浅谈改性沥青混合料SMA的应用

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  SMA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,本文是根据本地区一些工程项目实际应用进行的理解和分析。
  1. SMA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置间断级配的粗集料,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%~0.4%,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,故内摩擦角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能力。
  1.2.2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,从而使混合料具有良好的低温抗裂性能。
  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达到孔隙,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能力,并对降噪音(减少3~5dB),防行车水雾等都有益,从而全面提高了沥青混凝土的路用性能。
  (4)SMA可用于铺筑更薄的面层,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,该结构预估计使用寿命为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,加工和铺筑温度高,生产率低。
  (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。
  2. SMA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,不宜使用回收粉尘,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6.0%,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、矿质纤维或聚合物纤维。
   (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的方法。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。
  3. SMA混合料施工
  SMA混合料施工所用的生产装置、运输车辆、摊铺机与压实机具,,均与传统密级配沥青混凝土相同。但SMA混合料的施工特性与施工工艺具有自身的特点,与传统AC混合料不同,在运输和摊铺过程中,不会出现粗细集料的离析,却容易发生沥青结合料的析漏现象。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时需加入稳定剂纤维。SMA生产流程为:备料——改性沥青生产——沥青混合料生产——混合料运输——摊铺——碾压——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流程。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混合料半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1遍,再静压2~3遍。与普通沥青混合了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,容易占轮;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。混合了达到一定的压实度,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,因改性沥青的年度非常大,会大面积粘起混合了,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,禁止使用漏油机或柴油的压路机。
  (4)碾压达到规定的遍数以后,紧跟着进行平整度检测,发现局部平整度较差的点,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,并用熨平板队接头处预热。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,这样做队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,集料间的嵌挤能力差,在行车荷载作用下矿料间隙率VMA降低空隙率VV变小,导致混合料的稳定性不足。当矿料表面不是很洁净时,同沥青的粘结力较差,一旦受到水损害,沥青膜很容易脱落,当受到外力作用时沥青就会向上迁移乃至泛油。
  4.1.2纤维稳定剂投放方式。
  纤维稳定剂采用人工投料时漏放,也是泛油的重要原因。解决方法是使用专门机械向拌缸投放纤维包,避免漏放现象的发生。
  4.2析漏。
  4.2.1检测方法。
  析漏试验能简单、快速地衡量不同混合料的析漏能力,可用于混合料设计,控制混合料最大沥青含量,从而评价混合料的析漏潜力核材料变化对析漏的影响。
  4.2.2预防措施。
  (1)首先是降低混合料温度,一次至少降低5℃。如降低温度后析漏继续存在,则需要适当降低结合料含量,降低值一般不超过0.2%~0.4%。
  (2)如因纤维稳定剂加入不正常而发生析漏,则应设法加入足量纤维。
  4.3其他注意事项。
  为了防止成品料热量散失并避免滴漏现象发生,应不使用成品储料仓,而是直接将成品料放入卡车,加盖篷布后立即运至摊铺现场。
  5. 结论
  SMA是从国外引入的一种新型路面沥青混合料结构,虽然SMA路面在高温抗车辙、低温抗裂、疲劳抗裂、抗老化、抗水损害、抗滑及耐久性等方面都比传统的AC路面优越,在材料品质和质量控制方面也比AC路面要求高一些,但SMA结构的使用应结合各个国家各自的特点。我国的气候条件比较恶劣,各个地区之间的差别也比较大,加之施工结协、材料、经济条件的限制,完全照搬国外的经验,显然是行不通的,这一点在国内有些地区的试验路上已经表现出来,因此我们必须用科学的态度,从本地区的实际情况出发,探索一条SMA路面应用的新路子。
  参考文献
  [1]沈金安.改性沥青与SMA路面.北京:人民交通出版社,1999.7.
  [2]公路改性沥青路面施工技术规范.JTJ036-98,1998.12 .
  [文章编号]1619-2737(2012)03-22-552
  [作者简介]胡勤兰(1976.3-),女,汉,籍贯:江苏泰州人,职称:工程师,江苏中瑞路桥建设有限公司职员,从事公路工程施工管理工作。
  
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