SMA在太原北中環(huán)橋工程中的應用

吉平云

(太原市市政工程總公司，山西太原 030002)

1 設計背景

北中環(huán)橋是我市第九座跨越汾河的大橋，同時也是全長近50 km快速中環(huán)線上的“咽喉”工程，設計車速達80 km/h，橋面采用鋼箱梁結構。為配合鋼橋結構的柔韌性并確保橋面防水性，設計采用了澆筑式瀝青混凝土下面層+高彈改性SMA-16面層作為大橋的橋面鋪裝層。瀝青瑪脂碎石(SMA)混合料較普通AC混合料孔隙率小、構造深度大、水穩(wěn)定性好，高彈改性瀝青SMA又比普通SMA具有更加良好的高溫性能和優(yōu)異的回彈變形能力。但是因為SMA材料價格高、施工難度大，此種結構的瀝青混合料目前多用于高速公路的路面工程，此前我市市內僅在漪汾橋改造工程中采用SMA-10作為瀝青上面層使用過。

2 設計準備

我試驗室在接到施工方配合比設計委托后，通過市場調查、多配比試驗，結合我市近年來氣候四季溫差偏大的特點及交通負擔日重的狀況，根據現有的資料進行了北中環(huán)橋SMA-16高彈改性瀝青混合料的配合比設計。

3 材料的選用

瀝青混合料的質量理不理想首先要看材料質量滿不滿意。本次設計采用了韓國SK聚合物改性瀝青(I-D)為瀝青原材，輝綠巖作為粗細集料的破碎集料，用木質素纖維作為穩(wěn)定劑，這些原材料從技術參數及經濟性來說都是目前市面上能找到的最適合SMA結構的原材。

3.1 瀝青

本工程采用的高彈改性瀝青是韓國SK能源株式會社生產的I-D型聚合物改性瀝青。SK能源株式會社選用100%的中東產(科威特、沙特)原油，生產高品質的穩(wěn)定的瀝青，其生產銷售的瀝青品質均勻、含蠟量低，這種瀝青不僅最適合路面鋪設，而且是生產改性瀝青的最佳基質瀝青。根據我國JTJ 036-98公路改性瀝青路面施工技術規(guī)范分類，Ⅰ類為SBS類熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青，I-D型適用于炎熱地區(qū)及重交通路段，這是考慮到近年來我市夏季高溫持續(xù)偏高，且鋼橋表面溫度要高于道路路表溫度而定的。我試驗室對施工單位所送來樣檢測后的結果如表1所示。

表1 試驗檢測結果表

對來樣進行瀝青旋轉薄膜加熱試驗表明，其薄膜加熱質量損失平均值為0.17LT(%)，加熱后殘留物針入度比 Kp=65.8%。表2為SMA-16高彈改性瀝青的技術要求表。

表2 SMA-16高彈改性瀝青技術要求

由以上數據可知:該瀝青的性能是完全符合設計要求的。

3.2 粗集料

研究瀝青混合料的路緣性能時，必須在保證集料質量的前提下，再考慮如何控制礦料的級配，如何提高瀝青混合料的性質。SMA混合料中集料的耐沖擊性和耐磨性直接影響到道路開放后的使用功能，所以要求集料巖石必須具有足夠的硬度，以確保能在較長的時間內保持棱角而不被磨損，從而達到道路長期抗滑性能的要求。通過查找大量資料得知:輝綠巖與玄武巖均具有抗壓強度高、耐磨耗(磨光值相差不多)、堅硬的特點，玄武巖比輝綠巖密度略大，兩種巖石的基本性能差別不大。此次北中環(huán)橋采用輝綠巖破碎為集料而未使用玄武巖，主要是根據我市的供料情況，輝綠巖的供料渠道更穩(wěn)定一些，而且其硬度等各項指標也符合規(guī)范要求。有關資料表明:輝綠巖屬于弱堿偏中性石料，壓碎值約為12.2%，能確保混合料在施工過程中以及開放交通后具有足夠的抗壓碎能力;與瀝青的粘附性可達4級，無需摻入瀝青抗剝落劑即可具有良好的抵抗水剝離能力。有關機構通過對輝綠巖瀝青混合料進行馬歇爾試驗測定，并采用高溫穩(wěn)定性試驗模擬瀝青路面抗車轍能力，結果顯示:此種混合料動穩(wěn)定度大、水穩(wěn)定性能好，所以輝綠巖完全可以作為SMA的集料用于瀝青路面施工。表3是SMA-16對粗集料技術性能指標，為了能達到表3的要求，制作集料時應注意必須采用錐式(回轉式)或錘式破碎機進行破碎，以保證集料的棱角性能達到技術要求，減少針片狀顆粒的含量。

表3 粗集料技術性能指標

3.3 細集料及礦粉

細集料在SMA中只占很少的比例(不到10%)，目前都要求采用人工砂，即機制砂。機制砂是采用堅硬巖石反復破碎制成，所以它有良好的棱角性和嵌擠性能，對提高混合料的高溫穩(wěn)定性有好處。細集料的粗糙性或棱角性對SMA的嵌擠作用非常重要，SMA路面要求細集料棱角性不小于45%。

在SMA中礦粉用量比普通瀝青混凝土要多一倍左右，礦粉在瀝青混合料中的作用至關重要。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生粘附作用。在本次設計中我試驗室加入的礦粉材料為石灰石礦粉，其親水系數小于1，與瀝青有良好的粘附性，能很好的將輝綠巖集料與瀝青的粘附性提升至5級以上，以達到設計要求。同時，礦粉的細度也應符合要求，小于0.075 mm的含量應大于75%。

3.4 纖維

SMA混合料的特點是粗集料多、礦粉多、瀝青結合料多、細集料少，加入纖維作為穩(wěn)定劑可以有效地提高混合料的高溫穩(wěn)定性和抵抗埋釘輪胎的磨耗。

本工程采用木質素纖維(MC)作為SMA混合料的穩(wěn)定劑，它是天然木材經過化學處理得到的有機纖維，由于處理溫度高達250℃，在通常條件下化學性能非常穩(wěn)定，不被一般的溶劑、酸、堿腐蝕，還可以增加SMA混合料的抗疲勞性能。

纖維的種類重要，它的摻量選擇更重要:纖維摻量過少會使混合料中瀝青增多，易發(fā)生滴漏，形成油斑;同時還會造成瑪脂有效數量不足，孔隙率增大，降低路面的耐久性能。纖維摻量過多時，會使分散困難，影響生產率，而且如有結團，還會使混合料粘聚力下降，影響路用性能。此外，纖維較多時，混合料中自由瀝青過少，使瑪脂過于粘稠。低溫性增大，降低混合料抵抗低溫開裂能力。本工程使用的纖維摻量為混合料重量的0.3%。

4 混合料級配與性能要求

SMA混合料的結構是一種由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量細集料組成的，由瀝青瑪脂填充間斷級配碎石骨架間隙而成的瀝青混合料，它最基本的組成是碎石骨架和瀝青瑪脂結合料兩大部分。配合比設計的任務就是確定骨架和瑪脂部分各種材料的規(guī)格和比例，以便保證真正形成粗集料骨架，骨架的間隙又恰到好處地填充瑪脂。

秉持這一原則，本工程采用忻州防滑料、鎮(zhèn)城機制砂、柏板礦粉制作的配比如表4所示。

而SMA-16混合料的級配范圍要求見表5。

表4 各材料配比表

表5 混合料級配范圍要求

由以上數據可知該級配符合設計要求，總體比平均最佳級配略細一些。根據該級配做四組配比后得出最佳瀝青含量為5.8%，最佳油石比為6.1%。用該配比制成試件后試件密度為2.453 g/cm3，孔隙率為3.9%，經試驗室在60℃時用輪碾法測得動穩(wěn)定次數為9 270次/mm(三次平均值)。根據SMA-16混合料的性能要求可知，該配比是非常成功的(見表6)。

表6 SMA-16混合料性能要求

根據施工后取樣的試驗結果顯示，施工時成品油石比為5.9%～6.0%，孔隙率為3.7%～3.9%，穩(wěn)定度位于 8.7 kN ～9.6 kN之間，符合SMA的技術要求，說明北中環(huán)橋的高彈改性SMA的配比及施工做得還是很成功的。

5 結語

配合比的成功僅是保證SMA成品質量的第一步，其拌和過程也有很多要點需注意，比如:礦粉必須存放在室內干燥的地方，確保在使用時干燥、不成團;不得使用回收粉塵替代礦粉，因為回收粉塵中含土量大，使用了回收粉的試件車轍試驗的動穩(wěn)定度和馬歇爾穩(wěn)定度都比使用礦粉的低得多等。只有將配比和拌和都控制好才能保證做出真正的SMA混合料，為保證施工質量鋪平道路。

針對現代道路負荷日漸加重、極端氣候頻發(fā)的現狀，SMA這種具有優(yōu)良抗車轍性能和抗滑性能的路面材料優(yōu)勢更加顯著，在城市快速路發(fā)展中的應用前景廣闊。為此，我試驗室將密切關注施工后的道路狀況，分析工后各種現象產生的時間、原因，不斷積累經驗，為今后SMA的配合比設計優(yōu)化、拌和、施工SMA混合料提供充足的技術保障。我們將從技術和管理兩方面入手，為市內各項工程提供優(yōu)質的瀝青混合料及路面成品。

［1］沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，1999：7.

［2］王佳佳.SMA瀝青混合料的配合比設計［J］.中國科技教育(理論版)，2012(4)：20.

［3］JTJ 032-94，公路瀝青路面施工技術規(guī)范［S］.

［4］玄武巖與輝綠巖的區(qū)別［J］.公路與汽運，2005(3)：25.