SMA13上面层SBS改性沥青配合比优化设计及施工质量控制.docx
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SMA13上面层SBS改性沥青配合比优化设计及施工质量控制
SMA-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）
250
4.09
2.72
10.6
9（1.5）
1149
4.99
2.88
8.8
12（2.0）
5400
7.50
2.61
4.1
回收粉
6（1.0）
305
3.74
2.75
—
9（1.5）
725
4.48
3.77
—
12（2.0）
2262
5.46
2.46
—
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
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）
6.4
8.6
0.9
2.942
2.880
2#（4.75~9.5mm）
4.9
0.2
2.934
2.850
3#（2.36~4.75mm）
0.3
2.913
4#（2.36mm以下）
6.8
2.889
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
77.5
68
40
技术要求
≮60
50—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
2.938
2.936
2.895
2.883
2.688
毛积密度
2.859
2.835
SMA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。
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
2.942
2.880
2.934
2.850
2.913
2.889
德国JRS公司
AB24
安峰山玄武岩
镇江科氏SBS改性沥青
2.996
2.852
2.991
2.845
2.915
2.917
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
16
13.2
9.5
4.75
0.075
合成毛体积密度
VCADMX
油石比
CDE26
1#：
2#：
3#：
4#：
矿粉=40：
32：
5：
13：
10
100
95.4
59.2
28
8.6
2.842
6.2
AB-24
1#：
2#：
3#：
4#：
矿粉=38：
37：
4：
10：
11
100
93.6
65.1
26.9
10.5
2.843
41.3
6.3
OPQ23
1#：
2#：
3#：
4#：
矿粉=33：
41：
2.5：
12.5：
11
100
94.06
62.8
26.6
10.3
2.842
41
6.3
（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（%）
CDE26
2.589
2.488
3.9
17.5
77.7
42.04
AB-24
2.572
2.469
4.0
18.2
78
OPQ23
2.611
2.482
4.2
技术要求
3-4.5
>17.0
75-85
（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）
CDE26
98.3
5.4
1.11
基本不渗水
AB-24
98.8
5.2
1.02
基本不渗水
OPQ23
99.8
4.9
1.0
基本不渗水
技术要求
≥98
3.5-6
0.8-1.2
≯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。
3、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
A
B
C
级配范围
目标配合比
31：
53.5：
0：
4：
11.5：
31：
50：
0：
7.5：
11.5
31：
47：
0：
11：
11
矿料级配
16
100
100
100
100
13.2
93.34
93.34
93.34
90~100
9.5
68.39
68.49
68.58
50~75
4.75
22.48
25.54
28.16
22~32
2.36
15.56
18.94
21.81
16~27
1.18
14.48
16.91
18.84
14~24
0.6
13.64
15.34
16.51
12~20
0.3
12.9
13.94
14.49
10~16
0.15
12.04
12.62
12.72
9~13
0.075
10.29
10.52
10.33
8~12
合成毛体积密度γsb
2.841
2.842
2.845
4.75mm以上粗集料毛体积相对密度Pca
2.861
2.861
2.861
4.75mm以上粗集料松方相对密度ρs
1.658
1.670
1.667
VCADRC
42.1
41.7
41.8
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：
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VCAmix
6.0
2.601
2.456
5.6
18.4
69.9
40
6.3
2.590
2.473
4.5
18.2
75
39.6
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
6.03
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1-18
0-6
0-3
0-15
0.075
生产级配
100
93.0
62.8
26.6
20.0
17.5
15.5
13.8
12
10
实测级配
100
94.6
62.9
26.1
20.5
18.8
16.7
14.4
12.8
9.4
马歇尔试验结果
理论密度（g/cm3）
实测密度（g/cm3）
空隙率（%）
饱和度（%）
矿料间隙率（%）
稳定度（KN）
流值0.1mm
VCAmin（%）
VCADRC（%）
2.597
2.463
5.2
71.2
18.0
10.44
38.3
40.3
41.7
要求
3-4.5
75-85
≮17.0
≮6.0
20-50
≯VCADRC
线外小型试铺检测结果：
马歇尔密度压实度（%）
最大理论密度压实度（%）
空隙率（%）
构造深度（mm）
渗水系数ml/min
外观
实测
99.6
95.1
4.9
1.1
基本不渗水
无石料压碎现象无玛蹄脂上浮现象
要求
≥98
94-96.5
3.5-6
0.8-1.2
≯50ml/min
碾压方案
初压
复压
终压
强振1遍
强振2-3遍
静压1遍
从以上结果可以看出，马歇尔试验空隙率和饱和度不能满足指导意见要求，但小型试铺各项指标都符合指导意见要求，而且振动压路机强振3遍以上无推移现象，无石料压碎现象，也无玛蹄脂上浮现象，并且构造深度在1.1mm时路面也不渗水，所以我们认为：
1#：
2#：
3#：
4#：
矿粉=40：
40：
2：
8：
10，油石比6%的配合比设计合理，可以用于主线试铺。
4、设计检验：
我们委托江苏省科研院按上面生产配合比拌和的混合料进行了性能检测。
（1）、水稳定性检验
马歇尔稳定度（KN）
浸水马歇尔稳定度（KN）
残留稳定度（%）
要求
9.56
8.81
92.2
≥85%
条件劈裂抗拉强度（MPa）
非条件劈裂抗拉强度（MPa）
强度比（%）
要求
0.5841
0.6598
88.5
≥80%
（2）、高温性能检验（60℃）
动稳定度（次/mm）
要求
变异系数（%）
要求
1
2
3
平均值
3938
4846
4325
4370
>3000
10.4
<20%
（3）低温小梁弯曲试验
最大荷载（KN）
跨中挠度（mm）
抗弯拉强度（MPa）
劲度模量（Mpa）
破坏应变（με）
1298.9
0.6152
10.603
3230.0
3385.9
三、SMA-13混合料的拌和
1、拌和温度：
沥青加热温度170℃-175℃，由于大量冷矿粉的掺入，集料加热温度在210-220℃，混合料出厂温度为180-190℃。
出厂温度由试验室安排专人检测，发现温度不在此范围及时给拌和楼反馈。
2、拌和时间和拌和数量：
拌和流程图
②
①①
③
骨料进入拌缸的同时，木质素也进入拌缸，开始干拌，几秒后，矿粉和沥青进入拌缸，在沥青放完8秒后，矿粉放完，同时拌缸计时开始，从放骨料到拌缸开始计时约23秒，总生产时间66秒，每小时拌和产量147t。
3、木质素纤维填加方式，人工将木质素纤维投入纤维填加设备中，利用机械将纤维打碎，再利用空压机将打碎的纤维吹入拌缸和骨料、矿粉、沥青一起搅拌均匀，木质素纤维填加数量为沥青混合料总重量的0.3%。
4、抗剥落剂填加方式，根据沥青储罐中沥青的数量，按沥青质量的0.4%投入热熔沥青中，用强制搅拌法使抗剥离剂渗配均匀。
5、由于2#料中含有13%左右的3#料，而SMA-13路面3#料需求量相当少，3#料过多会造成路面碾压过程中推移，所以在生产过程中有40%×13%—2%=3.2%的3#料溢料，由于3#料溢料，就需预备装载机及时清掉废料仓中的3#料。
6、细集料一定要搭棚覆盖以免受潮，因为SMA混合料需要的细集料非常少，不超过15%，所以冷料仓的斗门开启度很小，如果细集料遭雨淋，就会造成集料干湿程度不同，遇到湿料时下得慢遇到干料时下得快，这样会严重影响4.75mm的通过率控制的精度，另外1#料和2#料用量大，我们各设置两个冷料仓供料。
四、SMA-13混合料的运输
SMA-13混合料的运输应注意以下几个问题：
1、要采用大吨位的运输车运输，运输前在车厢及重板上喷洒一层油水混合物，使混合物不致与车厢粘结。
2、在任何情况下，运输车在运输过程中都应加盖蓬布，以防表面混合料降温结硬壳，我们采用的是两层蓬布之间夹一层棉被，并在摊铺过程中也不揭蓬布，施工效果非常明显，温度对照见后。
3、要及时清掉运料车剩余的残留物。
4、到场温度要控制在180℃以上，前场安排专人检测到场温度，发现温度低于此要求也及时反馈到拌和楼。
五、SMA-13混合料的摊铺和碾压
我项目分别于6月14日、6月16日和6月19日做三次试铺段，下面简要介绍一下三次试铺的情况。
1、K24+680—K24+940右幅
配合比：
振动筛1#（12-20mm）：
2#（5-12mm）：
3#（3-5mm）：
4#（0-3mm）：
矿粉=41.5：
38：
2：
8：
10.5油石比：
6.0%，4.75mm通过率25%，摊铺速度：
2.3m/min，混合料到场温度182℃，采用单层蓬布覆盖，摊铺时揭开蓬布，摊铺完温度163℃，松铺系数1.15，松铺厚度4.5cm，熨平板振级5级，夯锤振级4级，纵缝处两机搭接宽度35cm,厚度控制采用18m长接触式平衡梁，碾压方案：
两台DD—110成梯队来回强振2遍，两台酒井来回强振1遍，静压1遍，在碾压一开始，靠中央分隔带一侧的DD—110先骑纵缝来回强振一遍，并保证纵缝处要多碾压1遍，使纵缝接缝美观并且不渗水。
混合料试验结果:
（马歇尔空隙率范围放宽为3%-5%）
油石比
（%）
马氏密度（g/cm3）
空隙率
（%）
矿料间系率（%）
饱和度
（%）
粗集料骨架间隙率（%）
6.17
2.468
5.0
17.9
72.1
40.2
6.0-6.3
3-5
≮17
75-85
<41.7
矿料级配
16
13.2
9.5
4.75
2.36
0.075
100
93.7
62.8
25.9
20.4
10.4
100
90-100
50-75
22-32
16-27
8-12
路面检测结果:
平整度
（mm）
马氏压实度（%）
理论压实度（%）
路面空隙率（%）
构造深度（mm）
渗水系数
0.44
99.9
94.9
5.1
1.2
正常路段不渗水
<0.8
≥98
94-96.5
3.5-6
0.8-1.2
≯50ml/min
外观
无石料压碎现象，无玛蹄脂上浮现象。
存在问题：
下面一些部位存在不同程度的渗水现象
（1）两摊铺机接缝左右各50cm范围内。
（2）靠近路缘石50cm范围内直渗
（3）靠近路肩50cm范围内直渗
（4）摊铺机中间部位
（5）摊铺机拢料摊铺的部位
分析：
（1）、
（2）、（3）是因为螺旋布料器把混合料从摊铺机中间输送到两侧，造成料温降低较多,.约差8℃,另外由于平衡梁的影响使压路机不能及时碾压两方面因素的影响造成该处渗水,（4）是因为固定螺旋布料器的支架挡料造成级配离析。
（5）是因为拢料的料温低，而且级配也存在离析，造成摊铺后渗水,另外，由于摊铺速度慢，温度散失快，造成整体空隙率高。
2、第二次试铺K24+010—K24+680
由于路面空隙率5.1%，构造深度1.2mm，我们对级配进行了微调，4.75mm通过率在25—26之间，配合比1#：
2#：
3#：
4#：
矿粉=42：
37：
2：
9：
10，油石比6.1%，另外，上午提高摊铺速度到3m/min，尽量缩短两个摊铺机距离以保证纵缝处能尽可能早碾压，另外又调来一台德国产12t戴纳派克振动压路机增大压实功，缩短有效压实时间。
碾压方案：
两台DD—110并列强振2遍，戴纳派克强振1遍，洒井静压1—2遍。
混合料试验结果:
油石比
（%）
马氏密度（g/cm3）
空隙率
（%）
矿料间系率（%）
饱和度
（%）
粗集料骨架间隙率（%）
6.17
2.471
4.7
17.8
73.6
40.2
6.0-6.3
3-5
≮17
75-85
<41.7
矿料级配
16
13.2
9.5
4.75
2.36
0.075
100
92.5
62.2
26.4
20.3
9.4
100
90-100
50-75
22-32
16-27
8-12
平整度
马氏压实度（%）
理论压实度（%）
路面空隙率（%）
构造深度（mm）
渗水系数
0.47
99.5
94.8
5.2
1.1
正常路段不渗水
<0.8
≥98
94-96.5
3.5-6
0.8-1.2
≯50ml/min
外观
无石料压碎现象，无玛蹄脂上浮现象。
第一次试铺的几个渗水部位虽然有所好转，但依然存在渗水现象。
3、第三次试铺K23+417—K24+010
从前两次试铺可以看出，要想提高路面整体空隙率，改善几处薄弱环节的渗水情况只能是
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