改性沥青混合料SMA的工程应用.doc

改性沥青混合料SMA的工程应用 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，特别合用于重交通道路。1 SMA性能介绍1.1 SMA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，使其形成互相嵌挤锁结的骨架，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7080； (2)矿粉填料用量达813，粉胶比(矿粉同沥青比)远远超过通常1.2的限制；(3)沥青结合料用量多，高达6.57.0(4)细集料：一般0.075 mm筛孔的通过率高达10；(5)纤维稳定剂占混合料总重的0.34，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的高温稳定性重要取决于内摩擦角值，值重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，4.75 mm9.5 mm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规定。这样，SMA混合料骨料有棱角且表面粗糙，故内摩阻角值大。即使在高温条件下，由于粗集料颗粒之间互相良好的嵌挤作用，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的抗拉能力重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。1.3 SMA的优缺陷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)，充足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)由于有相称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1.52.0mm)，使路面具有很好的抗滑性能，并对降噪音(减少35dB)、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，从而可以减少工程造价。(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102023，仍比传统的沥青混合料结构路面延长寿命20左右。1.3.2 缺陷 (1)约增长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。2 SMA混合料设计2.1 设计原则 对的的SMA混合料的配合比设计是充足发挥SMA优点、修筑高质量的SMA实体工程的前提，设计的重要内容是拟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环节是材料选择。对的把握标准、选择合用的材料是修好SMA路面的关键，除了应严格执行现行规范规定外，SMA混合料对材料尚有一些特别的规定。2.2.1 粗集料(1)粗集料除满足现行规范规定外，尚需考虑其表面粗糙度。(2)粗集料应采用破碎石料，形状抱负、坚硬、针片状颗粒少、抗滑不吸水。(3)粗集料宜所有轧制，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。若所有采用机制砂的确有困难，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)填料不应具有机物质。 (2)填料用量往往高达813，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0.05 mm部分的含量亦不宜太多。2.2.4 沥青(1)当拟定采用改性沥青铺筑路面时，一方面应根据工程所在地的气候、交通及其他特殊使用规定，选择适宜的基质沥青、改性剂类型，根据已有经验初步拟定改性剂剂量，并制备改性沥青进行实验，再根据实验结果拟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(最佳采用改性沥青)。 (3)国内外的经验表白，施工沥青用量应略小于实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6o，那么矿质纤维稳定的同样混合料的沥青含量也许是6.26.4，采用木质素纤维稳定期，沥青含量也许是6.56.7。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、运送、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、运送和摊铺过程中，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。为了吸取稳定沥青，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重要采用马歇尔实验方法。规定马歇尔稳定度不宜低于6.2KN，流值宜为2mm5 mm，矿料间隙率不应小于17，空隙率控制在24，油石比不宜小于6.2，特别提出必须做车辙实验，动稳定度不应低于 1500次mm，同时实验温度相应提高1020。然而，越来越多的研究证实，马歇尔实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。用马歇尔实验方法得到的SMA混合料的油石比是不是最佳值，无法用马歇尔实验性能指标来衡定，在取值上很难界定，有也许满足马歇尔实验指标规定的油石比会显得偏少或偏多。此外，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当是一个合理的范围，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，甚至波动到技术规定的最低值以下。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正交实验方法 正交实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，可以得到满足施工规定的SMA混合料的最佳配合比，而无需用“肯特保法和谢论保法”分别进行飞散实验和沥青析漏实验。与目前国内外普遍采用的马歇尔实验方法相比，具有方法简朴、实验次数少、实验结果可靠等优点。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(62kN)拟定最小沥青用量。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在嵌挤状态。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，可在此后的生产中采用。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重要控制指标，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。在工艺流程中增长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送一摊铺一碾压一保养。3.1 备料 SMA对材料规定非常严格，各种材料进场前后都必须有中心实验室的检查报告。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，通过实验拟定合理的改性剂剂量和适宜的加工温度，制订具体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成一定的细度。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 混合料运送 为防止运送过程中温度下降太快，采用了严格的保温措施，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。混合料的运送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，同时减少运送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，避免因温度下降导致压实困难。碾压程序为先稳压l遍，再静压23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，一是由于改性沥青粘度非常大，容易粘轮；二是轮胎搓揉导致玛蹄脂上浮。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以下基本处在凝固状态，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5kmh。静压完毕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。混合料达成一定的压实度，继续碾压会使玛蹄脂挤压到表面，减少构造深度，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。天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，严禁使用漏机油或柴油的压路机。(4)碾压达成规定的遍数以后，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解决。 (5)横向施工缝采用平接缝，天天开工前用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规定的地方。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，直接运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，以填补大的孔隙。碾压时用6m直尺反复测量接头处的平整度，反复进行碾压，直到平整度满足规定。施工缝解决时间不超过20min，并且先横向赶压，再斜向赶压，然后顺路碾压。 此外，在开工前至少一周铺设长度不小于150m的实验段，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对材料规定很苛刻，特别是对粗集料的外观形状规定应是或接近立方体。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减少，空隙率VV变小，导致混合料的稳定性局限性。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，也是泛油的重要因素。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 析漏实验能简朴、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和材料变化对析漏的影响。4.2.2 防止措施(1)一方面是减少混合料温度，一次至少减少5。如减少温度后析漏继续存在，则需要适当减少结合料含量，减少值一般不超过0.20.4。 (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路面规定高一些，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，加之施工机械、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实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。