（道路与铁道工程专业论文）SMA混合料体积参数及配合比设计方法研究.pdf

摘要 s m a 路面在我国的应用已有十多年的历史 但是我国s m a 路面的级配设计 施 工技术还不尽完善 本文以思小高速公路s m a 路面项目为依托 结合思小高速公路的 气候 交通条件及原材料特点 对s m a 路面的配合比设计方法 路用性能以及施工技 术进行了研究 论文在分析s m a 设计方法特点的基础上 指出了我国现行s m a 配合比设计方 法的不足 然后对不同级配的s m a 混合料进行了室内试验研究 结果表明 级配及 沥青用量的变化都会显著影响v m a 和v c a m i x 值的变化 在设计空隙率相同的条件 下 粗级配将更容易满足最小v m a 要求及粗集料骨架要求 但更容易发生沥青流淌 或泛油病害 满足粗集料骨架要求的级配高温稳定性较好 但粗集料比例过大 会显 著降低s m a 高温稳定性以及水稳定性 通过对s m a 混合料体积组成的理论分析 得出了v c a m i x 和v m a 的关系式 提出了根据设计空隙率和v m a 值预估最佳沥青用量的公式以及基于理论法的s m a 混合料级配设计方法 最后 论文还结合小高速公路s m a 路面实体工程对s m a 路面的施工工艺进行 了探讨 并对其使用性能进行了验证 关键词 s m a 体积参数 配合比设计方法 a b s t r a c t s m ah a sb e e nu s e df o ro v e rt e ny e a r si nc h i n a b u tt h e r ea g es t i l ls o m ed i s a d v a n t a g e s i ns m ag r a d a t i o nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i c s t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yw a st o r e s e a r c ht h em i xd e s i g np r o c e d u r ea n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i c so f s m at os u i tt h ec l i m a t ea n dt r a f f i cl e v e la n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so fs i m a o x i a o m e n g y a n g e x p r e s s w a y t h es h o r t c o m i n g so fs m ad e s i g np r o c e d u r eu s e di nc h i n aw e r ef i r s t l yp r e s e n t e d l a b o r a t o r yt e s t i n gw a st h e np e r f o r m e dt oe v a l u a t et h ev o l u m e t r i cp a r a m e t e r sa n d p e r f o r m a n c ep r o p e r t i e so fs m am i x t u r e sw i t hd i f f e r e n ta g g r e g a t eg r a d a t i o n s a n a l y s e so f v a r i a n c e a n o v a w e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h ee f f e c to fa g g r e g a t eg r a d a t i o na n d a s p h a l tc o n t e n to nt h ev o l u m e t r i cp r o p e r t i e sa n dp e r f o r m a n c eo fs m a t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eg r a d a t i o na n da s p h a l tc o n t e n ts i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dv m aa n dv c a m i x a n di tw a s e a s i e rt om e e tt h em i n i m u mv m a r e q u i r e m e n ta n dt h ea g g r e g a t es k e l e t o nr e q u i r e m e n tf o r t h ec o r a s e rg r a d a t i o ns m a b u ts m am i x t u r e i t he x c e s s i v ec o a r s ea g g r e g a t ew o u l db e m o r ep r o b a b l yt oh a v er u t t i n go rw a t e rd a m a g ep r o b l e m s b a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fs m am i x t u r e af o r m u l ai n d i c a t i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv m a a n dv c a m i xa n daf o r m u l af o rp r e d i c t i n gt h eo p t i m u ma s p h a l t c o n t e n to fs m aw e r ep u tf o r w a r d f u r t h e rm o r e ag r a d a t i o nd e s i g np r o c e d u r eb a s e do n t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw a sp r e s e n t e d c o m b i n i n g w i t ht h ec o n s t r u c t i o no f s i m a o x i a o m e n g y a n ge x p r e s s w a y t h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i c so fs m aa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s s m a v o l u m e t r i cp a r a m e t e r m i xd e s i g nm e t h o d 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 纠玉两 7 年6 月9 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属 学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利 等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 d 7 年 月 e l 哆年6 只专日 长安大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 改革开放以来 我国国民经济持续高速发展 人民生活水平不断提高 对交通基 础设施的需求也不断增长 交通渐渐成了制约国民经济发展的瓶颈 为了改变落后的 交通状况 我国加快了发展交通运输业的脚步 1 9 8 8 年我国大陆首条高速公路 沪嘉高速公路建成通车 拉开了高速公路建设的序幕 1 9 9 0 年 沈大高速公路全线 建成通车 1 9 9 3 年 我国第一条利用世界银行贷款建设的高速公路 京津塘高速 公路建成 这些高速公路的建成标志着我国高等级公路建设的发展历程 截止到2 0 0 6 年底 全国高速公路通车里程已达4 5 4 万公里 居世界第二位 而公路通车总里程 已达到3 4 8 万公里 如今 我国高速公路建设已走过了近2 0 年 这2 0 年是我国高等 级公路蓬勃发展的时期 在已建成的高速公路的路面结构中 沥青路面以其连续性 好 行车平稳舒适 抗震性好 噪声低及维修养护方便等优点而得到广泛应用 近2 0 年来 我国公路建设尤其是高等级公路的建设取得了长足的进展 通车里 程及路网等级都有了较大提高 建设成就有目共睹 在已建成的高速公路沥青路面 中 大部分路面的使用状况是比较好的 如京津塘高速公路 除部分路段由于软土地 基的沉降出现损坏外 大部分路段没有发生严重的结构性破坏 其它不少高速公路 如沪宁高速公路 八达岭高速公路 京沪高速公路 京沈高速公路等 均达到了较高 的使用水平 1 1 但是由于我国高速公路建设起步较晚 筑路材料 路面设计 施工技 术水平等方面还存在着较多的问题 也有一些高速公路在通车1 2 年内就出现了沥 青路面早期破坏现象 不得不进行养护维修 个别高速公路通车2 3 年沥青路面就 出现了大面积破坏 有的高速公路通车仅几个月 沥青路面就出现破坏现象 不到一 年 由于大面积破坏严重 不得不将原沥青面层铣刨后重铺新面层 2 高速公路沥青 路面早期破坏的出现 不但影响了高速公路的正常运营 还给国家带来了巨大的经济 损失 也带来了不好的社会影响 沥青路面早期破坏的常见类型有 局部沉陷 桥头跳车 车辙 泛油 松散 坑 槽 裂缝等 造成这些早期破坏现象的原因是多方面的 如软土地基处理不当 路堤 不均匀沉降 基层质量不好 沥青混凝土面层的高温稳定性 水稳定性不足或低温抗 裂性差等 既有结构设计 施工质量方面的因素 也有材料性能和材料组成设计方面 第1 章绪论 的因素 近些年来 我国公路建设已经开始注意质的提高 陆续从国外引进了许多先 进的施工机械 许多施工单位都配备了技术先进的进口拌和楼 摊铺机 压路机等施 工设备 施工技术水平也有所提高 同时 材料方面 高速公路建设都使用了符合重 交通道路沥青技术要求的优质沥青 很多工程还使用了进口沥青 但是 很多高速公 路仍然出现了早期破坏现象 这与我国的气候交通条件有很大关系 我国幅员辽阔 很多地区冬季严寒 夏季酷暑 温差变化很大 同时 我国国民经济发展较快 交通 需求增长迅速 许多路段重载 超载严重 交通量特别大 这就造成了很多路段的气 候 交通条件比世界上绝大部分地区都要恶劣 如此严酷的环境对沥青混凝土面层提 出了更高的要求 s m a 路面的出现 为我国高速公路抗滑表层的结构形式提供了一 个较好的解决方案 s m a 混合料是近年来在国际上应用较多的一种新型沥青混合 料 具有优良的抗车辙性能 抗滑性能以及较好的耐久性 云南思小高速公路起自思茅市 终点位于西双版纳自治州的景洪小勐养 公路全 长9 7 7 5 千米 其中思茅境内2 5 1 4 千米 景洪市境内7 2 6 1 千米 思小高速公路技 术标准为山岭区四车道高速公路 计算行车速度6 0h l l 路基宽2 2 5 米 设计荷载 定为汽车一超2 0 级 挂车一1 2 0 级 公路沿线属热带一亚热带气候区 干湿季节分 明 夏秋多雨湿热 冬春少雨干燥 气候明显呈垂直分布 年平均降雨量为1 2 1 2 4 1 5 4 0 9 m m 降雨日数为1 7 0 1 9 5 日 占全年的5 3 思小高速公路是昆曼国际大通 道的重要路段 是我国第一条穿过国家级热带雨林自然保护区边缘的高速公路 有l 3 的里程从小勐养国家级自然保护区试验区次生林带穿过 是一条集旅游 生态 环保于一体的高速公路 思小高速沿线路段的气候交通条件可以概括为 桥隧比例较 大 气候高温多雨 穿越自然保护区 地理位置重要 交通量大 项目设计表面抗滑 层采用路用性能较优的s m a 路面 自9 2 年我国建设首都机场高速公路首次使用s m a 技术以来 我国研究 铺筑s m a 路面已有十多年的时间 但是我国已铺筑的s m a 路面中 成功与失败的例子都有 可以说 我国s m a 路面的级配设计 施工技术还不完善 我国幅员辽阔 各地的气 候 交通条件都不尽相同 将s m a 路面技术完全 国产化 还需要根据各地的实际情 况做进一步的研究 思小高速采用s m a 抗滑表层是我国云南省首次铺筑s m a 路面 因 此有必要进行系统研究 本课题以思小高速公路建设项目为依托 结合思小高速的气 候 交通条件及原材料特点 对s m a 路面的配合比设计方法 路用性能 施工技术展 2 长安大学硕士学位论文 开研究 以期将s m a 路面成套技术完善 更好地应用于我国高等级公路建设 提高沥 青路面使用寿命 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究及应用概况 s m a 路面即沥青玛蹄脂碎石路面 是s t o n em a s t i c 在美国用m a t r i x a s p h a l t 的缩写 s m a 混合料是 种由沥青 纤维稳定剂 矿粉及少量的细集料组成沥青玛 蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙组成的沥青混合料 这种沥青混合料源于6 0 年 代中期的德国 德国的低温和雨雪天气较多 很多车辆为了增加雨雪天气轮胎的抗滑 能力而使用带钉轮胎 这种带钉轮胎对路面表层的磨耗作用较大 造成了许多路面的 破损 为增加路面表层的抗磨耗作用 德国工程师尝试在传统的浇注式沥青混凝土 g u s s a s p h a l t 的基础上 增加碎石用量 相应减少细集料的用量 为防止沥青流 淌 又在混合料中加入了纤维 s m a 是在浇注式沥青混凝土的基础上发展起来的 所以保留了浇注式沥青混凝土的一些特点 如沥青用量大 填料含量多 混合料空隙 率小等 经路用实践表明 增加碎石用量确实大大延缓了带钉轮胎对表面层的磨耗 加入纤维能防止沥青流淌并使沥青玛蹄脂部分的感温性变小 3 1 7 0 年代初期 欧洲 经历了两个罕见的炎热夏季 许多沥青路面都出现了严重的车辙变形 而人们惊奇的 发现 用s m a 混合料铺筑的路面几乎没有车辙变形 从此道路工程师们对s m a 的 抗磨耗 抗车辙 防水耐久性等优良路用性能有了新的认识 s m a 这种路面结构形 式也开始为人们所熟识并在欧洲推广开来 6 0 年代末 瑞典为减少带钉轮胎对路面的磨耗而引进s m a 技术 当时主要使用 石棉纤维作为稳定剂 后来石棉纤维由于环境污染 影响人体健康等原因而被禁止使 用 影响了s m a 技术的推广 直至木质素纤维的出现 才使s m a 技术得到了广泛 应用 1 9 8 8 年起 s m a 成为瑞典高速公路和干线公路的标准结构类型 丹麦自1 9 8 2 年开始在重载道路 厂矿道路 机场应用s m a 结构 丹麦哥本哈根机场跑道是世界 上有名的最早使用s m a 道面的机场 意大利自1 9 9 1 年起将s m a 使用于高等级公路 的磨耗层 葡萄牙自1 9 9 4 年起开始应用s m a 主要用于高速公路和干线公路 3 j 美国是9 0 年代初从欧洲引进s m a 技术的 之后对s m a 技术进行了广泛 深入 的研究 取得了 系列成果 对s m a 路面的应用与发展起到了重要的推动作用 1 9 9 0 年9 月 美国a a s h t o f h w a n a p a s h r p t a i t r b 联合派出代表团到欧 3 第1 章绪论 洲的瑞典 丹麦 德国 法国 英国 意大利等国考察沥青路面技术 各国沥青路面 的良好使用状况及较长的路面使用年限给代表团留下了深刻印象 改性沥青和s m a 技术更是令代表团成员大感兴趣 4 第二年 美国就对s m a 技术展开了研究 以乔 治亚州 印地安纳州 密歇根州 密苏里州 威斯康星州等五州为主的二十几个州相 继铺筑了试验路段 对路用性能进行研究 1 9 9 4 年 美国联邦公路管理局 f h w a 提出了s m a 设计施工指南 并根据课题研究成果及试验段反馈结果不断对其进 行修正 1 9 9 7 年陆续推出了 s m a 设计 5 1 美国s m a 路用性能评估 1 6 等报 告 1 9 9 8 年6 月 a a s h t o 首次提出了关于s m a 混合料配合比设计等一系列规范 的建议稿 美国除了研究应用传统的马歇尔击实仪作为压实工具的设计方法外 还研究了采 用s u p e r p a v e 的旋转搓揉压实机 s u p e r p a v eg y r a t o r yc o m p a c t o r 简称s g c 作 为压实工具的设计方法 并推荐马歇尔击实5 0 次或s g c 旋转压实1 0 0 次作为标准压 实功 5 然而在后来的应用中 很多州发现1 0 0 次s g c 旋转压实的压实功过大 造 成较多的集料破碎 最佳沥青用量过低 体积指标难以满足要求 不得不在工程实际 中采用更少的压实次数 l2 1 美国在引进s m a 的过程中 并未完全照搬欧洲的经验 而是对欧洲的s m a 技 术不断进行研究 根据自己的实际情况不断对其进行改造 美国的气候与欧洲各国不 同 夏天气温比欧洲高7 c 1 0 所以美国在制定s m a 规范时 更加重视s m a 的 高温稳定性 更强调粗集料骨架的重要性 不但加大了集料的最大粒径 还增加了粗 集料含量 减少了沥青用量 此点尤其值得我国借鉴 调查显示 美国s m a 级配中 的4 7 5 m m 筛孔通过率从1 9 9 1 年的3 2 左右降到了1 9 9 6 年的2 6 左右 即级配在不 断变粗 设计空隙率由早期的3 5 或更低升至4 左右 以减小出现油斑或永久变形 的可能性 6 1 虽然德国的s m a 混合料体现了粗集料骨架的意图 但并未真正提出在 设计中评价粗集料骨架是否形成的方法 而美国则对粗集料骨架的评价方法进行了深 入研究 1 3 b r o w n 等人定义了 4 7 5 m m 以上粗集料骨架间隙率v c a t h ev o i d si n t h ec o a r s ea g g r e g a t e 作为评价指标 并提出以s m a 混合料中的粗集料间隙率v c a m i x 小于干捣实状态下的粗集料间隙率v c a d r c 作为判断粗集料骨架形成的标准 能 否满足骨架标准成为s m a 混合料与传统的密级配沥青混合料的本质区别 我国的s m a 路面设计方法也借鉴了这一骨架判别标准 在美国早期s m a 路面中 考虑高温 稳定性较多 因而大多采用公称最大粒径为1 2 5 m m 或1 9 0 m m 的s m a 混合料 而 4 长安大学硕士学位论文 在近几年的研究中发现 4 7 5 r a m 的s m a 同样具有优良的抗车辙性能 由于其粒径 较小 可以应用到更薄的罩面工程中 从而在预防性养护工程方面有广阔的应用前景 1 4 1 5 1 o 1 2 2 我国s m a 研究及应用概况 我国对s m a 技术的研究是从1 9 9 2 年北京首都机场高速公路项目对s m a 路面的 应用而展开的 1 9 9 1 年我国政府引进奥地利r f 集团的n o v o p h a l t 改性沥青技术 时 北京市公路局组织专家对欧洲的奥地利 意大利等国家进行了技术考察 了解了 s m a 技术的情况和资料 从而提出在机场高速公路项目中使用改性沥青与s m a 技 术 首都机场高速公路s m a 路面采用了聚乙烯p e 和热塑性体材料s b s 复合改性沥 青 级配参照美国的s m a 级配 使用石棉纤维作为稳定剂 项目课题组还对s m a 混合料的高温稳定性和低温抗裂性进行了研究 对s m a 的施工工艺进行了探讨 在 之后发布的 公路沥青路面施工技术规范 j t j 0 3 2 9 4 的条文中 首次对s m a 路 面做了介绍 但由于尚缺乏成熟的经验 未正式列入规范正文 首都机场高速公路是 我国公路工程首次同时使用改性沥青和s m a 技术的高速公路 虽然技术还不成熟 但取得了良好的应用效果 s m a 表面层到五年的使用期时 除了表面有一些横向裂 缝外 路表面几乎没有变化 3 1 之后 我国各地也相继铺筑了一些s m a 试验路 1 9 9 3 年9 月 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 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 m 的s m a 试验路 1 9 9 6 年和1 9 9 7 年 南通市宁通高速公路和南通市区先 后铺筑了三十多公里的s m a 试验路 1 9 9 6 年首都机场扩建工程指挥部决定对被誉为 国航第一道 的首都机场东跑 道进行沥青层加铺 采用s m a 混合料作为机场道面 首都机场是我国最重要的国际 机场之一 无论是客货飞机的起降架次还是大型飞机占的比例 都是国内最大的 原 有的水泥混凝土道面已不堪重负 不能满足飞机起降要求 加铺层采用了s m a 一1 6 混 合料作为表面抗滑层 采用p e 和s b s 复合改性的改性沥青 采用了木质素纤维作纤 维稳定剂 东跑道s m a 道面的铺筑取得了良好的效果 表面粗糙 平整 几经夏季 高温 暴雨及冬季严寒的考验 道面仍保持了较好的使用性能 5 第l 章绪论 1 9 9 7 年 交通部公路司给公路科学研究所下达了 沥青玛蹄脂碎石混合料性能 及指标 科研任务 要求结合我国国情 制定出切合实际的 沥青玛蹄脂碎石混合料 设计施工指南 以便使s m a 路面在我国得到更广泛科学的推广应用 1 9 9 8 年 交 通部科教司组织了 沥青玛蹄脂碎石混合料 s m a 路面的推广应用 课题 河北省是我国较早开始研究s m a 的省份之一 曾几次组织相关人员赴欧美国家 考察 河北省交通科研所从1 9 9 5 年开始结合工程对s m a 进行研究 对多种纤维及 改性沥青的s m a 进行了对比试验 并开发了国产纤维和纤维添加设备 其颗粒纤维 和絮状纤维的添加设备已经在工程中得到了应用 1 9 9 6 年1 0 月 3 0 7 国道上铺筑了 6 0 0 m 的s m a 试验段 对国产沥青和北美硬沥青进行了对比 并采用a l f 加速加载 设备进行了寿命检测 1 9 9 7 年1 0 月 保津高速公路上铺筑了s m a 路面 分别对韩 国a h 9 0 a h 7 0 及s b s 改性沥青s m a 进行了对比 1 9 9 8 年1 0 月 在石家庄 黄 骅港高速公路上铺筑了不同纤维的s m a 试验段 1 9 9 9 年 在京秦 京沈 高速公路 上铺筑了2 段s m a 路段 这几段s m a 路面被认为是河北省最好的高速公路沥青路 面 l6 辽宁 山西 山东等省 在1 9 9 7 年至1 9 9 9 年间也铺筑了大量的试验路 取 得了很多的研究成果 我国引进s m a 技术初期 技术 设备都很不成熟 大多使用了国外的纤维 改 性沥青 而试验段的铺筑也大多参考了国外的经验 事实证明 我国的气候交通条件 与国外差别较大 铺筑过程中过多的参考了那些国家设计 施工经验的试验段 往往 出现油斑 泛油等问题 个别的试验段甚至是失败的 一度使s m a 路面的推广受到 了影响 但是 随着s m a 路面在我国的不断研究与应用 我国对s m a 的理解在不 断加深 我国的s m a 技术也在不断改进 2 0 0 1 年 长安大学卢永剐1 7 利用动态剪切流变仪 d s r 和低温弯曲梁流变仪 b b r 对s m a 的沥青玛蹄脂流变性能进行了研究 对s m a 合理级配组成进行了 讨论 并利用美国工程兵团旋转压实机 g t m 作为压实工具对s m a 进行了设计 认为g t m 方法设计的s m a 混合料具有较好的路用性能 2 0 0 2 年 长安大学刘忠根 l8 以长余高速公路表面层s m a 路面项目为依托 通 过室内试验 配合比设计优化 试验路验证等研究 对不同的矿料级配进行了优化验 证 对s m a 混合料的路用性能进行了分析 认为s m a 比传统的沥青混合料 a k a c 型混合料 有着明显的优越性 改性沥青s m a 具有良好的性能 提出了适合吉 6 长安大学硕士学位论文 林省情况的s m a 级配曲线 并对s m a 路面配合比设计过程 s m a 路面施工管理进 行了总结和归纳 交通部于2 0 0 2 年7 月颁布了 公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南 s h cf 4 0 0 1 2 0 0 2 1 1 9 作为s m a 路面设计施工的参考 此指南是在参考国外的相关规范的 基础上 综合我国自己的科研实践经验而提出的 在矿料级配 沥青用量 设计指标 等方面 都结合了美国的规范标准与我国的科研成果 由于s m a 路面发展的历史较 短 在我国也是刚刚起步 科研成果及实践经验还很有限 此s m a 指南并未以正式 规范的形式颁布 只是作为工程设计及施工人员的参考 2 0 0 4 年9 月 交通部颁布了 公路沥青路面施工技术规范 f 4 0 2 0 0 4 1 2 0 1 正式将沥青玛蹄脂碎石路面的原材料要求 配合比设计过程 施工技术等技术标准写 入规范 其中关于s m a 路面设计与施工的部分 是根据 公路沥青玛蹄脂碎石路面 技术指南 编写的 只是对部分内容做了修改 为了保证s m a 路面的耐久性 国外 的s m a 规范中大多有最小沥青用量的要求 s m a 指南参考美国的最小油石比规 定 结合我国实际经验 也加入了最小油石比的规定 只是最小油石比标准比美国的 低0 5 左右 而在新的沥青路面施工技术规范f 4 0 2 0 0 4 中 考虑我国夏季炎热 重 载交通严重的实际情况 取消了最小油石比的规定 综上所述 s m a 路面自6 0 年代产生以来 在国际上已有较成熟的研究与应用 从1 9 9 2 年首都机场高速公路首次采用s m a 技术至今 s m a 路面在我国的应用也已 有了十多年的历史 由于我国的气候交通条件与其他国家差别较大 铺筑的s m a 路 面中有成功的经验也有失败的教训 但我们对s m a 技术的研究在逐渐深入 对s m a 路面的理解也在不断加深 只有以国内外的s m a 科研成果及s m a 工程设计与施 工经验为基础 结合各地方公路工程的实际情况 不断进行探索 才能使s m a 技术 臻于完善 1 3 主要研究内容 本课题以云南思小高速公路s m a 路面建设项目为依托 针对思小高速沿线的气 候交通及原材料特点 对s m a 路面的设计与施工成套技术展开研究 主要研究内容 有 1 查阅相关文献 分析国内外s m a 设计方法优缺点 以针对我国现行s m a 设计方法的不足之处作进一步研究 7 2 对s m a 混合料进行系统室内试验研究 对试验数据运用统计分析的方法 进行分析 找出s m a 混合料各项技术指标的相互影响关系及变化规律 为工程实际 应用提供参考 3 针对我国现行规范s m a 设计方法不足之处对s m a 混合料的体积特性进行 理论分析 找出各体积参数内在关系与变化机理 改进s m a 设计方法 4 思小高速s m a 路面原材料技术性质试验研究 5 根据前期室内试验与理论分析的科研成果 针对思小高速的气候交通特 点 对思小高速s m a 路面进行配合比设计 6 s m a 路面施工技术研究 8 长安大学硕士学位论文 第2 章s m a 特点及设计方法综述 s m a 混合料产生于德国 其后在欧洲得到较广泛的应用 美国引进s m a 技术 后 对其进行了深入研究 铺筑了大量的试验路段 取得了一系列科研成果 本章将 对s m a 混合料的结构组成特点进行分析 并对各国s m a 混合料配合比设计方法进 行比较 2 1s m a 混合料的结构组成特点 从国内外的研究及使用经验来看 s m a 路面具有以下的优点 1 优良的抗车辙能力 2 优良的抗低温开裂能力 3 优良的疲劳耐久性能 4 优良的抗老化性能 5 优良的水稳定性 6 构造深度较大 有较好的抗滑性能 7 具有降低行车噪音 减小雨天行车的水雾与溅水等表面功能 s m a 路面优良的使用性能来源于其矿料级配与原材料特点 s m a 混合料是由沥 青 纤维稳定剂 矿粉及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 间隙组成的沥青混合料 s m a 对原材料的要求很高 一般要求采用抗压耐磨的优质 集料 采用优质的沥青或改性沥青 并且要添加纤维稳定剂 所以初期投资要比普通 沥青混凝土多2 0 3 0 左右 其从原材料性质 组成到配合比设计都与传统的密级 配沥青混凝土有较大不同 s m a 混合料的材料组成特点可以概括为三多一少 粗集料多 矿粉多 沥青结 合料多 细集料少 表2 1 和图2 1 给出了我国沥青路面施工技术规范所规定的a c l 6 和s m a 1 6 的级配范围和级配曲线 a c 1 6 有粗型和细型之分 两种混合料在关键 筛孔处通过率要求不同 本文只给出了统一的级配范围 我国公路工程常用的密级 配沥青混凝土 即a c 型混合料 是按照密实级配原则设计的连续级配沥青混凝土 s m a 混合料则是一种间断级配的沥青混合料 从图表中可以看出明显区别 9 第2 章s m a 特点及设计方法综述 表2 1a c 1 6 与s m a 1 6 规范规定级配范围 赛 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 3 0 1 5 0 0 7 5 通过率 卜 下限 1 0 09 07 66 03 42 01 39754 a c 1 6 中值 1 0 09 58 47 04 83 42 4 51 7 51 2 59 56 上限 1 0 01 0 09 28 06 24 83 62 61 81 48 下限 1 0 09 06 54 52 01 51 41 21 098 s m a 1 6 中值 1 0 09 57 55 52 61 9 51 81 51 2 511 51 0 上限1 0 0 1 0 08 5 6 5 3 22 42 21 81 51 41 2 图2 1a c 1 6 与s m a 1 6 规范级配曲线图 从图2 1 中可以看出 a c 一1 6 的级配曲线线型圆顺 光滑 十分接近最大密度曲 线 是典型的连续密级配 而s m a 1 6 的级配曲线与a c 1 6 的相差较大 其级配曲 线偏离了最大密度曲线 在a c 1 6 的下方 比a c 1 6 的级配要粗 s m a 1 6 的4 7 5 m m 以上的粗集料占到了7 4 比a c 一1 6 要多2 0 左右 0 0 7 5 m m 筛孔的通过率为1 0 比a c 1 6 多5 左右 体现了s m a 混合料的粗集料多 矿粉多 细集料少的特 1 0 安大学硕 学位论文 点 由于s m a 的矿粉用量较大 需要较多的沥青去裹覆 同时 大量粗集料形成的 骨架空隙也需要足够的沥青胶浆填充 所以s m a 的另一个特点就是沥青用量大 图2 2 为所示为s m a 混合料与密级配沥青混合料的断面比较图 从图中可以 明显看出 s m a 混合料具有大量的租集料 而且租集料颗粒之间紧密接触形成骨 架 粗集料骨架问隙填充着沥青玛蹄脂 而传统的密级配沥青混合料中 细集料较 多 粗集料较少 粗集料基本是悬浮于沥青胶砂混台料中的 a s m a 断面图 b 密级配沥青混凝土断面图 图2 2s r e i a 断嘶与密级配沥青混凝土断面图 密级配沥青混合料属于悬浮密实结构 这种混合料密实度较好 主要靠沥青胶砂 的粘结力来提供强度 耐久性 低温抗裂性较好 但高温稳定性不足 容易产生车辙 等病害 其表面构造深度也较小 作为表面层时抗滑性能较差 s m a 混合料属于骨 架密实型混合料 其设计理念在于 粗集料形成石一石接触的骨架 粗集料骨架间隙 巾填充足够的沥青玛蹄脂 由于较多的粗集料形成骨架 在高温条件下 虽然沥青玛 蹄脂的粘度下降 但交通荷载主要由粗集料骨架承受 所以s m a 路面的高温抗车辙 能力很好 s m a 集料问填充了相当数量的沥青玛蹄脂 在低温条件f 混合料收缩 变形迫使集料被拉开时 沥青玛蹄脂具有较好的粘结作用 它的韧性和柔性使s m a 有较好的低温变形性能 凶而s m a 混合料也具有较好的低温抗裂性能 s m a 混合 料的密实程度较好 空隙率很小 沥青膜较厚 玛蹄脂与集料的粘结力也很强 所以 s m a 混合料具有较好的抗疲劳耐久性及水稳定性 s m a 混合料采用坚硬 粗糙 耐 磨的优质石料 矿料采用问断级配 粗集料含量高 所以表面构造深度较大 增加了 抗滑能力和高速行车的安全性 在雨天交通行车还不会产生大的水雾和溅水 图23 为美国某s m a 路面的表面 可以看出 s m a 的表面粗糙度 构造深度较大 是表 面抗滑层结构形式的较好选择 j 第2 章s m 特点 设计方浊综述 图2 3s m a 路面表咖 综上所述 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 s m a 路而 除了具有较好的高温稳定性 低温抗裂性 水稳定性 耐久性外 还具有抗滑 降 噪 减小水雾与灯光反射等表明功能 因此 虽然s m a 混合料要求采用优质石料 添加纤维稳定剂 一般还要使用改性沥青 增加了道路的初期投资 但是道路运营 后 较好的使用性能将会大大减少养护维修费用 从全寿命周期成本的角度看 是具 有较好的经济效益的 2 2 国外的s m a 设计方法 2 2 1 德国的s m a 设计方法 德国的s m a 设计方法对其他各国的设计方法的形成 发展有重要影响 德国的 s m a 设计方法也普遍受到重视 然而 德国并末针对s m a 研发专门的棍台料配合 比设计方法 而是沿用了马歇尔设计方法米设训s m a 混合料 德国规范z t va s p h a i t s t b9 4 推荐的s m a 级配及设计标准如表22 所示 德国的s m a 混台料只有四种 规格 其中o l l s 与0 8 s 适用于重交通道路 町以看出 德国的s m a 粒径规格比我 国的要小一些 较小的粒径规格更适用于既有路面的养护工程 长安大学硕士学位论文 表2 2德国z t va s p h a l t s t b1 9 9 8 规范的s m a 技术指标 埘 s m ao l l s 0 8 so 8 o 5 矿料通过下列筛孔 碎石 机制砂和天然沙 机制矿 碎石 机制砂 机制矿粉 咖 的百分率 粉 1 1 2 9 0 8 6 0 9 0 9 0 53 0 4 03 0 4 53 0 5 5 9 0 2 2 0 2 52 0 2 52 0 3 03 0 一4 0 o 0 99 1 31 0 1 38 1 38 1 3 沥青结合料 b6 5 p m b4 5 b6 5 p m b4 5 b8 0b8 0 b2 0 0 沥青结合料用量 油石 6 5 6 9 5 1 7 0 7 5 3 7 0 7 5 3 17 2 7 7 6 比 马歇尔试验配合比设计 3 0 4 02 0 4 0 空隙率 铺筑层层厚 e r a 3 5 4 o3 0 4 02 o 4 0 1 5 3 0 德国的s m a 配合比设计采用马歇尔击实仪击实5 0 次来制作试件 根据设计空 隙率来确定最佳沥青用量 而对马歇尔稳定度 流值 v c a v m a v f a 等指标并 没有规定 即不把这些指标作为s m a 配合比取舍的标准 只是提出了一个最小沥青 用量的要求 此外 也并无对设计的s m a 混合料的路用性能试验指标的要求 所 以 德国的s m a 配合比设计方法与沥青混合料的路用性能设计还有很大差距 德国的s m a 是在传统的浇注式沥青混凝土的基础上发展起来的 所以会有浇注 式沥青混凝土的许多特点 如沥青用量大 填料含量多 混合料空隙率小等 德国的 s m a 沥青用量一般在6 5 与7 5 之间 s m a0 5 沥青用量一般在7 与8 之 间 除了德国s m a 粒径规格较小的原因外 较大的沥青用量与德国的气候条件也 是分不开的 德国的夏季气温不高 使用较大的沥青用量也不会产生泛油 车辙等问 题 沥青用量大则可以使得沥青混凝土具有更好的耐久性 由于德国s m a 的沥青用量较大 在碾压时为防止沥青玛蹄脂上浮 碾压规定不 得采用轮胎压路机 也不推荐使用振动压路机 一般只使用钢轮压路机静压 实际上 1 3 第2 章s m a 特点及设计方法综述 德国的工程师普遍认为s m a 比普通的密级配沥青混凝土还要容易压实 只是静压几 遍就可以达到规定的压实度要求 4 碾压完成后 路表面会有一层沥青玛蹄脂膜 通 常会在路表面撤布石屑以增加道路运营初期的抗滑性能 等通车几个月后 表面的沥 青玛蹄脂膜被交通磨耗掉 才会露出s m a 路面 可见沥青用量之大 如果在气候炎 热地区 很可能在表面沥青玛蹄脂膜被磨耗掉之前 s m a 路面中的沥青玛蹄脂就已 经上浮而产生泛油问题了 所以 如果不考虑s m a 的产生特点与德国的气候特点 就将德国s m a 的经验生搬硬套 应用于其他地区 必然会出问题 此外 值得一提的是1 9 9 4 年德国的国家标准中规定沥青结合料用b 6 5 到1 9 9 6 年增加了p m b 4 5 但附注规定仅在高速公路 桥面 机场等特殊情况下使用 到了l 9 9 8 年 在修改后的国家标准中则把特殊情况下才使用p m b 4 5 的附注取消了 这表 明德国在s m a 混合料中使用沥青类型观念的转变 即越来越倾向于使用高粘度 高 质量的沥青和改性沥青 同时也间接说明在现代重交通的作用下 在气候温和的德国 也开始意识到以前的s m a 的沥青玛蹄脂劲度过小 不能适应交通要求了 可见 针 对不同的气候条件与交通条件来修改s m a 的设计标准是十分必要的 2 2 2 澳大利亚的s m a 设计方法 澳大利亚a a p a t h ea u s t r a l i a na s p h a l tp a v e m e n ta s s o c i a t i o n 的沥青路面规 范规定的s m a 级配范围及设计标准如表2 3 及表2 4 所示 2 3 1 由表2 3 可知 澳大 利亚s m a 的沥青用量比德国有所减少 但仍然较大 澳大利亚从1 9 9 6 年开始在干 线公路上应用s m a 澳大利亚的昆士兰州铺筑了较多的s m a 路面 调查显示 澳 大利亚s m a 路面表现出了较好的性能 但是 部分s m a 路面出现的泛油病害成了 s m a 应用的最大问题 昆士兰州首府布里斯班市已经开始着手研究防止s m a 泛油 的途径 2 4 1 表2 3a a p a 规定的s m a 级配范围 一 s m a 7s m a l 0s m 慷1 4 筛孔 m m 1 9 1 0 0 1 3 21 0 09 0 1 0 0 9 51 0 09 0 1 0 03 0 5 5 1 4 长安大学硕士学位论文 6 78 5 1 0 03 0 5 52 0 3 5 4 7 53 0 6 22 0 4 01 8 3 0 2 3 62 0 3 51 5 2 81 5 2 8 1 1 81 6 2 81 3 2 4 1 3 2 4 o 61 4 2 41 2 2 11 2 2 l o 31 2 2 01 0 1 81 0 1 8 o 1 51 0 1 69 1 49 1 4 0 0 7 58 1 28 一1 28 1 2 沥青用量 6 0 7 36 0 7 05 8 6 8 表2 4a a p a 规定的s m a 设计标准 混合料类型成型方式 设计空隙率最小v m a 粒径旋转压实马歇尔击实 交通等级 m m 转 次 7 轻 中 8 05 04 o1 9 1 0轻 中8 0 5 04 o1 8 1 0中 很重1 2 0 7 54 o1 7 1 4中 很重1 2 0 7 54 01 6 从表2 4 可以看出 澳大利亚的s m a 设计规定了两种压实工具 可以使用揉搓 旋转压实 也可以使用马歇尔击实仪 设计空隙率均定为4 而其特点在于根据不 同的交通量等级 不同的粒径规定了不同的压实功及最小v m a 标准 有点类似于我 国密级配沥青混凝土的技术要求 2 2 3 美国的s m a 设计方法 9 0 年代初美国引进s m a 技术后 对其进行了深入的研究 使s m a 技术在德国 研究的基础上又有了很大进展 美国联邦公路总署 f h w a 和国家沥青路面协会 n a p a 技术工作集团 t w g 曾对s m a 混合料进行系统研究 提出了 s m a 混合料配合比设计方法 美国州公路工作者协会 a a s h t o 则在此基础上提出 了s m a 配合比等一系列规范建议稿 7 1 1 1 5 第2 章s m a 特点及设计方法综述 美国的s m a 设计方法有采用s u p e r p a v e 的旋转式搓揉压实机 s u p e r p a v eg y r a t o r yc o m p a c t o r 简称s g c 的设计方法和马歇尔试验设计方法两种 两种设计方法只 是试件的压实方法不同 混合料设计中的体积分析原理是相同的 美国建议的s m a 设计中标准压实功为马歇尔击实5 0 次或s g c 旋转压实1 0 0 次 s g c 压实次数是根据5 0 次马歇尔击实的压实功标准选定的 因为美国的调查显示5 0 次马歇尔击实的压实功所确定的沥青用量在实际应用中表现出了耐久性与高温稳定性 的较好平衡 但是相对于5 0 次马歇尔击实的压实功 不同石料的s g c 压实次数是不 同的 其大小与石料的洛杉矶磨耗值有关 平均为8 0 次 5 1 美国科罗拉多卅i 交通局 对美国各州的s m a 配合比设计采用的设计方法与压实功的问卷调查显示 在铺筑了 s m a 路面的2 8 个州中 有2 个卅i 使用5 0 次s g c 压实的压实功 有1 6 个州使用1 0 0 次s g c 压实的压实功 有2 个州根据不同的交通等级使用不同的压实功 有点类似 澳大利亚a a p a 的设计方法 还有4 个州仍然使用5 0 次马歇尔击实的压实功 1 2 由 此可知 在美国各州的实际应用中 是根据各地方的实际情况来选择设计方法与压实 功能的 下面主要介绍对我国有更多参考价值的马歇尔试验设计法 此方法仍然是基础性 的体积设计法 与s h r p 的性能设计还有相当大的差距 它的目的仍然是确定矿料级