路面的主要类型， 在我国第一阶段高速公路建设期间，多采用密级配或半密级配混合料，采用了传统的 l h 2 0 i 或l h 2 0 i i 等结构类型作为抗滑磨耗层，虽然已开始注意对路面表面特性的改 进，但有一定的局限性。 在总结第一阶段高速公路建设的经验后，为了提高高速公路沥青路面的抗滑性 能，“七五”期间，交通部组织有关科研单位对抗滑磨耗层结构进行了研究。其中主 要部分是对我国硬质岩集料的分布和性能指标及测试方法的提出，为我国高速公路的 抗滑磨耗层集料提出技术标准。在此基础上提出了a k 系列抗滑磨耗层的要求，并在 许多高速公路实际工程中得到了应用。对于a k 系列抗滑磨耗层，主要是提高了路面 的构造深度，以改善路面的雨天排水和抗滑效果。因此，1 9 9 4 年颁布的沥青路面施 工及验收规范中抗滑表层混合料级配偏粗，体积指标上要求与i i 型沥青混凝土基本 相当。由于空隙率偏大、粗集料偏多，抗滑磨耗层混合料的水损害现象较为普遍l l 】。 国内有的高速公路直接采用i 型密级配沥青混凝土作为高速公路沥青表层，但是，i 型 沥青混凝土的高温稳定性和抗滑能力普遍偏低。 在使用多种不同的路面结构形式中，最早修建的已使用十余年，其余使用年限不 等，但调查结果表明无论是哪一种结构形式的路面都出现了不同程度的早期破坏。路 面的破坏主要表现为车辙、推移、剥落、泛油和低温开裂等病害【2 】【3 1 ，尤其路面的表 面层破坏更为显著。 首先是路面产生车辙，在夏季高温、大型车辆以及超载重载的共同作用下，车辙 已成为沥青路面潜在的最严重的破坏形式。2 0 0 2 年夏季4 0 度以上的干热天气持续了近 两周，部分刚通车的高速公路即出现1 0 m m 一4 0 m m 的车辙。部分运煤及砂石料运输干 线上，大型运输车总重达12 0 吨，单轴达2 0 吨，超载现象十分严重，汽车轮胎气压达 到1 o m p a 。在纵坡较大的山区高速公路，车速低于1 0 1 ( n 讹，荷载作用时间长，接地 压力高，有相当大的水平冲击力，早期破坏更是严重。 沥青路面水损害破坏的问题也十分严重。路面混合料透水和蓄水的情况相当普 第一章绪论 遍，雨季路面唧浆、松散、坑槽成为最严重的破坏形式1 4 j 。 早期修建的大部分高速公路沥青路面，由于多采用密级配沥青混合料1 5 j ，路面表 面功能，尤其是抗滑性能不足。沥青路面施工技术规范j t j 0 1 4 9 4 后采用的抗滑 表层空隙率大，易透水，耐久性能差。 因此，如何平衡路面表面特性和耐久性以及抗车辙能力的矛盾，在提高路面耐久 性的同时，保证有良好的抗滑性能，并在潮湿状态下没有水雾，没有眩光，以及有较 小的噪音，是急需解决的问题。 路面的早期损害问题不仅仅是发生在山东省，在全国范围内也是普遍存在的1 3 j 。 为解决这一问题，许多公路界的知名专家都进行过这一专题的研究，并在多个项目上 进行过实践尝试，在使用优质沥青、改善原材料规格性能的同时，改进从传统观念出 发配制的连续式密级配沥青混凝土【6 1 。如“变k 法”、s a c ( 多碎石沥青混合料) 路 面等。而自首都机场高速公路开始，引进了先进的沥青路面施工技术沥青玛蹄脂碎石 混合料s m a ，经过使用取得了显著的效果，并得以推广。 国内沥青表面层材料发展逐渐与国际发展趋势接近。多孔排水沥青混凝土与沥青 玛蹄脂碎石被认为最有发展前途的两种类型。排水沥青混凝土的优点是抗滑、降噪， 特别是雨天高速行驶时无水漂现象，水雾可减少9 0 ，但在耐久性与空隙堵塞方面存 在不足【7 1 。沥青玛蹄脂碎石一方面为实现密实原则强调有足够的细料填充以保证耐久 性，另一方面强调用主骨料通过嵌挤构成骨架结构，在提高承受荷载抵抗变形能力的 同时，保证表面形成足够的构造深度，为提高抗疲劳特性，除了加大矿粉用量，掺加 纤维类添加剂使沥青用量增加外，还采用了改性沥青。 本课题就是结合山东省部分高速公路路面的应用和施工技术对这一问题进行研 究的。为了减少和避免高速公路路面结构的早期损坏，山东省交通部门展开了相关问 题的研究，在提高沥青混凝土路面使用性能方面，引进了s m a 路面结构，并在部分 新建项目中进行了尝试，以期解决早期损坏等问题。 1 2 本论文研究内容与思路 我们需通过对多个具体工程项目s m a 配合比设计以及施工的研究，探索适合当 地特点的混合料配合比设计与施工技术。由于时间及条件的限制，主要研究了三个方 东南大学硕士学位论文 面的问题： l 、s m a 混合料配合比设计实例研究； 2 、s m a 混合料级配设计的研究，不同集料级配性能指标的差异； 3 、s m a 混合料路面的施工技术研究。 根据上述思路，我们按s m a 的设计要求并结合高速公路实际情况，以国道2 0 6 ( 烟台段) 高速公路路面上面层的配合比设计为依托，对配合比设计进行研究；通过 试验段检验并指导大面积施工，研究s m a 路面施工技术。 室内试验及现场检测的结果表明，采用s m a 沥青混合料其高温稳定性远比普通 密级配沥青混合料好，而且s m a 混合料经过适宜的压实可以得到适宜的空隙率，比 我国常用的抗滑表层的空隙率小，又比密级配沥青混合料空隙率大，这样即保证了混 合料的密水性不易发生水损害，又能使路面具有良好的宏观纹理构造，保证了路面的 抗滑性能，在研究过程中通过反复的配比调整及施工方案的多次试验验证，总结了 s m a 混合料路面的施工方法及质量评定方法，为今后我省高等级公路上面层的施工 提供借鉴。 1 3s m a 的形成机理与结构特点 1 3 1s m a 的形成机理 s m a 是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗 集料碎石骨架的间隙形成一体的混合料。它的组成粗集料骨架占到7 0 以上，混合 料中粗集料相互之间的接触面很多，细集料很少，玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之 间的孔隙，交通荷载主要由粗集料骨架承受。由于粗集料颗粒之间互相良好的嵌挤 作用，沥青混合料有非常好的抵抗荷载变形的能力，即使在高温条件下，沥青玛蹄 脂的粘度下降，这对抵抗荷载变形能力的影响也会减小，因而有较强的高温抗车辙 能力【8 1 。在低温条件下，抗裂性能主要由结合料的拉伸性能决定。由于s m a 的集料 之间填充了相当数量的沥青玛蹄脂，它包在粗集料表面，随着温度的下降，混合料 收缩变形被拉开时，玛蹄脂有较好的粘滞作用，它的韧性和柔性使混合料有较好的 抗低温变形性能，如果再同时使用提高沥青性能的措施，则混合料的低温抗裂性能、 更可大辐度提高。 提高沥青混合料水稳定性的主要措施是防止水韵侵蚀，提高沥青和集料的粘附 4 第一章绪论 性。s m a 混合料的空隙率很小，几乎不透水。混合料受水的影响很小b 再加上玛蹄 脂与集料的粘结力好，混合料的水稳定性也得到较好的改善。 沥青路面的表面功能对行车安全非常重要，除了集料自身性质外，表面构造深度 是关键因素。s m a 一方面要求采用坚硬、粗糙、耐磨的优质石料，另一方面矿料采 用间断级配，粗集料含量高，路面压实后表面形成大的孔隙，构造深度大。因此s m a 的组成特点和技术性质必然使抗滑性能提高。同时，在雨天行车不会造成大的水雾和 溅水，路面噪音可降低3 d b 5 d b ，从而可以全面提高路面的表面功能。 延长路面寿命需要沥青混合料有良好的耐久性，s m a 的混合料内部被沥青玛蹄 充分填充，且沥青膜较厚，混合料的空隙率很小，沥青与空气的接触少，因而沥青混 合料的耐老化性能好。 由于以上种种因素的共同作用，s m a 结构能全面提高沥青混合料和沥青路面的 使用性能，减少维修养护费用，延长使用寿命。 1 3 2s m a 路面结构特点 s m a 由间断级配粗集料与砂、填料、纤维和沥青结合料组成，具有以下优点【8 】： l 、优良的抗车辙能力。含量较高的破碎粗集料组成一个紧密嵌锁的骨架结构， 帮助消散对下层的冲击力，有效防止车辙。 2 、良好的耐久性能。较厚的沥青膜能减少氧化、水分渗透、沥青剥落和集料破 碎，从而使面层有较长的使用寿命。 3 、较好的抗滑性能。缺少中等尺寸集料可以产生一个较深的表面构造深度，增 加抗滑性能和吸音性、减少雨天水雾现象。 4 、经济显著。由于s m a 耐久性好，养护费用低，具有较高的经济效益，世界 各地5 亿平方米s m a 的使用经验表明，与传统沥青混凝土相比，s m a 的使用寿命 增加4 0 左右。 5 、摊铺和压实性能好。s m a 是由较多沥青玛蹄脂将碎石骨架结构胶结成整体， 粗集料含量多，具有较小的压实系数。 显然，s m a 是考虑了目前普遍使用的a c 和a m 、a k 等级配的缺点，力求利用 它们的优点以达到最完善的结合。 东南大学硕士学位论文 1 4 国内外对s m a 的研究应用状况 1 4 1s m a 在欧洲的应用 沥青玛蹄脂碎石混合料英文缩写为s m a ( s t o n em a 仃i xa s p h a l t ) ，6 0 年代发源于 德国，被称为s p l i 钍m a s t i xa s p h a l t ，最初是为了抵抗埋钉轮胎对路面的磨耗。采用 了木质纤维素或矿物纤维素稳定剂、增加矿粉用量、使用改性沥青后组成的沥青玛 蹄脂不仅可以减轻钉子对路面的磨损，减小了沥青感温性，具有良好的表面功能和 耐久性，高温抗车辙能力、低温抗裂能力、耐疲劳性能、水稳定性等路用性能得到 大幅度提高【9 1 。 在德国，s m a 成为了最主要的沥青路面表面层结构类型。 从8 0 年代起，s m a 在北欧的瑞典、芬兰等国得到了广泛的应用，并很快推广 到全欧洲，仅1 9 9 0 年欧洲就生产s m a 混合料3 0 0 万吨。英国在干线公路上使用s m a 是从1 9 9 4 年开始的，打破了原来使用嵌压式沥青混合料干篇一律的局面，同时在一 般公路上有逐年增加的趋势。在法国和西班牙，并不使用真正意义上的s m a ，更多 的是一种叫b b m ( b e t o nb i t u i n i n e u xm i n c e ) 的薄层沥青混凝土，b b m 与s m a 非常 相似，都是间断级配，不过b b m 中沥青玛蹄脂的含量比s m a 要少，少用3 5 的细集料，少用o 5 1 3 的沥青结合料，因而也无须稳定剂，另外b b m 的的空隙 率约为6 一1 2 ，是透水性的，结构的不透水性是通过洒布一层粘层油来实现的。 粘层油通常使用改性沥青。b b m 表面非常粗糙，抗滑性能好，因为其层厚较薄，摊 铺速度快，适合于交通特别繁忙的路段大面积使用。由于b b m 有良好的使用性能， 从1 9 8 6 年开始在高速公路上使用。 在北欧的丹麦、挪威、瑞典、以及荷兰、奥地利、捷克等国，s m a 的发展受德 国影响，应用相当广泛。 1 4 2s m a 在美国的发展和改进 9 0 年代，美国引进s m a 技术，并于1 9 9 1 年7 月在美国威斯康辛州的9 9 号洲 际公路上首次铺筑s m a 路面f 1 0 1 ，随后s m a 在美国得到了迅速的发展。美国在引进 德国s m a 技术并经过国内研究应用后，对德国的做法又了许多改进和新的发展。 到1 9 9 7 年底己建成的s m a 项目就超过1 0 0 项。 6 第一章绪论 1 4 3s m a 在国内的研究与应用 1 9 9 1 年我国政府引进奥地利i 集团的n o v o p h a l t 技术时，北京市公路局组 织专家对欧洲奥地利、意大利等国家进行了技术考察，1 9 9 2 年在建设首都机场高速 公路过程中首次提出使用改性沥青技术。 我国首次试用s m a 是1 9 9 2 年北京公路局建设“国门第一路 首都机场高速公 路。19 9 6 年“国航第一道 首都机场东跑道加铺沥青层以及八达岭高速公路京昌段 表面也使用了s m a 。这三个工程均使用改性沥青加工技术，采用p e 或与s b s 混用 的改性剂。1 9 9 7 年，在“中华第一街”东、西长安街铺筑了s m a ，首次采用国产的 改性沥青生产设备制作s b s 改性沥青，这几项工程目前均具有良好的使用性能【8 j 。 1 9 9 3 年，吉林省公路局在吉林省梅河口首次使用德国木质素纤维铺筑了s m a 试验路段。1 9 9 4 年1 0 月，江苏省连云港市高速公路建设指挥部在南京至连云港的一 级公路上也使用德国木质素纤维铺筑了3 0 0 米s m a 试验路段。河北、辽宁省也在 1 9 9 6 1 9 9 7 年铺筑了s m a 试验段。这些试验段大都是德国的纤维公司参与的，所以 一般没有采用改性沥青。而且有一个共同的特点，s m a 的矿料级配、沥青用量、材 料和做法大都参考德国经验，实践证明大都产生了泛油问题，个别试验段甚至是失 败的。由此看来，s m a 在实现国际化的同时，也面临本地化的许多问题，必须根据 我国的实际情况加以改进。 上海市、辽宁省、山东省、河北省等都进行了s m a 的试用或试验研究，目前在 我国已形成一个对s m a 的研究应用高潮。尽管许多国家和地区都应用了s m a ，但应 用方式、所采取的施工工艺、材料组成都有很大不同。在原s m a 的组成和设计理念 等方面都有很大的发展和完善，最典型的是美国的s m a 和欧洲的s m a 就有很大不 同。 1 4 4s m 在各地研究和应用的差异 s m a 沥青混合料组成设计与一般密级配沥青混合料组成设计相比，有许多不同 之处。目前，国际上尚无公认成熟的方法。s m a 混合料的抗车辙能力主要取决于混 合料粗集料之间的互相嵌挤，而其耐久性则主要来源于较高的沥青胶结料的含量和较 厚的沥青膜和沥青玛蹄脂胶泥的性质。s m a 混合料的设计就是要保证混合料形成粗 集料的嵌挤骨架和混合料较好的体积关系。 欧洲早期s m a 混合料的设计主要沿用的是马歇尔法，近年来欧洲标准化委员会 东南大学硕士学位论文 c e n 对s m a 混合料的级配、沥青含量、体积指标进行了大量的修订，逐渐使s m a 的设计更加完善。美国自九十年代初引进s m a 后，对s m a 的设计方法和实用性能 进行了大量的研究，根据美国的气候情况作了改进。在欧洲使用的s m a 的基础上粒 径加大，粗集料增多，沥青用量减少，并形成了一套独特的s m a 混合料设计体系【3 2 1 。 同样，其他国家应用s m a 时也都根据本国的气候情况进行试验研究，制定相适应的 s m a 设计方法与施工工艺。因此可以讲，许多国家是引进s m a 的沥青混合料组成设 计理念，而不是照搬s m a 的配比。我国引进s m a 以后，交通部公路所作了大量的 工作，根据我国现有的集料分级方法提出了自己的级配要求和体积指标要求。 不同地域在设计方面对s m a 要求的差异主要集中在以下几个方面： ( 1 ) s m a 的最大粒径与路面厚度的关系： ( 2 ) s m a 混合料中粗集料粒径的主要分布范围： ( 3 ) 最小的沥青含量要求； ( 4 ) 粗细集料的用量比例； ( 5 ) 沥青胶结料的类型。 1 、欧洲的s m a 主要设计方法 在欧洲，s m a 的设计方法沿用的是传统的马歇尔方法，只是对马歇尔试件的体 积指标特别是空隙率作为最主要的技术指标。另外对于沥青含量的要求、饱和度v f b 的要求、s m a 的设计过程等也在不断的改进之中。与其他地区所使用的s m a 混合 料相比，欧洲的s m a 其最大粒径最小。以路面厚度为4 c m 为例，其最大公称尺寸为 1 1 或8 c m 。 欧洲共同体标准化委员会( c e n ) 在总结欧洲各国s m a 路面使用情况的基础上， 正在起草s m a 的有关技术规范。该规范草案对s m a 的原材料、使用条件、设计要 求等方面作了具体的规定【1 1 1 。包括以下几个方面： ( 1 ) s m a 可以适用于多种交通条件和多种气候条件，它主要用于沥青路面的表面 层； ( 2 ) s m a 细集料中，机制砂和天然砂的比例要求大于等于1 ：1 ，对于重交通路段 细集料应全部使用机制砂； ( 3 ) s m a 路面的厚度应当是混合料最大公称尺寸的2 2 4 倍。 ( 4 ) 沥青用量的最小要求需要根据集料密度进行修订： ( 5 ) 胶结料可以使用基质沥青或改性沥青，天然沥青也可以作为添加剂使用； 8 第一章绪论 ( 6 ) 水损害的检验采用间接抗拉强度比。 2 、美国的s m a 主要设计方法 美国引进s m a 技术以后，对s m a 技术进行了大量的研究工作。9 4 年4 月“沥 青玛蹄脂碎石混合料的设计”纳入美国国家联合公路研究计划( n c h i 冲) 。其设计方 法2 0 0 0 年纳入了a a s h t - 0 规范。n c h i 冲的“沥青玛蹄脂碎石混合料的设计”项目 对s m a 的材料组成、材料性能等进行了系统的研究，并对l o o 余条s m a 路段进行 调查后提出了更加科学的设计方法和材料组成要求【1 2 】。 在美国国家沥青技术中心n c a t 研究成果的基础上，其沥青路面协会n 址) a 、联 邦公路局f h w r a 提出了s m a 设计施工的指导性文件，沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 的材料、铺筑和生产指南和d e s i 印i n gs t o n em 枷xa s p h a l tm i x t u r ev o l 啪ei i i m i x t u r e d e s i g i lm e t l l o d n c a t1 9 9 6 ，9 。 由于美国在热拌沥青混合料的原材料质量要求、材料规格、生产设备以及气候自 然条件等方面和欧洲存在着较大的差异，因此在s m a 混合料设计方法和指标要求等 诸多方面与欧洲不同。甚至在早期美国和加拿大进行试验路铺筑时，按照欧洲的级配 所设计的混合料，与欧洲的技术要求( 诸如最小沥青含量等) 有较大的出入。因而对 欧洲设计的最佳沥青含量以及矿粉的掺量要求存在着疑惑。分析其原因，主要是欧洲 粗细集料的质量规格要求很高，另外矿粉等原材料的规格与欧洲有较大出入。为此， 美国结合自己的原材料、自然气候条件和施工条件进行了大量的研究。在欧洲常规 s m a 设计方法的基础上，美国沥青路面协会n a p a 的设计方法主要在以下方面进行 了较大的改进【1 3 】： ( 1 ) 在欧洲s m a 级配要求的基础上将粗集料的含量增多； ( 2 ) 提出了粗集料空隙率v c a 的概念，并根据混合料成型后的v c a 与捣实状态 下v c a 值的大小，确定混合料是否形成嵌挤结构； ( 3 ) 最新的研究将s m a 的设计方法与s u p e 印a v e 设计方法结合起来，将混合料的 设计方法统一起来。 ( 4 ) 试图按照沥青胶结料性能分级的方法将沥青玛蹄脂胶泥的性质与胶泥的高温 稳定性建立起关系。并试图异彩作为当地气候条件下是否采用改性沥青的依据。 9 第二章s m a 设计方法及其在工程中的应用 第二章s m a 设计方法及其在工程中的应用 2 1s m a 的技术性质 2 1 1 s m a 的组成特点 目前，按照各种矿料成分的比例和排列的不同，沥青混合料可分为两种类型：一 种是根据连续级配原理组成的密级配沥青混合料，这种混合料属于悬浮式密实结构， 结构源于粗细集料之间的嵌挤( 内摩擦力) 和沥青矿粉结合料的粘结力。我国现行公 路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 ) 中的a c i 、i i 型密级配沥青混凝土属于此类。 另一种混合料基本上依靠集料嵌挤作用提供强度，如贯入式沥青碎石，沥青表面处治 以及拌和式沥青碎石混合料，这种混合料属于骨架空隙结构。 而s m a 是一种全新意义上的沥青混合料，它是由沥青玛蹄脂填充碎石骨架组成 的骨架嵌挤密实结构混合料。它有以下特点： 1 、s m a 是一种间断级配的沥青混合料，以s m a 1 6 为例，4 7 5 m m 以上粗集料 的比例高达7 0 8 0 ，其中9 5 m m 以上的占一半，矿粉用量达8 1 3 ，o 0 7 5 m m 筛孔 的通过率一般高达1 0 ，粉胶比远超出通常的1 2 的限制值，由此形成间断级级配。 细集料用量很少，o 0 7 5 4 7 5 m m 之间的含量约在1 7 2 4 范围之内。最大粒径根据层 厚通常为9 5 n u n 、1 3 2 i 砌或1 6 h h n ( 德国为8 m m 或1 1 i l u l l ) 。一般又把4 7 5 m m 9 5 m m 间的集料成为主集料，因为这一档料含量最高。 2 、为加入较多的沥青，一方面增加矿粉用量，同时，使用纤维作为稳定剂，通 常采用木质素纤维，用量为沥青混合料的o 3 ，也可采用矿物纤维，用量为沥青混 合料的o 4 。 3 、沥青结合料用量多，比普通混合料要高1 以上，欧洲高达6 5 7 o ，粘 结性要求高，应选用针入度小、软化点高、温度稳定性好的沥青。最好采用改性沥青， 以改善高低温抗变形性能及与矿料的粘附性。 4 、s m a 的配合比不能完全依靠马歇尔配合比设计方法，主要由体积指标确定， 1 0 东南大学硕士学位论文 马歇尔试件成型双面击实5 0 次，目标空隙率2 4 ，稳定度和流值不是主要指标， 沥青用量还可借助谢伦堡沥青析漏试验及肯塔堡集料飞散试验确定。车辙试验是重要 的设计手段。 5 、s m a 的材料质量要求比普通沥青混凝土的高，粗集料必须特别坚硬、表面粗 糙、针片状颗粒少，以便形成良好的嵌挤；细集料一般不用天然砂；矿粉必须是磨细 石灰石粉，最好不使用回收粉尘。 6 、s m a 的施工，与普通沥青混凝土相比拌和时间要适当延长，施工温度要提高， 压实不得采用轮胎压路机碾压，施工中必须保证粗骨料不被压碎，以免导致集料级配 发生变化。由于稳定剂吸收沥青需要一定的时间，s m a 沥青混合料有一定的成型时 间【8 】o 对比美国和欧洲的s m a 组成情况可知【1 4 】，美国的集料最大粒径大多用1 6 m m ， 甚至1 9 i i u 1 1 或2 5 i 啪；欧洲一般为1 l i i u i l ，8 砌1 ，5 n 1 1 1 1 ，很少用1 6 m m 或1 9 l l l i i l 。因 此美国的粗集料更多，4 7 5 衄通过率建议值一般为2 4 3 2 。美国和加拿大结合料 用量较小，通常若采用聚合物改性沥青，用量在5 o 6 5 ，一般为5 7 ，德国沥青 用量较高，最小沥青含量6 5 ，一般为6 8 ，采用纤维稳定剂的5 5 7 0 ，大 都为6 3 。芬兰s m a 2 0 建议沥青含量为5 8 6 8 ，s m a l 6 建议沥青含量为6 0 7 0 。美国建议试配沥青含量可为6 6 5 。若集料视密度大于2 7 5 9 c m 3 ，可适 当减少沥青用量以保证v m a 大于1 7 【1 5 】【1 6 】。 综合s m a 的特点，可以归纳为三多一少：粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、 细集料少，掺纤维增强剂，材料要求高，使用性能全面提高。 普通沥青混凝土悬浮密实结构是粗集料少，我国常用的防滑磨耗层沥青混合料 a c 1 6 i 用集料的4 7 5 m m 的通过率在4 2 6 3 ，a k 1 3 a 用集料4 7 5 m m 的通过率在 3 0 5 3 。由于集料不能形成骨架结构，实际上是悬浮在沥青砂浆中，彼此互相不能 紧密接触。在汽车荷载作用下，沥青混凝土内应力是靠结合料承受的，但若骨料不能 形成嵌锁骨架，则力传递给沥青砂浆。在高温条件下，沥青砂浆粘度小，抵抗永久变 形的能力急剧降低，很容易产生永久变形，造成车辙、推拥等。而s m a 的组成中， 4 7 5 h l l t l 以上粗集料占到7 0 以上，混合料中粗集料相互之间的接触面很多，沥青玛 碲脂部分仅仅填充了粗集料之间的孔隙，交通荷载主要由粗集料骨架承受，即使在高 温条件下，由于粗集料颗粒之间互相良好的嵌挤作用，沥青混合料仍有较好的抵抗荷 载变形的能力。 包在粗集料表面，在低温条 件下，随着温度的下降，混合料收缩变形使集料被拉开时，玛碲脂有较好的粘结作用， 它的韧性和柔性使混合料具有较好的低温变形性能。 s m a 混合料的空隙率较小，几乎不透水，混合料受水的影响很少，再加上玛碲 脂与集料的粘结力好，混合料的水稳定性也有较多改善。沥青与空气的接触少，因 而沥青混合料的耐老化性得到改善。实验证明，这种混合料的耐疲劳性能优于密级 配沥青混凝土。 s m a 的矿料是间断级配，粗集料含量高，路面压实后表面构造深度大，必然使抗 滑性能提高。 由于s m a 基本上是不透水，对下面的沥青层和基层有较强的保护作用，使路面 结构工作环境得到保护，保证了整体强度和稳定性。 主要优点体现在以下几个方面【1 7 】： 1 、稳定性好，具有较高的的抗车辙能力；美国对s m a 应用状况进行的调查表明， 9 0 以上的s m a 项目，车辙小于4 m m ，约2 5 的项目测试不到车辙。 2 、表面粗糙，提高了抗滑性能； 3 、柔韧性好，具有良好的疲劳性能和抗反射裂缝能力：美国的调查认为s m a 面 层很少有温度收缩和反射裂缝。 4 、空隙小而密实，抗水损害能力强等。美国的调查结果表明s m a 面层基本上没 有剥落现象。 我国公路沥青路面施工技术规范j t gf 4 0 2 0 0 4 规定的s m a 级配范围【1 8 】见表 2 1 。 s m a 混合料矿料级配范围 表2 1 级配 通过下列筛孔( m m ) 的质量百分比( ) 类型 2 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 s m a 2 01 0 09 0 1 0 (7 2 9 26 2 8 24 0 5 51 8 3 01 3 2 21 2 2 01 0 1 69 1 48 1 38 1 2 s m a l 61 0 09 0 1 0 06 5 8 54 5 6 52 0 3 21 5 2 41 4 2 21 2 1 81 0 1 5 9 。1 4 8 1 2 s m a l 3l o o9 0 1 0 05 0 7 52 0 3 41 5 2 61 4 2 41 2 2 01 0 1 6 9 1 5 8 1 2 s m a l o1 0 09 0 1 0 02 8 6 02 0 3 21 4 2 61 2 2 2l o 1 89 1 68 1 3 s m a l 3 与a k 1 3 a 级配曲线对比见图2 1 。 东南大学硕士学位论文 图2 1s m a l 3 与a k 一1 3 a 级配曲线对比 2 1 2s m a 材料的技术性质 集料应为轧碎的不吸水硬质石料，最大粒径为1 6 一1 9 m m 甚至高达2 5 m m ，形状 接近正方形，通过4 7 5 i i l i n 含量控制在2 5 2 8 范围内，表面相糙，严格控制软石 含量【1 9 】。 1 、粗集料 粗集料应是破碎的非吸水性石料，并满足表2 2 要求1 8 】： 粗集料技术性质表2 2 石料压碎值不大于( )2 8 洛衫矶磨耗损失不大于( )3 0 视密度 不小于( g ，c m 3 ) 2 5 0 对沥青的粘附性 4 i 低于4 级 吸水率不大于( ) 2 o 坚崮性不太于( ) 1 2 1 ：3 不火于f 嘲 2 0 细长扁平颗粒含量 l ：5 不大于f ) 5 0 0 7 5 唧颗粒含量( 水洗法) 不大于 l 、0 1 个破碎面不小于( ) 1 0 0 47 5 m m 以上颗粒 2 个破碎面不小于( ) 9 0 硫酸纳坚固性损失( 5 周期) 不大于f 1 1 5 软石台量不大于( ) 1 5 粗和细集料耐久性指数 不小于( ) 4 0 第二章s m a 设计方法及其在工程中的应用 2 、细集料 细集料应为机制砂，级配符合规范要求，其他指标要求见表2 3 。 细集料技术性质 表2 3 视密度 不小于( g ，c m 3 ) 2 5 0 坚固性 不大于( ) 1 2 砂当量不小于( )6 0 3 、沥青胶结料 s m a 沥青用量比普通沥青混凝土混合料要高，采用聚合物改性沥青的s m a 沥 青用量为5 o 6 5 。对含有机纤维的s m a 沥青用量高达5 5 7 o ，一般矿质 纤维比不加纤维的增加沥青用量o 3 ，有机纤维增加0 6 。沥青等级根据气候及温 度变化选择不同针入度等级。 4 、矿物填料 矿物填料，必须使用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石经磨细得到的矿粉。使用时 要足够干燥，以便自由流动并不得成团，填料不应含有有机不纯物质，塑性指数不应 大于4 。 5 、稳定添加剂 纤维添加剂，可以使用木质素纤维或矿物纤维。对于木质素纤维，用量为混合 料的o 3 ，对于矿物纤维为0 4 ，纤维用量允许差应为要求纤维用量的0 5 。选 用的纤维应满足表2 4 、表2 5 要求【1 8 】： 矿物纤维性质表2 4 矿物纤维 性质指标 尺寸分析6 m m 最大平均试验值 纤维长度5 u m 最大平均试验值 厚度2 5 0 p m 筛9 5 通过最小 杂质含量 6 3 “m 筛6 5 通过最小 注：l 、欧洲的经验和上述标准制定是建立在玄武岩矿物纤维基础上的； 2 、纤维长度根据b a u e rm c n e n 分组； 3 、纤维直径是根据至少2 0 0 根纤维在相差衬显微镜中测定的结果： 4 、杂质含量是一种非纤维化物质的测量，杂质含量由振筛机测定，通常o 2 5 0 m m 和o 0 6 3 m m 两个筛。 东南大学硕士学位论文 木质素纤维性质 表2 5 木质素纤维 性质指标 筛分 方法a 喷气筛分析 纤维长度 6 m m ( 最大) 通过0 1 5 彻筛 7 0 方法b 网眼筛分析 纤维长度6 m m ( 最大) 通过o 8 5 m m 筛 8 5 通过o 4 2 5 m m 筛 6 5 通过0 1 0 6 m 筛 3 0 灰分 1 8 p h 值 7 5 吸油率 5 0 ( 纤维自重的倍数) 含水量 5 ( 质量百分比) 注：( 1 ) 、方法a a i p i n e 喷气筛分析。该试验使用a i p i n e 喷气筛，取5 9 有代表性的试样在7 5 k p a 真空条件下 筛1 4 分钟，称留在筛上的质量。 ( 2 ) 、方法b 网眼筛分析。该试验用o 8 5 m m 、0 4 2 5 m m 、o 2 5 0 m m 、0 1 8 0 m m 、o 1 5 0 r i l m 、0 1 6 m m 标准筛， 尼龙刷加摇筛机进行，有代表性的试样1 0 9 ，每个筛两个尼龙刷，称留在各个筛上的纤维质量，计算通过百分率。 ( 3 ) 、灰分取有代表性样品2 3 9 ，放在一个称了皮重的坩埚内加热到5 9 5 6 9 5 ，不小于2 h 坩埚和灰在干 燥冷却后重称质量。 ( 4 ) 、p h 值试验，5 9 纤维加入1 0 0 m l 蒸馏水中搅拌并静止3 0 分钟，p h 值用标定过的p h 探头测定。 ( 5 ) 、吸油试验精确称取5 9 纤维，让它悬浮在过量的矿物油中不小于5 分钟以充分吸油，然后放在网眼筛 上滴漏( 网孔尺寸为0 5 m m ) ，在摇筛机上摇1 0 分钟( 每分钟2 4 0 次，位移3 1 5 咖) 将摇筛机