标题改性沥青混合料SMA的工程应用

标题：改性沥青混合料SMA的工程应用来源：《公路》[正文]摘要：通过对常用改性沥青混合料SMA的性能介绍，对其材料特性、设计方法、施工及注意事项提出一些看法，供大家参考。关键词：改性沥青；SMASMA全称沥青玛蹄脂碎石混合料，StoneMasic(Matrix)Asphalt的缩写，是20世纪60年代中期，德国道路工作者为提高路面的抗滑能力，抵抗带钉轮胎对路面破坏而开发的新技术，它能显著地提高沥青混凝土的路用性能，特别适用于重交通道路。1SMA性能介绍1.1SMA组成沥青玛蹄脂(Mastic)是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的混合物。SMA路面是按照内摩擦角最大的原则配制间断级配的粗集料，使其形成相互嵌挤锁结的骨架，然后用足量的沥青玛蹄脂(细集料、矿粉、沥青和纤维稳定剂组成)填充其骨架空隙的一种路面结构。(1)5mm以上的粗集料，用量高达70％～80％；(2)矿粉填料用量达8％～13％，粉胶比(矿粉同沥青比)远远超出通常1.2的限制；(3)沥青结合料用量多，高达6.5％～7.0％(4)细集料：一般0.075mm筛孔的通过率高达10％；(5)纤维稳定剂占混合料总重的0.3％～4％，用来吸附过量的沥青。1.2强度组成机理1.2.1高温稳定性SMA的高温稳定性主要取决于内摩擦角φ值，φ值主要取决于矿质骨料的尺寸均匀度、颗粒形状及表面粗糙度。SMA作为一种间断级配混合料，4.75mm～9.5mm之间的粗集料占粗集料总量的40％左右，远高于普通密级配混合料，且矿质颗粒粗大、均匀，同时SMA对集料的扁平或细长颗粒有严格的限制，某些情况下对磨光值也有严格的要求。这样，SMA混合料骨料有棱角且表面粗糙，故内摩阻角φ值大。即使在高温条件下，由于粗集料颗粒之间相互良好的嵌挤作用，混合料仍有较好的抗变形能力。l.2.2低温抗裂性在低温条件下，混合料收缩变形使集料受拉时，集料之间填充的沥青玛蹄脂(Mastic)可以发挥其良好的粘结作用。此时SMA的抗拉能力主要取决于沥青胶结料的粘聚力C值。由高含量的矿粉、纤维和沥青组成的Mastic具有远高于普通密级配混合料的粘结作用，从而使混合料具有很好的低温抗裂性能。1.3SMA的优缺点1.3.1优点（1）在材料组成上，SMA遵循“三多一少”的原则(即粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少)，充分发挥粗集料的骨架嵌挤作用，使混合料产生非常好的抗变形能力，即使在高温条件下，沥青玛蹄脂的粘度下降，但其抗车辙变形的能力仍不减弱。(2)由于有相当数量的沥青玛蹄脂包裹在粗集料的表面，当气温下降，混合料因收缩变形使集料被拉开时，沥青玛蹄脂仍具有很好的粘结作用，它的韧性和柔性使混合料具有很好的耐久性和低温抗裂能力。(3)由于SMA混合料内部的空隙率小，沥青的耐老化性和混合料的水稳定性都将大大提高，同时由于间断级配在路表面形成大的孔隙，具有较大的构造深度(TD可达1.5～2.0mm)，使路面具有很好的抗滑性能，并对降噪音(减少3～5dB)、防行车水雾等都有益，从而全面提高丁沥青混凝土的路用性能。(4)SMA可用于铺筑更簿的面层，从而可以降低工程造价。(5)无论何种气候，无论重交通条件与否，SMA结构面层均稳定耐久。即使是重交通地区，该结构预估使用寿命为10～15年，仍比传统的沥青混合料结构路面延长寿命20％左右。1.3.2缺点(1)约增加20％投资。(2)沥青和矿粉用量较多，加工和铺筑温度较高，生产率较低。(3)实际使用性能对结合料用量和粉料用量都较敏感。新路面和路面潮湿时，有过滑危险。2SMA混合料设计2.1设计原则正确的SMA混合料的配合比设计是充分发挥SMA优点、修筑高质量的SMA实体工程的前提，设计的主要内容是确定矿料级配和沥青用量。2.2材料选择SMA混合料的配合比设计首要步骤是材料选择。正确把握标准、选择适用的材料是修好SMA路面的关键，除了应严格执行现行规范要求外，SMA混合料对材料还有一些特别的要求。2.2.1粗集料(1)粗集料除满足现行规范要求外，尚需考虑其表面粗糙度。(2)粗集料应采用破碎石料，形状理想、坚硬、针片状颗粒少、抗滑不吸水。(3)粗集料宜全部轧制，轧制石料时，建议使用锤式轧石机。(4)集料多采用花岗岩、玄武岩、辉长岩、辉绿岩、片麻岩和石英岩等。2.2.2细集料(1)细集料宜采用优质的机制砂。若全部采用机制砂确实有困难，可以掺用优质天然砂，天然砂与机制砂的用量最大比例为1：1。(2)细集料应洁净、干燥、无风化、不含杂质，有适当的级配范围，并与沥青有良好的粘结能力。2.2.3矿粉填料(1)填料不应含有机物质。(2)填料用量往往高达8％～13％，应由纯正的磨细石灰岩石粉或其他合适材料组成，不宜使用；1收粉尘，石粉的塑性指数不大于4。(3)石粉使用时应足够干燥，不得成团，能自由流动。小于0.075mm粒径的含量不能太少，但是小于0.05mm部分的含量亦不宜太多。2.2.4沥青(1)当确定采用改性沥青铺筑路面时，首先应根据工程所在地的气候、交通及其他特殊使用要求，选择适宜的基质沥青、改性剂类型，根据已有经验初步确定改性剂剂量，并制备改性沥青进行试验，再根据试验结果确定改性沥青的相应等级。(2)沥青应选用针入度小、软化点高、温度稳定性好的沥青(最好采用改性沥青)。(3)国内外的经验表明，施工沥青用量应略小于试验设计的最佳沥青用量为好。沥青含量大约比密级配沥青混凝土的沥青含量高1％左右。(4)沥青含量还随稳定添加剂的类型而异。假设聚合物纤维稳定的SMA混合料，设计沥青含量为6．o％，那么矿质纤维稳定的同样混合料的沥青含量可能是6.2％～6.4％，采用木质素纤维稳定时，沥青含量可能是6.5％～6.7％。2.2.5稳定剂(1)稳定剂可采用木质素纤维、矿物纤维或聚合物纤维(2)粒状纤维稳定剂有便于仓储、运输、不易受潮等特点，若采用人工添加方式，粒状纤维要好一点。(3)SMA混合料因沥青含量高和矿粉用量大，在贮存、运输和摊铺过程中，沥青和矿粉会产生滴漏和离析，在车辆荷载作用下，易出现泛油现象。为了吸收稳定沥青，防止滴漏和泛油，采用木质素纤维作为稳定剂性能更优。2.3设计方法SMA沥青混合料的配合比设计，国际上尚无公认的成熟方法。混合料设计随国家、承包商不同而不同。2.3.1国内规范法目前国内对SMA混合料的配合比设计主要采用马歇尔试验方法。要求马歇尔稳定度不宜低于6.2KN，流值宜为2mm～5mm，矿料间隙率不应小于17％，空隙率控制在2％～4％，油石比不宜小于6.2％，特别提出必须做车辙试验，动稳定度不应低于1500次／mm，同时试验温度相应提高10℃～20℃。然而，越来越多的研究证实，马歇尔试验得到的性能指标——马歇尔稳定度和流值不仅不能反映一般沥青混合料的使用性能，更不能反映SMA混合料的使用性能。用马歇尔试验方法得到的SMA混合料的油石比是不是最佳值，无法用马歇尔试验性能指标来衡定，在取值上很难界定，有可能满足马歇尔试验指标要求的油石比会显得偏少或偏多。另外，从施工实际情况来说，矿料的级配和沥青混合料的油石比应该是一个合理的范围，在这个范围内无论级配和油石比如何变化，都不应引起沥青混合料的性能急剧变化，甚至波动到技术要求的最低值以下。因此用这种方法来进行SMA混合料的配合比设计是否合理值得探讨。2.3.2正交试验方法正交试验方法以动稳定度为控制指标，进行SMA混合料的配合比设计，可以得到满足施工要求的SMA混合料的最佳配合比，而无需用“肯特保法和谢论保法”分别进行飞散试验和沥青析漏试验。与目前国内外普遍采用的马歇尔试验方法相比，具有方法简单、试验次数少、试验结果可靠等优点。2.3.3欧洲方法欧洲的方法是基于马歇尔法，根据设计空隙率(3％)和最小稳定度值(6．2kN)确定最小沥青用量。2.3.4体积法美国目前推荐体积法设计，用VCAo~：VCAmix来判断粗骨料是否处于嵌挤状态。此方法直观明了，比单纯的马歇尔配合比设计法有很多的优越性，可在今后的生产中采用。2.3.5其他一些方法德国和瑞典SMA配合比设计只是使用马歇尔严验击实方法，而不使用稳定度和流值作为主要控制指标，配合比设计是建立在空隙率和最小胶结料竺量的基础上。芬兰是采用旋转压实仪的方法，以空隙率作为控制指标析漏现象。在工艺流程中增加了改性沥青掺和机以及使用改性沥青生产SMA时需要加入稳定剂纤维。SMA生产流程为：备料•改性沥青生产一沥青混合料生产一混合料运输一摊铺一碾压一保养。3.1备料SMA对材料要求非常严格，各种材料进场前后都必须有中心试验室的检验报告。场内需设有防尘、防雨设施。3.2改性沥青生产选配适当的沥青改性设备。制备改性沥青时，应采用适宜的生产条件和方法进行，通过试验确定合理的改性剂剂量和适宜的加工温度，制订详细的生产工艺和操作规程。使改性剂在基质沥青中分散均匀并达到一定的细度。3.3沥青混合料生产SMA混合料的搅拌循环时间要比普通沥青混合料长，选择专用纤维添加设备，必须合理安排，不能出现停机现象，影响施工进度。SMA混合料拌和质量的好坏受生产级配、温度控制、搅拌时间、操作人员素质等方面的影响较大。一般SMA混合料干拌时间8s，湿拌时间48s。3.4混合料运输为防止运输过程中温度下降太快，采取了严格的保温措施，沥青混合料出厂温度采用上限，沥青混凝土装车后盖一层麻布和一层帆布，实行双层保温，保证沥青混凝土摊铺时温度保持在170℃以上。混合料的运输虽然是一个中间环节，但组织不好将直接影响路面质量，因此要保证摊铺机不能因缺料停机，同时减少运输车和摊铺机的接触次数。3.5摊铺SMA的摊铺是保证路面质量的关键。SMA混合料铺筑方式为热拌热铺。3.6碾压碾压是最重要的一环，保证及时碾压非常关键。碾压时严格按照“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则进行，避免因温度下降造成压实困难。碾压程序为先稳压l遍，再静压2—3遍。与普通沥青混合料碾压时的最大区别是不能使用轮胎压路机，一是因为改性沥青粘度非常大，容易粘轮；二是轮胎搓揉造成玛蹄脂上浮。在保证粗集料不被压碎的情况下，选用较重的压路机在较高的温度下紧跟在摊铺机后碾压，压实效果最佳。由于SMA混合料降温特别快，120℃以下基本处于凝固状态，很难摊铺平整，初压温度控制在150℃左右，终了温度不低于130℃，碾压速度控制在5km／h。静压完成后很长时间后路面弹性仍较大，需要保护24h以上。为了保证碾压效果，有几点应特别注意。(1)防止过度碾压。混合料达到一定的压实度，继续碾压会使玛蹄脂挤压到表面，降低构造深度，因此当发现构造深度减小、玛蹄脂有上浮迹象时，碾压即应停止。(2)防止粘轮。每天施工前对压路机的洒水装置进行严格检查，选用纯净的清水，避免管道堵塞，否则，因改性沥青的粘度非常大，会大面积粘起混合料，严重影响平整度。(3)防止漏油。施工前对所选用的压路机进行严格检查，禁止使用漏机油或柴油的压路机。(4)碾压达到规定的遍数以后，紧跟着进行乎整度检测，发现局部乎整度较差的点，立即进行适当的碾压处理。(5)横向施工缝采用平接缝，每天开工前用6m直尺测其端部平整度，用锯缝机切除端部平整度或厚度达不到要求的地方。接头处铺筑新混合料之前用乳化沥青涂刷，并用熨平板对接头处预热。摊铺时根据松铺厚度适当垫起熨平板后的滑靴，直接利用浮动基准梁传感控制，这样做对接头处的平整度有明显改善。进行碾压之前接头处应稍洒一些细混合料，以弥补大的孔隙。碾压时用6m直尺反复测量接头处的平整度，反复进行碾压，直到平整度满足要求。施工缝处理时间不超过20min，而且先横向赶压，再斜向赶压，然后顺路碾压。另外，在开工前至少一周铺设长度不小于150m的试验段，从而有足够时间对不合理的混合料成分、施工工艺及设备进行必要调整。4注意事项4.1泛油SMA路面泛油与集料品质、纤维稳定剂投入方式有很大关系。4.1.1集料SMA对材料要求很苛刻，特别是对粗集料的外观形状要求应是或接近立方体。相对而言，花岗岩外观几乎均呈立方体，表面粗糙洁净，嵌挤能力强，同沥青能很好地结合；玄武岩则因受轧制机械的制约，外观呈立方体的较少，细小扁平含量较多，集料间的嵌挤能力