SMA-13上面层(SBS改性沥青)配合比优化设计及施工质量控制

1SMA-13上面层（SBS改性沥青）配合比优化设计及施工质量控制王志刚一、沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）的特性及强度机理沥青玛蹄脂碎石混合料是一种以沥青、矿粉、纤维稳定剂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而组成的沥青混合料，沥青玛蹄脂碎石混合料的构成特性，俗称“三多一少”，即沥青用量多为6%左右，矿粉用量多达8—12%，4.75mm以上粗骨料用量高达矿料用量的70%—80%，4.75mm以下细集料仅占矿料总重的20%—30%，其中还含有8%—12%的矿粉，实际细集料用量为10%—20%，相当少。所以，沥青玛蹄脂碎石混合料的强度是依靠粗集料在沥青混合料中的骨架嵌挤作用和沥青玛蹄脂胶结料的粘结裹覆作用形成的，因而它更具有很好的耐久性、抗高温稳定性、抗低温开裂性、抗滑性及较好的排水性能。下面以徐宿高速公路TS21标SMA-13上面层（SBS改性沥青）施工为例来说明SMA的配合比优化设计和施工质量控制。二、SMA-13配合比设计1、原材料选取①粗集料SMA的粗集料是指在SMA混合料中形成嵌挤起到骨架作用的集料部分，对SMA-13、SMA-16是指粒径大于4.75mm的集料，对SMA-10是指粒径大于2.36mm的集料，SMA的高温稳定性是基于含量甚多的粗集料之间的嵌挤作用，在很大程度上取决于集料石质的坚韧性、颗粒形状和棱角性，粗集料的这些性质是SMA成败与否的关键。所以在选取原材料时一定要选取压碎值小、针片状含量少、表面粗糙有一定棱角性的石料。②细集料对SMA-13粒径小于4.75mm的集料称细集料，细集料在SMA中的比例虽然很少，但它是形成沥青玛蹄脂的重要组成部分，用以填充SMA的粗集料骨架的间隙，增强路面的防渗能力，同时起到粘结作用，一定要选取表面粗糙、洁净、有一定棱角性和嵌挤能力的机制砂。③填料填料必须采用由石灰石等碱性岩石磨细的矿粉，矿粉的主要作用是和沥青、纤维组成沥青玛蹄脂粘结剂，提高沥青混合料的粘结力。回收粉中含有不少尘土，同时粗细集料中的石粉经过明火燃烧、高温处理，会变得发脆，所以回收粉在上面层最好不用，通过改2进矿粉填加设备能够保证0.075mm的通过量。下表是矿粉和回收粉对SMA混合料性能的影响（SBS改性沥青）。填料种类填料用量（粉胶比）（%）动稳定度（次/mm）马歇尔试验稳定度（KN）流值（mm）空隙率（%）矿粉6（1.0）2504.092.7210.69（1.5）11494.992.888.812（2.0）54007.502.614.1回收粉6（1.0）3053.742.75—9（1.5）7254.483.77—12（2.0）22625.462.46—从上表可以看出，随着矿粉用量的增加，混合料的空隙率减小，动稳定度显著提高，使用回收粉的动稳定度要比使用石灰石矿粉的动稳定度低得多，所以要想形成SMA结构，矿粉的数量不能太少，足够数量的矿粉是形成SMA的先决条件。④沥青沥青材料的性质对路面使用性能有多方面的影响，在选取沥青品种时主要考虑高温抗车辙能力和低温抗裂能力，这两个方面在沥青品种选取时趋向相反，应综合平衡考虑。国内外权威机构多年来对沥青的研究表明，改性沥青抗车辙能力明显优于普通沥青，针入度低的普通沥青抗车辙能力优于针入度高的普通沥青，而针入度高的沥青抗低温开裂能力又高于针入度低的沥青，江苏省高速公路一般选取AH70沥青（PG64-22），从高温抗车辙能力和低温抗开裂能力两个角度综合考虑比较适合江苏气候条件，若在同时使用改性沥青就更如虎添翼。⑤纤维稳定剂纤维具有加筋、分散吸附沥青、稳定、增粘等作用，对防止SMA沥青析漏的功效较好，对于木质纤维掺量为沥青混合料总量的0.3%，目前一般采用风送式纤维送料机填加。下面是徐宿高速公路TS21标各种原材料的情况。集料：辉绿岩产地：江苏盱眙吴桥采石厂填料：石灰岩矿粉产地：江苏徐州矿物局水泥厂沥青：镇江科氏SBS改性沥青（AH70+3%SBS）（PG70-22）木质纤维：进口ARBOCEL牌天然木质纤维素产地：德国JRS公司3抗剥落剂：PA—I型产地：西安（有多年使用经验）矿料试验结果如下表：（冷料）规格针片状（%）压碎值（%）0.075mm含量（%）表观相对密度毛体积相对密度1#（9.5~16mm）6.48.60.92.9422.8802#（4.75~9.5mm）4.90.22.9342.8503#（2.36~4.75mm）0.32.9134#（2.36mm以下）6.82.889矿粉2.688沥青试验结果如下表：检测项目软化点针入度延度实测结果77.56840技术要求≮6050—80≮30热料仓取原材料密度试验结果：材料名称1#料2#料3#料4#料矿粉表观密度2.9382.9362.8952.8832.688毛积密度2.8592.835SMA路面对石料要求非常严，首先石料的压碎值要低针片状含量要少，这样的石料才能经的起压路机振动碾压，其次石料一定要致密粗糙成立方体，这样才能保证混合料中的油膜厚度和粘结力，提高路面耐久性，然后要求石料的规格要稳定，以保证混合料级配的稳定性。2、设计思路根据对连徐线CDE-26标、AB-24标SMA-13路面和汾灌OPQ23标SMA-13路面的回访及考察，发现两条高速公路通车后都发生了不同程度的车辙和泛油现象，因而我们这次配合比设计本着三条指导思想，一是降低4.75mm的通过量，加强粗集料在沥青混合料中的骨架嵌挤作用；二是适当降低油石比，努力实现通过增大压实功来减小路面空隙率，提高路面的抗车辙能力；三是通过线外小型试铺，由实际铺筑的路面的质量来确定配合比设计的准确性和合理性。4下面是连徐线CDE-26标、AB-24标和汾灌线OPQ23标SMA-13配合比设计及施工质量检测数据：（1）原材料标段石料产地沥青产地石料密度木质素产地1#2#3#4#表观毛体积表观毛体积表观表观TS21吴桥采石厂镇江科氏SBS改性沥青2.9422.8802.9342.8502.9132.889德国JRS公司AB24安峰山玄武岩镇江科氏SBS改性沥青2.9962.8522.9912.8452.9152.917德国JRS公司OPQ23安峰山玄武岩镇江科氏SBS改性沥青德国JRS公司（2）施工配合比及合成密度标段施工配合比1613.29.54.750.075合成毛体积密度VCADMX油石比CDE261#：2#：3#：4#：矿粉=40：32：5：13：1010095.459.2288.62.8426.2AB-241#：2#：3#：4#：矿粉=38：37：4：10：1110093.665.126.910.52.84341.36.3OPQ231#：2#：3#：4#：矿粉=33：41：2.5：12.5：1110094.0662.826.610.32.842416.35（3）马歇尔试验结果标段最大理论密度g/cm2实测密度g/cm2空隙率（%）矿料间隙率（%）饱和度（%）粗集料骨架间隙率（%）CDE262.5892.4883.917.577.742.04AB-242.5722.4694.018.278OPQ232.6112.4824.2技术要求3-4.517.075-85VCADRC（4）路面检测结果标段马氏压实度（%）路面空隙率（%）构造深度（MM）渗水系数（ml/mm）CDE2698.35.41.11基本不渗水AB-2498.85.21.02基本不渗水OPQ2399.84.91.0基本不渗水技术要求≥983.5-60.8-1.2≯50ml/min（5）碾压方案比较标段初压复压终压CDE26前静压后退振压1遍静压2遍静压1遍AB-24前静压后退振压1遍振压1遍静压2遍OPQ23前静压后退振压1遍振压1遍静压2遍以上试验检测数据可以看出，无论室内马歇尔试验结果，还是成型路面检测，均符合《江苏省高速公路改性沥青路面SMA-13上面层施工指导意见（SBS改性沥青）》的要求，但通车后都不同程度地产生了车辙和泛油现象，所以我们在配合比设计中重点把握以下几个方面：A、石料高温状态下在拌和、碾压过程中都会有部分磨耗或破碎，与室内试验相比，4.75mm通过量偏细3%（芯样和混合料抽提试验对比），因而在配合比设计时4.75mm通过率要控制在25%左右，0.075mm通过率过在10%左右，1#料和2#料比例在75%以上。B、根据合成矿料的毛体积相对密度2.834结合SMA-13上面层SBS改性沥青施工指导意见暂定油石比为6.0%。C、进行线外小型试铺来验证配合比的可靠性。63、级配和油石比的选取根据北京已成功的SMA路面的级配，选定4.75mm的通过率为22%、25%和28%三个档次，0.075mm的通过率为10%左右，分别按这三种级配测定4.75mm以上粗集料的毛体积相对密度和合成矿料的毛体积相对密度，具体见下表：组别ABC级配范围目标配合比31：53.5：0：4：11.5：31：50：0：7.5：11.531：47：0：11：11矿料级配1610010010010013.293.3493.3493.3490~1009.568.3968.4968.5850~754.7522.4825.5428.1622~322.3615.5618.9421.8116~271.1814.4816.9118.8414~240.613.6415.3416.5112~200.312.913.9414.4910~160.1512.0412.6212.729~130.07510.2910.5210.338~12合成毛体积密度γsb2.8412.8422.8454.75mm以上粗集料毛体积相对密度Pca2.8612.8612.8614.75mm以上粗集料松方相对密度ρs1.6581.6701.667VCADRC42.141.741.8从上表可以看出年，三种级配的合成毛体积相对密度均在2.84以上，根据江苏省施工指导意见中改性沥青SMA-13马歇尔试验配合比设计技术要求之规定，合成集料毛体积相对密度在2.8时油石比不小于6.0%，在2.9时油石比不小于5.7%，根据此要求，我们结合北京和江苏SMA路面成功和失败的经验和教训，同时根据我们的室内马歇尔试验结果和设计思路，我们选择B级配为最佳级配、6.0%的油石比为最佳油石比，试验结果见下表：7油石比（%）最大理论密度实测毛体积密度空隙率（%）矿料间隙率（%）饱和度（%）粗集料骨架间隙率VCAmix6.02.6012.4565.618.469.9406.32.5902.4734.518.27539.6从上表可以看出，粗集料的骨架间隙率VCAmix均小于相对应的VCADRC，说明该种级配形成了石-石嵌挤结构，矿料间隙率VMA大于17%，说明有足够的间隙供玛蹄脂填充，但空隙率和饱和度两项指标不满足要求，要想降低空隙率提高饱和度，只能是提高油石比或增加4.75mm的通过率，但是油石比需提高到6.3%以上时才能满足空隙率在4.5之内饱和度到75%以上，这样无疑会重导以前SMA路面的覆辙，造成路面通车后泛油和车辙。下图为VMA、VCAmix及VCAdrc之间的关系图。从上图可以看出，当4.75mm通过率达到29%时，VCAmix等于VCAdrc，如果4.75mm通过量大于29%，VCAmix大于VCAdrc，SMA的骨架嵌挤结构被破坏，也就不是真正的SMA了。为保证路面有足够的构造深度，我们在生产配合比设计时使9.5mm的通过率在中值左右并大胆的以6.0%的油石比试拌且在服务区匝道上做了试铺段。下面是我项目试拌和线外小型试铺的试验结果：设计油石比6.0矿料级配1#：2#：3#：4#：矿粉=40：40：2：8：10γsb=2.834实测油石比6.031613.29.54.752.361-180-60-30-150.075生产级配10093.062.826.620.017.515.513.81210实测级配10094.662.926.120.518.816.714.412.89.4SMA-13试验指标曲线图02040608010010152025303