王文利
(黑龍江省交通科學(xué)研究所)
我國規(guī)范對SMA的定義為由瀝青結(jié)合料與少量的纖維穩(wěn)定劑、細集料以及較多量的填料(礦粉)組成的瀝青瑪蹄脂,填充于間斷級配的粗集料骨架的間隙,組成一體形成的瀝青混合料,中文名稱為瀝青瑪蹄脂碎石混合料,英文名稱為 Stone Mastic Asphalt(英)或 Stone Matrix Asphalt(美),簡稱SMA。
世界上第一條SMA路面始建于20世紀(jì)60年代中期的德國,80年代起開始在北歐的瑞典、芬蘭等國得到廣泛應(yīng)用,并很快推廣到全歐洲,美國于1991開始學(xué)習(xí)歐洲的SMA技術(shù)并付諸實踐,我國于1992年首次在建設(shè)首都機場高速公路中應(yīng)用改性瀝青SMA技術(shù);值得說明的是,美國在引進德國SMA技術(shù)經(jīng)過研究和應(yīng)用后,對德國的做法有了許多改進和新發(fā)展,包括材料要求、設(shè)計、施工方面等,由于美國和我國一樣,歷來是搞密級配瀝青混凝土的,而德國研究SMA技術(shù)是從澆筑式瀝青混凝土開始的,兩者在機械設(shè)備、材料要求等方面都有很大差別,美國在SMA技術(shù)方面的一些改進在我國比較容易接受,而德國的做法在我國不好接受,因此,我國在進行SMA技術(shù)應(yīng)用的過程中,主要還是參照美國的SMA技術(shù)。
由于SMA路面造價較高,目前我國主要還是將其應(yīng)用于上面層,主要的混合料類型有 SMA16、SMA13、SMA9.5,鑒于層厚和集料公稱粒徑相匹配的原則(要求至少大于3倍),目前高速公路上面層中以改性瀝青SMA13應(yīng)用較為廣泛,厚度一般為4 cm。
SMA混合料對膠結(jié)料的要求比普通的瀝青混凝土要高,它要求膠結(jié)料必須具有較高的粘度,其質(zhì)量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要,同時與集料有良好的粘附性,以保證有足夠的高溫穩(wěn)定性和低溫韌性。但是否一定需要采用改性瀝青,國際上也并無一致肯定的結(jié)論,這是因為各個國家、地區(qū)的氣候條件和交通條件不一樣,而且與經(jīng)濟實力也有很大關(guān)系。
作為表面層的SMA13不僅需經(jīng)受行車荷載的直接作用,同時還直接暴露于頻繁變化的各種不利氣候條件下,對瀝青混合料的各項性能要求更高。研究表明,改性瀝青的綜合性能要遠遠優(yōu)于道路石油瀝青,因此,建議在進行瀝青材料選擇時可結(jié)合項目所在地的氣候、交通等因素并結(jié)合PG等級計算結(jié)果選擇合適的瀝青膠結(jié)料,宜采用改性瀝青,伊綏高速公路上面層SMA13采用SBS改性瀝青,PG等級為PG76-22。
從SMA的成型機理來看,SMA混合料之所以具有較高的高溫穩(wěn)定性,是基于含量甚多的粗集料之間的嵌擠作用,而這種嵌擠作用的好壞在很大程度上取決于集料石質(zhì)的堅韌性(Toughness)、集料的顆粒形狀和棱角性。可以說粗集料的這些性質(zhì)是SMA成敗與否的關(guān)鍵。
因此,用于SMA路面的粗集料必須使用堅韌的、粗糙的、抗壓碎能力強、棱角性好的優(yōu)質(zhì)集料,集料必須由聯(lián)合反擊式破碎機械加工而成。
但SMA路面是否必須采用玄武巖,是否非玄武巖不可,材料選擇時應(yīng)貫徹就地取材、服務(wù)地方的原則,在集料各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求的前提下可論證地選用。伊綏高速公路共有七個標(biāo)段的上面層鋪筑SMA-13瀝青混合料,有1個標(biāo)段采用了當(dāng)?shù)氐男鋷r,一個標(biāo)段采用了輝綠巖,其余標(biāo)段采用的是安山巖。
細集料在SMA混合料中的用量很少,一般不到20%,然而其對SMA混合料的性能影響是較大的,在歐州,SMA混合料所用細集料必須采用機制砂;而在德國ZTV Asphalt-StB 94規(guī)范中也明確要求機制砂用量必須多于天然砂。原因在于機制砂是采用堅硬巖石反復(fù)破碎制成,具有良好的棱角性和嵌擠性能,對提高混合料的高溫穩(wěn)定性能和馬歇爾穩(wěn)定度效果非常明顯。
天然砂質(zhì)地堅硬,但一般表面光滑,棱角性差,且對瀝青的粘附性不好。使用天然砂,混合料的和易性好、容易壓實,但對混合料的高溫穩(wěn)定性不利。另外,天然砂表面吸附的瀝青量少,且天然砂的使用減小了混合料的內(nèi)摩擦角,使混合料的VMA減小、瀝青用量降低,甚至VMA不能滿足設(shè)計要求。因而,如果有質(zhì)量較好的機制細集料,盡可能不用天然砂;但如果機制砂針片狀較多、含泥量大,可以考慮采用優(yōu)質(zhì)的天然砂,機制砂與天然砂的比例應(yīng)大于1∶1。
我國目前機制砂產(chǎn)量較低,且成本較高,太多數(shù)工程中主要還是采用石屑,對于石屑的應(yīng)用國內(nèi)也有不少爭議,在現(xiàn)階段,可以鼓勵使用機制砂,若要使用石屑,則必須是經(jīng)反擊式聯(lián)合破碎設(shè)備加工生產(chǎn)并裝有除塵設(shè)備的集料生產(chǎn)線加工而成,其各項技術(shù)指標(biāo)須滿足規(guī)范要求,并適當(dāng)提高砂當(dāng)量要求。
礦粉在瀝青混合料中的作用至關(guān)重要,瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜,才能對其他粗、細集料產(chǎn)生粘附作用,所以瀝青礦粉混合料才是真正意義上瀝青結(jié)合料。作為填料用的礦粉必須與瀝青具有較好的粘附性和較大的比表面積,宜選用石灰石或白云石礦粉。
黑龍江伊綏高速公路所用礦粉均為石灰石加工而成。
纖維之所以逐步成為SMA的必須成分,與SMA使用較多的礦粉與瀝青結(jié)合料有關(guān),纖維的主要作用為吸附及吸收瀝青,纖維充分吸附表面瀝青及吸收內(nèi)部瀝青,從而使瀝青用量增加,瀝青油膜變厚,提高混合料的耐久性。目前國內(nèi)外SMA中主要以添加木質(zhì)纖維素為主,但也有人提出采用聚脂纖維等,從SMA混合料中纖維的作用機理來看,可不必采用價格高昂的聚脂纖維等材料。
對于木質(zhì)纖維素究竟是使用松散的好還是使用顆粒的好,目前有不同的說法,建議采用專用的纖維添加設(shè)備添加松散的木質(zhì)纖維。
改性瀝青SMA13路面施工過程中應(yīng)注意以下幾個方面。
(1)SMA混合料中礦粉、瀝青用量較大,拌和時一般先加礦粉,后噴入瀝青。為充分分散纖維,纖維一般在干拌時就加入,與集料一起干拌后再進行濕拌。
同時,由于拌和時間增加等原因的影響,拌合站生產(chǎn)效率會受到較大影響,其生產(chǎn)效率一般只有AC類型混合料的70%左右。因此,在計算拌和能力時應(yīng)充分考慮,現(xiàn)場攤鋪速度應(yīng)與拌合站產(chǎn)量匹配,不應(yīng)過快或過慢,避免頻繁停機待料。
(2)SMA混合料瀝青含量高,粘度大,一般不使用輪胎式壓路機碾壓,以防止粘輪及輪胎揉搓造成瀝青瑪蹄脂擠到表面而達不到壓實效果;能否采用振動壓路機,主要是看石料抗壓碎的能力以及瀝青結(jié)合料和油石比的大小,壓碎過程中應(yīng)密切注意集料的壓碎、棱角、嵌擠、泛油等現(xiàn)象,對SMA結(jié)構(gòu)來說,不能過碾壓。
(3)SMA13混合料碾壓應(yīng)遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則,面層一旦達到足夠的密度后,碾壓即應(yīng)停止,過度碾壓可能導(dǎo)致瀝青瑪蹄脂結(jié)合料被擠壓到路表面,影響構(gòu)造深度。建議壓實后,路面現(xiàn)場空隙率為3.5% ~6%。
(4)為避免粘輪對平整度的影響,建議采用非接觸式平衡梁進行厚度控制。
(5)油斑的形成及防治。在SMA13路面碾壓成型過程中,路面可能會出現(xiàn)油斑,當(dāng)油斑直徑大于5 cm時,應(yīng)及時在油斑區(qū)域灑機制砂。攤鋪后即出現(xiàn)的油斑,應(yīng)在碾壓之前鏟除、換填。油斑的產(chǎn)生可能是纖維摻加劑拌和不均勻所致,因此需檢查摻加劑加入劑量是否準(zhǔn)確,拌和時間是否夠長;當(dāng)由于碾壓過度產(chǎn)生油斑時,應(yīng)正確掌握碾壓遍數(shù)及振動力的大小;過高的用油量也會產(chǎn)生油斑,因此要及時檢查拌和樓瀝青計量器的準(zhǔn)確性;拌和料(特別是纖維摻加劑)及路表含有一定的水份,也會產(chǎn)生油斑,因此摻加劑必須干燥,嚴(yán)禁路表帶水施工。
結(jié)合黑龍江伊綏高速公路SMA13面層施工對SMA混合料的原材料選擇、配合比設(shè)計、施工工藝等方面得出如下結(jié)論。
(1)選擇優(yōu)質(zhì)的原材料是改性瀝青SMA13路面取得成功的前提條件之一,原材料選擇時應(yīng)結(jié)合項目所處地區(qū)的交通、氣候等特點,本著經(jīng)濟實用的原則,沒有必要必須采用玄武巖,輝綠巖、安山巖也可以用于SMA路面。
(2)近年來,我國SMA路面得到了相當(dāng)規(guī)模的推廣應(yīng)用,絕大部分都取得了良好的效果,目前,SMA路面在我國的應(yīng)用并不存在技術(shù)上的壁壘,雖初期投入較高,但從長期路用性能來看,SMA路面適用于我廣大地區(qū)復(fù)雜的氣候條件,是一種實用性強,性能優(yōu)越的瀝青路面。
[1] 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.
[2] 公路公程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ052-2000)[S].北京:人民交通出版社,2000.
[3] 伊綏高速公路建設(shè)指揮部.伊綏高速公路指揮部瀝青路面施工技術(shù)指南[R].黑龍江:伊綏高速公路指揮部,2010.
[4] 張肖寧.兩種瀝青混合料的級配與VMA關(guān)系分析.交通標(biāo)準(zhǔn)化,2006,(8):48-50.
[5] 公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南(SHC F40-01-2002)[S].中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公路工程委員會,2002.