SMA路面的特点及其设计方法研究.doc

SMA路面的特点及其设计方法研究杨晓峰,贾 非(南华大学建筑工程与资源环境学院,湖南衡阳421001) 摘 要:介绍SMA在国内外的使用发展概况和结构特点!使用性能,提出设计中应关注的重点问题,以及对SMA应用的思考和认识关键词:SMA混合料;结构特点;使用性能;路面设计中图分类号:U416.217 文献标识码:A 文章编号:1008-2611(2006)02-0095-031 SMA发展概况沥青玛蹄脂碎石混合料(StoneMasticAsphalt)简称SMA,是由沥青!纤维稳定剂!矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充粗集料骨架间隙而形成的一种间断级配沥青混合料5公路沥青路面施工技术规范6(JTGF40-2004)1指SMA由沥青结合料与少量的纤维稳定剂!细集料以及较多量的填料(矿粉)组成的沥青玛蹄脂,填充于间断级配的粗集料骨架的间隙,组成一体形成的沥青混合料SMA路面起源于20世纪60年代中期的德国,随后欧洲其他国家也先后引进并推广该技术,制定了符合各自国情的SMA规范220世纪90年代初被美国引进,并在短短几年内得到大面积推广,同时对SMA路面技术进行改进,增加粗集料粒径,减少沥青的用量,使SMA路面适合美国气候条件的需要我国1993年首都机场高速公路率先采用SMA路面,随后我国许多高速公路及城市道路相继采用SMA路面我省衡枣高速公路也采用SMA路面作沥青路面面层1997年SMA正式列入我国5公路沥青路面设计规范63我国在分析德国和美国SMA路面经验的基础上,根据我国气候条件!材料和机械设备长件,提出了我国SMA路面规范1,4,对我国SMA路面的推广起到促进作用近年我国新建高速公路和城市道路大多采用SMA路面作为沥青路面的面层,有效延长沥青路面的寿命和使用质量2 SMA的特点SMA是一种具有间断级配的紧密嵌挤骨架密实结构的沥青路面面层,其最基本的组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两部分,具有粗集料多!沥青用量多!矿粉多和细骨料少的特点,其适宜厚度为3.54cm5,6,同时具有良好的高温稳定性!低温稳定性和使用寿命长等特点2.1 粗集料SMA是一种间断级配的沥青混合料,依靠粗集料石-石接触和紧密嵌挤而形成骨架结构(公称最大粒径9.5mm的SMA混合料,以2.36mm作为粗集料骨架的分界筛孔,公称最大粒径13.2mm的SMA混合料以4.75mm作为粗集料骨架的分界筛孔),矿料级配中4.75mm以上颗粒的粗集料的比例高达70%80%粗集料是SMA质量控制的关键,必须使用石质坚硬!表面粗糙!形状接近立方体的优质破碎石料,集料的加工生产不得用额式破碎机,而应采用捶击式或锥式破碎机,否则质量达不到要求粗集料质量技术要求中的针片状颗粒含量是个重要指标,针片状颗粒含量最好小于10%,要求不得超过15%;石料压碎值要求不大于25%,以便确保SMA的质量2.2 细集料在SMA中小于4.75mm的细集料比例较少,往往不超过10%细集料应采用机制砂或轧制的石屑,质量要求坚硬!洁净!无风化!无杂质尽可能不使用天然砂如需要使用天然砂时,机制砂与天然砂的比例必须大于1B1,即机制砂大于天然砂2.3 矿粉矿粉作为沥青结合料的填料,通常用量为8%12%矿粉的质量对沥青混合料的稳定性及抗车辙能力有很大的关系,因而必须予以重视矿粉应采用由石灰石等碱性岩石磨细的矿粉,质量必须保持干燥,能从矿粉仓自由流出尽可能不使用除尘装置回收的粉尘,如需要使用时,5指南64规定不得大于矿粉总量的25%,以确保SMA的质量第20卷第2期2006年3月 株洲工学院学报JournalofZhuzhouInstituteofTechnology Vol.20No.2Mar.2006X收稿日期:2005-11-02作者简介:杨晓峰(1964-),男,湖南衡阳人,南华大学工程师,主要从事岩土工程与建筑材料检测分析方面的研究.2.4 沥青结合料SMA对沥青结合料的要求比普通沥青混凝土更高,必须具有较高的粘度,与集料有良好的粘附性,以保证有足够的高温稳定性和低温韧性沥青结合料质量必须符合5公路沥青路面施工技术规范6中道路石油沥青技术要求1的规定研究和实践表明,采用改性沥青效果更加显著,可以改善高低温变形性能及与矿料的粘附性,防止沥青析漏,减小温度敏感性,极大地提高SMA的性能对高速公路沥青路面的表面层建议尽量使用改性沥青,以便更好地发挥SMA的效能2.5 纤维稳定剂在SMA中必须采用纤维稳定剂,因为SMA使用较多的矿粉和沥青结合料,纤维具有加筋!分散!吸附及吸收沥青!稳定!增粘等作用,可以防止沥青析漏,它与改性沥青有着不相同的功效目前,通常采用的纤维主要是木质素纤维,其掺用量一般为沥青混合料总质量的0.3%木质素纤维易受潮!成团,应控制其含水率小于5%,在拌和过程中能充分分散及拌和均匀2.6 使用特点SMA由于其独特的结构组成,因此,具有如下一些特点:1)由于粗集料嵌挤作用,SMA路面具有抗高温变形!防止产生车辙的能力强,能够适应重载交通的需要;2)SMA路面表面粗糙,构造深度较大,抗滑性能良好;3)矿粉含量高,增强了沥青同集料间的粘结裹覆能力;4)沥青含量高,裹在集料表面的沥青膜较厚,同时SMA混合料加入纤维稳定剂,因而SMA路面抗低温开裂性能提高,抗老化!抗水损害以及耐久性能均得到加强;5)SMA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,SMA必须采用刚性碾碾压,不得采用轮胎压路机碾压3 SMA的结构机理1)SMA混合料中集料是间断级配,粗集料比例要占到70%以上,沥青玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的空隙,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,沥青混合料产生非常好的抵抗荷载变形的能力,因而SMA有较强的高温抗车辙能力2)在低温条件下,由于SMA粗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,混合料收缩变形使集料被拉开,而加入木质纤维的玛蹄脂有较好的粘结作用,它的韧性和柔性使SMA混合料具有较好的低温抗裂性能3)SMA的空隙率很小(3%4%),几乎不透水,混合料受水的影响很小,再加上沥青玛蹄脂与集料的粘结力好,混合料的水稳性有较大的改善,同时沥青混合料的耐老化性能得到提高4)由于SMA的集料采用间断级配,粗集料含量高,路面压实后表面构造深度大,使抗滑性能提高4 SMA路面设计要点4.1 配合比设计SMA混合料的配合比设计目的是选择符合技术要求的优质材料!确定集料级配和最佳沥青用量,必须经过目标配合比设计!生产配合比设计及试拌试铺验证3个阶段SMA采用马歇尔试件的体积设计方法进行,马歇尔试验的稳定度和流值并不作为配合比设计接受或者否决的唯一指标通常根据SMA的特点,采用3项重要检验手段来验证1)采用车辙试验对高温抗车辙能力进行验证,这是SMA设计检验的一项非常重要的手段采用非改性沥青的SMA则要求大于1500次/mm,当使用改性沥青时要求大于3000次/mm12)采用谢伦堡沥青析漏试验!肯塔堡飞散试验或浸水飞散试验3)SMA沥青混凝土采用浸水马歇尔试验检验水稳定性,还要增加冻融劈裂试验残留强度比检验从设计实践分析,矿料级配中不能仅看通过率在级配范围内,根据SMA的特点,应注意:矿料级配曲线宜偏中值以下;严格掌握4.75mm以上粗集料的含量,这是级配中最重要的参数,而其中9.516mm档集料是关键,其比例宜大于4.759.5mm档集料(宜大于1.2倍以上);空隙率宜选用3%4%;VMA大于17%,这样才能确保SMA混合料形成紧密嵌挤的骨架结构,发挥SMA的作用4.2 结构组合设计SMA路面的损坏有时不是其本身的原因造成的,而是由于中!下面层出问题引起上面层的破坏,这方面的例子在高速公路工程中已不鲜见上下面层的关系非常密切,它是一个不可分割的整体结构为此,必须做好沥青面层的结构组合设计应充分考虑交通荷载和环境条件,选择与SMA上面层相匹配的中!下面层结构,根据各个结构层次的不同功用,进行各层混合料的配合比设计,以求最大限度的满足强度!耐久性!稳定性!表面功能等各方面的要求4.3 排水设计SMA沥青面层的设计并未考虑结构层内部的排96株 洲 工 学 院 学 报 2006年水措施,当雨水进入沥青面层长期滞留在结构层内会导致水损害我省属湿热多雨地区,尤应引起高度重视为此必须做好综合排水设计包括以下方面:1)路面地表排水应使路面(含路肩)!中央分隔带!路基边坡坡面的表面排水顺畅,避免路表水渗人路面结构层内2)路面内部排水路表水渗入结构层内,应能及时排出路外,以免滞留导致水损害可考虑将硬路肩采用与行车道相同的结构和厚度(可不设底基层),使各结构层次成为同一标高的整体结构,在同一横断面上形成统一的全宽横坡,不使水流滞留;路边缘土路肩范围设置15cm厚的碎石透水层,使渗入结构层的水能迅速排入路基边沟国外还有采用高透水材料做成透水基层的方法3)路基边沟排水应该使边沟内水流畅通,并且与桥涵!沟渠!管道等各种排水设施形成完善的排水系统,以减少地表水和地下水对路面及路基的侵蚀破坏5 结语采用SMA路面表面层能全面提高沥青路面的使用性能,延长使用寿命,减少维修养护费用目前以双向4车道高速公路路面4cm厚的表面层为例,改性沥青SMA路面的每公里造价约为普通沥青路面的1.31.4倍,但是,从研究资料及国外实践看,改性沥青SMA的使用寿命比普通沥青路面要延长30%50%;同时,在使用期间,SMA养护工作量减少,普通沥青路面容易损坏,其维修养护费用要高于SMA;此外,营运费用也将得到较大的降低总之,虽然改性沥青SMA路面初期投资有所增加,但从总的成本效益分析,在使用年限内全过程的投资会得到很大的节省,必将产生重大的经济效益和社会效益采用SMA路面必须结合我国的具体实际,必须因地制宜,结合实际应用在我国有许多成功的工程,也有不少失败的教训我国南北方温度变化较大,SMA路面沥青用量选择一定要结合当地的交通情况!气候条件,且SMA路面对粗细集料质量要求较高,因此,还需考虑材料质量!机械设备!施工水平!管理水平!经济实力等因素,才能确保SMA路面应用成功参考文献:1 JTGF4022004,公路沥青路面施工技术规范S.2 高速公路丛书编委会.高速公路路面设计与施工M.北京:人民交通出版社,2001.3 JTJ014297,公路沥青路面设计规范S.4 SHCF4020122002,公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南S.5 沈金安.改性沥青与SMA路面M.北京:人民交通出版社,1999.6 余叔藩.SMA路面设计与施工M.北京:人民交通出版社,2002.StudyontheCharacterandDesignofSMAPavementYANGXiao2feng,JIAFei(SchoolofArchitecturalEngineering,ResourceandEnvironment,NanhuaUniversity,HengyangHunan421001,China)Abstract:StoneMasticAsphalt(SMA)isanewkindofpavementoriginatedinrecentyearsandcomparedwithcom2monasphaltpavementithasmanyadvantagesinpracticesothatitwillgreatlyenhancepavementmechanics,prolongpave2mentlifecycleandreducemaintainingcharge.SMAhasbeenwidelyappliedinhighwayconstructio