SMA在日本的应用与发展.doc

SMA在日本的应用与发展井上 武美（日本铺道（株）研究所 所长）虞文景 译摘要介绍了SMA的起源及在国内外的发展，开始只确认了SMA的特性，随着应用过程中的技术进步，SMA技术得到了改进和开发，形成了适应不同要求的SMA。日本SMA实际铺筑里程虽少于欧美，但同样进行了深入研究。今后为使SMA得到更好的应用，从室内到现场为使SMA适用性评价成为可能，采用体积配合比是必要的。主题词热拌沥青混合料 沥青路面工艺变化 SMA 施工实绩混合料特性 配合比设计引言SMA源自德国Splitt mastix asphalt 并向世界各国发展。SMA是英语名称Stone Mastic Asphalt和美国Stone Matrix Asphalt的字头缩写。现在SMA作为耐久性好、耐流动的热拌沥青混合料得到认可。SMA是采用硬质、耐久、近立方体的高品质碎石，并用适量耐久、耐水性好的优质沥青玛蹄脂填充其间的热拌沥青混合料。最初SMA是1960年在德国奴鲁地区采用路表先按15kg/m2摊铺玛蹄脂，其上撒布碎石30Kg/m2，用钢轮压路机碾压数遍的以手工作业为主的路面，这是用于钢桥桥面的标准结构。其下层还铺有1-2层25mm或30-35mm厚的铺装层，称之为碎石补强沥青玛蹄脂（Splitt vervestige Mastix aspalt）。为了减轻人工作业强度和避免路面不均匀性，1960年下半年开始试用沥青玛蹄脂和碎石预先混合一次铺装的工艺，15年间铺筑了2000万m2(18年间共铺3000万m2),在重载交通道路上，证明对路面的耐磨性、耐流动性是有效的。根据上述成果，1984年SMA作为重载交通的表层混合料被列入沥青混合料技术规范。最初配合比中沥青玛蹄脂：碎石（8-11mm）的重量比为1:2（钢桥面为1：1但碎石规格为11-16mm，也有用16-22mm）,配合比的变化如表1所列。其后技术规范中包含了用最大粒径5mm、8mmSMA填充车辙和对应于不同厚度的SMA的沥青混合料。在实际工程中，将采用石棉改为纤维。SMA配合比的变化 表-1类型材料沥青玛蹄脂重量比（%）15Kg/m2+30Kg/m2（Kg/m2）沥青玛蹄脂、8-11mm碎石重量比（%）SMA （0-11mm）重量比（%）矿粉砂（0-2mm）碎石30 24.670 57.43.78.630.08.720.370.98-13（人工砂:天然砂1:1）70-80矿质材料10042.3100.0100沥青（B65或B80）18.02.76.06.0-7.5沥青混合料100.045.0100.0100.0这种SMA以北欧为中心，几乎同时在欧洲各国得到应用。加拿大接受了扎幌第四届PICA技术交流中和欧洲考查的成果，美国采用了欧洲考查成果（对瑞典发展德国技术有深刻印象），从1990年初引进了SMA技术。日本SMA列入了ZTVbit-StB84中，从1986年起迅速进行了技术引进、消化。1.SMA技术引进分析日本在满足沥青混合料耐流动、耐磨耗的要求中，从1975年后半年起，不再只是依赖于沥青胶结料，而是将粗集料嵌挤结构作为方向，作者重点研究的沥青混合料为SMA。根据日本沥青路面施工工艺的发展变化，SMA所处的位置如图-1所示。采用现有技术可作为SMA生产施工的出发点。回顾战后50年间沥青路面工艺的变化，从1950年沥青路面要纲出版前到1992年“要纲”第六次修订，路面工艺变化关系列于图-1。但SMA并未列入现行“要纲”，这也可理解SMA是适应于不同时代要求，对路面功能和性能改进的新规定。从SMA室内分析试验结果，大体上可分解最初的目标。也就是说，SMA与通常的密级配沥青混合料相比，动稳定度DS约为5倍，耐磨耗为2-3倍，并且从破坏包络线可以看出具有良好的抗裂性。有意义的是由于混入了木质纤维素，可使得混合料软化点提高和沥青用量增加（大约0.2%）。沥青玛蹄脂浇筑式沥青混凝土封闭型工艺（沥青胶砂）沥青胶砂 细级配密级配间断级配热碾混凝土托彼卡（细级配） 修正托彼卡 沥青混合料 耐磨耗托彼卡沥青砂浆 薄层沥青路面 沥青玛蹄脂浇筑式沥青混凝土 沥青砂排水性沥青混合料半柔性路面下粗上细工艺粗级配沥青混凝土开级配沥青混凝土预涂沥青碎石 沥青碎石工艺碎石型工艺SMA混合型贯入式 沥青碎石工艺图-1沥青路面工艺变化及相应的关系（虚线不符合粒径、厚度关系）北欧对各种纤维的有效性作过比较分析，在掺石棉、熔渣、化学纤维、炭纤维、木质纤维、玻璃纤维中，确认了使用改良的木质纤维素的有效性。德国木质纤维素使用最多，掺量占SMA混合料总量的0.3%（DEUTAG公司标准）。依据SMA的室内试验结果，在日本进行了试验施工，1988年在扎幌市区铺筑了以耐磨耗为主的试验路，作为SMA正式使用的起点，该年度全国共铺筑了SMA17,000m2。2.SMA的发展分析随着SMA的应用发展，针对路面性能要求的提高，SMA特性也不断得到改善，采用已有的研究成果，对原有的SMA进行了发展分析。其中，1.改变了粗集料的最大粒径；2.改变了相对应粗集料空隙的沥青玛蹄脂用量；3.改变了沥青玛蹄脂的质量。若不考虑变化的时间因素，粗集料最大粒径变化如图-2所示。（标准）耐磨耗耐流动通常SMA（13）技术标准延长使用寿命提高耐流动性提高耐磨耗性集料可变技术标准防止病害薄层罩面集料级配可变减薄厚度降低成本 20mm30mm 5mm薄层SMA13mm通常SMA（13）SMA（20）CMHB-SMA大粒径SMA图-2 粗集料最大粒径的变化 图-3所示的粗集料空隙率（间隙率），采用2.36mm粒径以上的粗集料的空隙率替代通常的VMA，沥青混合料中的空隙率值可分为粗集料的值和SMA值两种。因而，在大体保持粗集料空隙率的排水性沥青混合料的空隙率中，增加沥青玛蹄脂的填充比例，确保有效的纹理深度（表面空隙率为10%），形成低噪音SMA；而空隙率达到一般沥青混合料标准的，则认为是标准的SMA。图-2中，随着最大粒径的增加或减少，不仅粗集料的空隙率有变化，而且通过调整沥青玛蹄脂用量的方法，使SMA的空隙率达到3%程度。图-4按沥青混合料的使用经验，分析了在SMA组成材料中调整外掺料后对SMA性能的影响，使用中应按照要求选择适当的技术措施。SMA经过多年发展，现在已有标准的薄层型SMA、大粒径型、功能型（低噪音、防冻）等多种类型。SMA的应用也从一般路段的新建和维修（包括开裂路段罩面）到特殊路段（桥面中包括钢桥面的下层、RC桥面的增厚防水层、隧道的路面等），具体如图-5所示。图中碎石规格的调整，随着排水性面层的发展，一般使用5-13mm碎石，生产中也可考虑增加13-20mm、2.5-5mm碎石用量的措施。3.SMA的发展与实践 分析总结前述SMA的发展过程，将各种SMA的配合比、力学性能及其他特性汇总于表-2中，表中列出了不同SMA的发展过程，表中各种SMA的特点如下：1.一般SMA：基于对德国SMA配合比的基本分析，最大粒径采用13和20mm，最初采用直馏沥青，后改为采用改性胶结料，使用木质纤维素，主要应用于耐磨耗、耐流动和寒冷地区（防滑链作用段）路面的表层和重载交通的表层及下层。开级配型（粗集料嵌挤）用沥青胶砂填充SMA以粗集料为骨架的热拌沥青混合料薄层型（13mm）型排水性路面混合料安全 环保 降低成本 特殊场所 长寿命化一般SMACMHBSMA薄层SMA防冻SMA功能性SMA大粒径SMA桥面SMA（钢桥面、RC桥面）调整10-20mm碎石用量耐流性粗集料+沥青胶砂 +改性沥青 增大粘附性 增大动稳定度 确保动稳定度耐磨性 粗集料+胶砂F/A大 沥青胶浆硬耐磨粗集料空隙用耐磨D/A胶砂填充确保不透水桥面防水低噪音表面粗集料外露 空隙率达10%防滑考虑集料质量 表面粗集料外露路面防冻掺橡胶颗粒表面处理用调整2.5-5mm碎石用量矿粉用量 (确定75 m通过量) 确定75m通过量采用特殊添加剂确定空隙率水平集料用量（确定2.36mm通过量）+植物纤维 提高软化点 增大动稳定度添加植物纤维 增加最佳沥青用量图-5不同SMA配合比要点 2.大粒径SMA:最大粒径采用30mm，不限于使用直馏沥青，兼有与改性沥青混合料同等的耐流动性和耐磨耗性（达到一般密级配沥青混合料的2-4倍）。本以减少养护工作量为主要目的应用于路面表层，但因存在纹理均匀性问题，结果主要用于下面层结构中。 3.钢桥面用SMA：钢桥面存在着高温的影响和施工规模小的问题，作为替代浇筑式桥面铺装材料，德国有SMA的使用标准。作为降低工程成本的措施，桥面采用SMA混合料，为确保抗流动性，动稳定度要求大于3000次/mm（下层大于1500次/mm）；为确保防水性，沥青混合料空隙率3.0%（透水系数110-7cm/s）。在SMA和桥面边缘结合不良部位，采用防水层覆盖。此外SMA也可采用单层施工（1997年高知、丰永大桥）。 4.薄层SMA：德国作为修补用的标准SMA，是在2.5-5mm（7#）碎石的空隙中，用沥青胶砂充填，该种SMA混合料是具有高柔性（防止开裂）和高密水性（防水）性能。1989年日本作为高速公路的安全措施，用SMA-5充填深达10mm的车辙，现在则主要用于地方道路未经铣刨面层上20mm厚的罩面，或用做表面处治（铣刨罩面厚度25mm）。 5.低噪音SMA：碾压后的SMA路面表层，具有排水性面层的纹理深度，而其中下层则具有一般SMA的特性，是一种深度方向性能各异的的混合料，兼有排水性混合料的特点（耐磨耗、视觉好、防噪音等）和SMA的特点，由于解决了排水性面层表面空隙被堵塞的课题，因而宜用作寒冷地区的低噪音路面。德国希望用SMA的低噪音化替代排水性路面作为发展的方向。 6.防冻SMA：通常是一种在SMA-13中添加百分之几的2.5-5mm橡胶颗粒的SMA。在寒冷地区，和以往弹性防冻路面具有同样的功能。 7.高压实性SMA：在各种SMA中，为提高碾压时的压实度，在常温条件下添加温拌添加剂，以降低沥青混合料的粘度。适用于要求高压实度路段及低温季节施工时使用。 8.CMHB-SMA：CMHB系采用Coarse Matrix High Binder的缩写。与SMA机理相同，该种SMA是在13-20mm(5#)碎石中填充2.5-5.0mm（7#）碎石，再在合成集料中用沥青玛蹄脂填充，适用作长寿命沥青面层。与以往抗履带作用沥青混凝土相当，在积雪寒冷地区，这种混合料也有多年良好的使用效果。 9.防水用薄层SMA：相当于4.薄层SMA和7.高压实性SMA，在水泥混凝土（RC）桥面上，即使混合料温度降低（100）碾压时也可确保混合料几乎不透水。在桥面上可替代增加层厚防水层和薄层系列防水层。表-2 SMA发展分析表类 型通常SMA大粒径SMA钢桥面用SMA薄层SMA低噪音SMA高压实性SMA防冻SMACMHB-SMA防水用薄层SMA用途耐 流 动耐 磨 耗桥面.防水排水.低噪音薄层.表面处治下 垫 层防 冻最 大 粒 径（mm）132030135131313205配合比19.0mm13.24.752.36300um7510098.334.924.814.610.394.482.132.726.917.610.855.0-25.0-11.261.759.8-32.3-5.810095.0-27.5-10.510010095.045.027.58.010095.038.026.5-11.010095.040.030.021.214.110098.538.926.116.99.810058.058.030.014.89.110010093.944.919.311.8胶结料类型胶结料用量（%）植物性纤维量（%）特殊添加剂量（%）橡胶微粒量（%）St60 806.80.5-St801007.00.5-St60806.00.4-St40605.70.4-改性型改性型高 粘度 改性 改性型改性型改性型高粘附性改性6.60.5-8.00.5-6.20.3-6.80.37.0-70.3-2.56.20.5-7.80.310.0-标准性能密度（g/cm2）空隙率（%）稳定性（kgf）*1流值（1/100cm）2.3553.0720362.3652.964633-2.3834.01,735-3.0-2.3153.0800352.3235.81,140462.4281.5880402.4062.5-2.3753.0930652.3721.51,08686耐 久性 能动稳定度（次/mm）磨耗量（cm2）3,3160.871,4300.835,0001.003,439-4,500-320-7,1500.93,400-2,1900.73,300-1,060-功能性能透水系数（cm/s）断裂应变BPN吸音性-6.510- 3-74-110- 7-4.610- 79.510- 763-310-46.510-357有110- 78.010-3-110- 76.010-3-110- 78.610-3-主要参考文献9）12）13）14）15）16）17）-19）-20）20）开发目的掺植物纤维分析开发兼有耐磨耗耐流动SMA长寿命化 开发有一定耐流动耐磨耗碎石型面层混合料桥面铺装用开发耐流动且有不透水性SMA降低养护成本开发高柔性可薄层施工SMA积雪地区安全、低噪音、有耐久性开发具有深纹理深度多功能SMA适用中温压实SMA开发较掺沥青砂更高压实比的SMA确保积雪地区安全性开发掺橡胶微粒具有抗冻性SMA对应多碎石长寿命化开发平衡碎石用量耐流动SMA适应路面防水要求开发具有薄层防水功能SMA不同SMA发展过程1985年 1988年 1991年 1992年 1996年 1997年 1998年通常SMA大粒径SMA钢桥面用SMA薄层SMA低噪音SMA高压实性SMA防冻SMACMHB-SMA 防水用薄层SMA表注1）.用途栏中 效果良好， 有一定效果。注2）.胶结料中St为路面用石油沥青（数值为针入度）；其余分别指I型改性沥青、II型改性沥青、高粘附性改性沥青和高粘度改性沥青。注3）.植物纤维量指相对于混合料的外掺重量比注4）.特殊添加剂量指相对于沥青的重量比注5）.橡胶微粒量指除去植物纤维后相对于混合料的内掺重量比注6）.标准性能按大粒径混合料（模具15.24cm，击实112次），其它混合料（模具10.16cm击实50次）马歇尔试验结果。注7）.功能性SMA上层部位的空隙率和透水系数和排水性面层相同注8）.耐久性试验中动稳定度为车辙试验；磨耗量为剥落松散试验（防滑链轮1.5小时）的结果注9）.功能性中透水系数按加压式透水试验值；破坏应变为-10小梁弯曲试验值；BPN为路面抗滑试验仪测定；吸音性为吸音率测定（管内法）结果。注10）.主要参考文献编号参照附录（本翻译稿省略）注11）.不同SMA发展过程中 为主要文献发表年限； 为最早在现场使用年限* 1：稳定度为参考文件数值至今为止（译注：指到1999年上半年），日本国内各种SMA的使用实践如图-6所示。图中数据在一定程度上是正确的，其中包含了本公司的业绩。括号内的数据系（株）日本道路建设业协会组织国外考查时，各参与考查公司的业绩概略统计值，1994年以后，日本全国SMA铺筑面积估计为图中数据的23倍。在各种SMA的实践中，包括了1999年4月修订的路面设计标准（名古屋高速公路公司）的钢桥面铺装、焊接桥面下层铺装标准；1999年本四桥来岛和多多罗大桥的人行道铺装（单层）；日本道路公团在桥面上增加SMA厚度用作防水层的暂行标准，以及在积雪寒冷地区作为耐久的低噪音路面使用的SMA等。4.今后的发展与课题在欧洲，SMA占各国的沥青混合料产量的10%的国家，除发源地德国外还有比利时、挪威、瑞典、荷兰等国。1998年欧洲实铺SMA共1.3亿m2，并且许多国家有增加SMA用量的倾向。美国自1990年以来，SMA产量300万吨，较密级配沥青混凝土产量多20%，路面使用寿命延长40%，有良好的费用效果比。美国沥青路面协会（NAPA）和联邦道路局共同进行调查，基于SMA对防止车辙有特殊效果，也未发现有其他的破坏，故而发行了SMA设计、施工指南，希望SMA得到进一步的发展。国外路面发展的趋势是将路面使用长寿命化和使用周期成本放在首位，这对日本SMA的发展将起有效的推动作用。此外，作为沥青混合料配合比今后的合理发展方向，SMA也可与SUPERPAVE同样采用体积配合比设计，也象NAPA那样指出粗集料空隙率的重要性，SMA结构并未填满单