SMA路面设计与施工工艺控1.docx

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SMA路面设计与施工工艺控1

SMA路面设计与施工工艺控制

王德元周宏云余坚李建平湖北省襄十高速公路建设指挥部

摘要:

SMA路面是一种新型沥青路面结构,在长大纵坡、小弯半径多,桥涵结构物密集、冬天雨雪多且气温低气候恶劣

等的山岭重丘区,通过对SMA混合料配合比精心设计、施工工艺过程有效监控,充分发挥SMA路面结构的优势,提高路面的

高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性,进而提高路面的耐久性、抗滑性等路面功能。

有效地解决湖北省西北部山区高速公路建

设中普通沥青混凝土无法解决的难题。

关键词:

山岭重丘区;长大纵坡;小弯半径;SMA路面设计;施工工艺控制

1工程概况

湖北省襄十（襄樊市~十堰市）高速公路是西部

开发大通道武汉至银川高速公路的重要组成部分,

它连接鄂西北重镇襄樊、十堰两市,是我省第一条山

岭重丘区高速公路。

襄十高速公路总建设里程155.

9km,襄樊市郜营至谷城县段和襄荆~汉十连接线

约70km,采用平原微丘区高速公路标准修建;谷城

县段至武当山段约59km,采用山岭重丘区高速公

路标准修建,设计行车速度80kmh,路基宽度24.

5m,双向4车道,全封闭全立交,路面结构设计为

沥青混凝土路面。

其中K374+623~K382+009段

地形复杂,主要表现在长大纵坡、小弯半径多、桥涵

结构物密集等,在高温条件下,车辆轴载大,在上坡

路段车速缓慢,沥青混合料的抗剪切能力急剧下降

而容易形成车辙;下坡路段要考虑抗滑功能要求;同

时考虑到该路段冬天雨雪多且气温很低,经襄十高

速公路建设指挥部与设计单位共同研究决定该路段

表面层采用SMA-13路面。

2SMA路面的功能特性:

沥青玛蹄脂碎石（SMA）是一种由沥青、纤维稳

定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充

间断级配的粗级料骨架间隙组成一体的沥青混合

料。

2.1高温稳定性

在SMA的组成中,矿料是间断级配,粗集料占

到70%以上,粗集料之间有良好的嵌挤作用,沥青

混合料产生非常好的抵抗荷载变形的能力,即使在

高温条件下,沥青玛蹄脂的粘度下降,对这种抵抗能

力的影响也不会减小,有较强的高温抗车辙能力。

2.2低温抗裂性

SMA使用较多的矿粉（10%左右）,沥青用量多

6.2%左右,同时使用纤维稳定剂,由此组成沥青马

蹄脂包裹在粗集料表面,充分填充集料间隙,在温度

下降、混合料收缩变形时,马蹄脂有较好的粘结作

用,它的韧性和柔性使混合料有较好的低温变形性

能。

2.3水稳定性

SMA混合料的内部空隙率很小（4%左右）,混

合料在压实状态下很少或几乎不渗水,再加上马蹄

脂和集料的粘结好,SMA混合料的水稳定性较普通

AC、AM和AK结构有较多的改善。

2.4良好的耐久性

SMA的混合料内部被沥青马蹄脂充分填充,空

隙率小,沥青与空气接触少,因而沥青混合料的耐老

化性能好,其较密级配沥青混凝土有良好的耐久性。

2.5路面的表面功能

由于采用坚硬的、耐磨的优质石料（玄武岩）,矿

料级配采用间断级配,粗集料含量高,碾压后表面形

成大的空隙,因而构造深度大,使雨天高速行车下不

易产生水漂,抗滑性能提高,同时雨天的交通不会产

生大的水雾和溅水;SMA路面的密水性好,对下面

的沥青层和基层有较强的保护作用,使路面能保持

较高的整体强度和稳定性。

3SMA-13混合料的配合比设计

3.1原材料选择

（1）沥青:

采用湖北省鄂州科氏公司生产PG76

-22的SBS改性沥青,其质量技术性质表1。

—30—国外建材科技2004年第25卷第1期表1沥青质量技术指标

试验项目技术标准试验结果

针入度（25℃,100g,5s）（0.1mm）40~7570.9

针入度指数PI>-0.20.293

延度（5℃,5cmmin）cm≥3050.6

软化点TR&B℃>7076.5

闪点℃>230330

溶解度%≥9999.8

旋转粘度（135℃）（Pa·s）<31.86

旋转薄膜烘

箱试验（163

℃,85min）

质量损失%≤0.10.06

针入度比%≥6568.3

延度（5℃）cm≥2031.1

（2）粗集料:

采用湖北省京山县三阳石料场生产

的玄武岩碎石,分三档为1#料（16~9.5mm）、2#料

（9.5~4.75mm）、3#料（4.75~2.36mm）,其质量

技术指标见表2。

表2粗集料质量技术指标

试验项目技术标准试验结果

压碎值%≤2515.7

洛衫叽磨耗%≤2813.5

粘附性等级≥4级5级

坚固性%≤1210.7

视密度（g·cm-3）≥2.6

1#:

2.955

2#:

2.931

3#:

2.918

细长扁平颗粒含量%≤157.5

含泥量%≤10.4

软石颗粒含量%≤10.6

（3）细集料:

采用湖北省京山县三阳石料场生产

的玄武岩石屑和机制砂4#料（<2.36mm）,其质量

技术指标见表3。

表3细集料质量技术指标

试验项目技术标准试验结果

视密度（g·cm-3）≥2.52.948

坚固性%≤127

砂当量%≥6065

（4）填料:

采用老河口市宝石水泥厂生产的石灰

石矿粉,其质量技术指标见表4。

表4矿粉质量技术指标

试验项目技术标准试验结果

视密度（g·cm-3）≥2.52.697

含水量%<10.2

粒

度

范

围

%

<0.6mm100100

<0.15mm90~10094.2

<0.075mm75~10087.9

外观%无团粒结块无团粒结块

亲水系数<10.6

（5）纤维稳定剂:

采用德国CFF公司生产的

TOPCEL絮状木质素纤维。

其主要质量技术指标见

表5。

表5TOPCEL絮状木质素纤维质量郊术指标

试验项目技术标准试验结果

灰分含量%18%±5%,无挥发物17.5

pH值7.5±1.08

吸油率%不小于纤维质量的5倍4.6

含水率%<54.6

3.2SMA混合料目标配合比设计

参照《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》

SHCF40-01-2002的设计原则和步骤,采用马歇

尔体积设计方法以空隙率指标（4.0%）来进行最佳

沥青用量的确定。

调整各矿料比例设计3种粗细不

同的级配,三种级配的4.75mm通过率分别为中

值、中值±4%,其矿粉数量相同,使0.075mm通过

率为10%左右（见表6和图1）。

表6集料筛分与合成级配

SMA-13集料筛分与合成级配

筛孔尺寸1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075掺配比例%掺配比例%掺配比例%

1#料10083.424.60.60.60.60.60.60.60.6474248

2#料10010098.79.80.60.60.60.60.60.6293032

3#料1001001009841.423.612.16.13.51.56100

4#料10010010010097.879.857.433.120.510.48810

矿粉10010010010010010010098.693.388.2101010

级配上限1001007534262420161512

级配下限1009050201514121098

级配中值1009562.52720.51916131210

合成级配110092.264.227.020.818.315.813.211.610.2100

合成级配210093.067.931.022.419.216.213.611.810.2100

合成级配310092.063.423.420.318.516.213.711.910.3100

—31—国外建材科技2004年第25卷第1期图1SMA-13合成级配曲线图

根据规范规程要求采用捣实法测定大于

4.75mm粗集料的松方密度并计算捣实状态粗集料

骨架的间隙率见表7。

表7捣实法试验结果

蕉配类型

粗集料的毛

体积密度

（g·cm-3）

粗集料的捣

实松方密度

（g·cm-3）

骨架间隙率

（VCADRC）%

合成级配12.9101.71141.2

合成级配22.9191.69641.8

合成级配32.9161.65943.1

应用马歇尔试验检测方法对3种合成级配进行

试验,试验结果如表8。

表8马歇尔试验结果

试验项目技术要求合成级配1合成级配2合成级配3

初试油石比%6.06.06.0

纤维掺量‰3.03.03.0

马歇尔试件击实次数次双面击实50双面击实50次

毛体积密度（g·cm-3）2.5282.5332.508

最大理论密度（g·cm-3）2.6462.6442.649

空隙率VV%3~44.54.25.3

矿料间隙率VMA%17.017.317.218.0

粗集料骨架间隙率（VCAmix）≤VCADRC40.143.437.4

沥青饱和度VFA75~8574.275.670.4

稳定度≥68.598.348.09

根据以上试验结果及选择VCAmix

VMA>17%的要求作为设计级配,选择级配1作为

目标配合比设计级配。

再以初试油石比的0.2%间

隔6.0%、6.2%、6.4%进行马歇尔试验,确定6.2%

为最佳油石比,试验结果见表9。

表9SMA混合料试验结果

试验项目技术要求试验结果

最佳油石比%6.2

纤维掺量‰3.0

马

歇

尔

试

验

马歇尔试件击实次数次双面击实50双面击实50

毛体积密度（g·cm-3）2.537

最大理论密度（g·cm-3）2.640

空隙率VV%3~43.9

矿料间隙率VMA%>17.017.3

粗集料骨架间隙率（VCAmix）≤VCADRC40.1

沥青饱和度VFA%75~8577.6

稳定度kN≥69.65

谢伦堡沥青析漏试验%≤0.10.06、0.08

肯塔堡飞散试验%≤1510.3

车辙试验（次·mm-1）>30005983、6130

浸水马歇尔试验%≥8084.3

冻融劈裂残留强度比%≥8090.8

构造深度mm0.8~1.51.1

渗水系数（mL·min-1）<20基本不渗水

3.3生产配合比设计

根据目标配合比确定各冷料仓的出料比例,然

后对热料仓的集料进行单仓筛分,确定生产配合比

合成级配。

在确定各单热料仓的掺配比例时,注意以

下两个问题:

（1）生产配合比合成级配曲线尽量和目

标配合比合成级配曲线一致,特别是关键筛孔

4.75mm和2.36mm的通过率要相近;

（2）同时结

合沥青拌和楼的筛网和筛孔布置情况,各单热料仓

的掺配比率应协调,避免出现严重的溢料或等料现

象,生产配合比设计结果见表10、表11、图2。

表10集料筛分与合成级配

SMA-13集料筛分与合成级配

筛孔尺寸1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075掺配比例%

2#仓10087.51710.40.20.20.20.20.241

3#仓100100946.30.40.30.30.30.30.333

4#仓10010010094.912.91.71.51.41.31.26

5#仓10010010099.596.168.846.530.118.88.69

矿粉10010010010010010010098.593.481.811

级配上限1001007534262420161512

级配下限1009050201514121098

级配中值1009562.52720.51916131210

合成级配110094.964.028.120.717.515.513.712.210.0100

—32—国外建材科技2004年第25卷第1期图2SMA-13合成级配曲线图

表11SMA混合料试验结果

试验项目技术要求试验结果

最佳油石比%6.2

纤维掺量‰3.0

马

歇

尔

试

验

马歇尔试件击实次数次双面击实50双面击实50

毛体积密度（g·cm-3）2.541

最大理论密度（g·cm-3）2.642

空隙率VV%3~43.8

矿料间隙率VMA%>17.018.2

粗集料骨架间隙率（VCAmix）≤VCADRC（42.0）41.2

沥青饱和度VFA%75~8579.6

稳定度kN≥69.27

谢伦堡沥青析漏试验%≤0.10.05、0.08

肯塔堡飞散试验%≤159.5

车辙试验（次·mm-1）>30005853、6210

浸水马歇尔试验%≥8090.0

冻融劈裂残留强度比%≥8085.1

构造深度mm0.8~1.51.0

渗水系数（mL·min-1）<20基本不渗水

3.4SMA混合料的试拌和试铺

主要施工机械设备:

（1）沥青拌和楼1套（意大利玛莲尼3000型）

（2）50装载机6台

（3）沥青摊铺机—ABG4231台

（4）钢轮压路机:

CC5222台、HD1102台

（5）运输车（15t以上）25台

通过试验路段的试铺,从沥青拌和站到现场混

合料的摊铺碾压,施工组织和整个施工工艺安排都

很合理,经对沥青混合料和试验路段的试验检测（表

12、表13）都能满足相关技术指标要求,因而具备正

式生产的条件。

表12SMA混合料试验结果

试验项目技术要求试验结果

油石比（燃烧法）%6.25

纤维掺量‰3.0

马

歇

尔

试

验

马歇尔试件击实次数次双面击实50双面击实50

毛体积密度（g·cm-3）2.538

最大理论密度（g·cm-3）2.642

空隙率VV%3~43.9

矿料间隙率VMA%>17.018.3

粗集料骨架间隙率（VCAmix）≤VCADRC（42.0）41.2

沥青饱和度VFA%75~8578.5

稳定度kN≥68.07

谢伦堡沥青析漏试验%≤0.10.05、0.03

肯塔堡飞散试验%≤159.5

车辙试验（次·mm-1）>30005953、5764

浸水马歇尔试验%≥8087.0

冻融劈裂残留强度比%≥8084.1

表13试验路段检测结果

桩号最大理论密度

（g·cm-3）

毛体积密度

（g·cm-3）

空隙率VV

%

压实度

%构造深度渗水系数

K377+490右幅2.6502.5354.395.71.2基本不渗水

K377+560右幅2.6502.5304.595.51.0基本不渗水

K377+785右幅2.6502.5424.195.91.26基本不渗水

注:

压实度是以真空法最大理论密度仪测得最大理论密度（gcm3）来控制的,控制在94%~97%之间。

松铺系数为1.19。

4施工工艺的控制

4.1SMA沥青混合料的拌和

（1）SMA沥青混合料的拌和采用意大利玛莲尼

3000型间歇式拌和机,产量240~260th。

（2）絮状木质素纤维稳定剂采用机械利用风送

式将纤维分散,再吹入拌和锅里。

拌和时间控制为干

混合的拌和时间为15s,保证集料和木质素纤维充

分混合,湿混合时间为35s,保证混合料拌和均匀。

（3）温度控制:

沥青加热温度控制在170℃左

右;集料的加热温度控制在185~195℃左右,且保

证矿质集料的温度在整个生产过程中保持基本恒

定;沥青混合料的出场温度控制在170~185℃,派

专人对沥青混合料出场前的温度检测和加盖帆布覆

盖。

如发现温度超过195℃或花白等异常混合料给

予废弃。

（4）逐盘打印出混合料各热料仓集料用量、沥青

用量和绘制油石比波动图。

4.2SMA沥青混合料的运输

（1）整个施工过程以摊铺机为中心,根据摊铺机

的工作情况决定运输车辆的数量,保证摊铺机能连

续均匀不间断地铺筑,避免车辆过多,而使SMA沥

—33—国外建材科技2004年第25卷第1期青混合料温度降低。

（2）所有运输车辆均采用帆布覆盖。

（3）运料车在离摊铺机50~80cm左右时以空

挡停车,使其由摊铺机推动前进,严禁运料车撞击摊

铺机,以确保摊铺的平整度。

4.3SMA沥青混合料的摊铺

（1）采用一台拼装宽度10.5m的ABG423型

摊铺机摊铺。

（2）在摊铺上面层时,摊铺机安装浮动式基准梁

与熨平板的自动控制传感器结合控制混合料的摊铺

标高和平整度。

（3）摊铺机的摊铺速度应与沥青混合料拌和楼

产量相协调,保证摊铺机匀速不间断摊铺。

（4）摊铺过程中,安排专人及时检查铺筑厚度和

外观质量,发现松铺厚度不够、局部离析、拖痕等问

题及时趁高温进行处理。

4.4SMA沥青混合料的压实

（1）混合料的碾压按初压、复压、终压3个阶段

进行,以“高温、紧跟、高频、低幅”为原则。

（2）用2台CC522双钢轮振动压路机碾压,紧

跟摊铺机后由边缘向中央分隔带方向碾压,振动碾

压4遍,轮迹的重叠宽度以20cm为宜。

（3）终压采用2台HD110双钢轮压路机静压,

各1遍相邻碾压重叠13~12碾压轮宽度,消除轮

迹,提高平整度。

（4）压路机起步、刹车要缓慢,严禁在新摊铺层

上转向、调头或停机。

（5）温度控制:

①初压温度:

不低于160℃;②复

压温度:

不低于140~130℃;终压温度:

不低于120

℃。

5现场成品路段的检测:

（见表14）

表14成品路段检测结果

桩号最大理论密度（g·cm-3）毛体积密度（g·cm-3）空隙率VV%压实度%构造深度渗水系数

K378+100右幅2.6502.5204.995.11.1基本不渗水

K378+500右幅2.6502.5304.595.51.07基本不渗水

K379+200右幅2.6482.5254.695.41.2基本不渗水

K379+700右幅2.6482.5234.795.31.15基本不渗水

K380+900左幅2.6522.5374.395.71.03基本不渗水

K381+500左幅2.6522.5424.895.21.0基本不渗水

注:

压实度以真空法测得最大理论密度（gcm3）来控制,现场压实度控制在94%~97%之间。

为了减少对成品路段的破坏性检测,所有取

芯地点匀在标线处,并及时进行填补。

6结语

（1）我国现行的改性沥青技术标准《公路改性沥

青路面施工技术规范》（JTJ036）的改性沥青分级主

要以改性沥青的针入度为依据,而针入度只说明

25℃时的稠度,不能代表其高温和低温特性,这样就

有可能将具有不同温度和性能特性的沥青划分为同

一等级。

如:

A和B两种沥青在25℃时具有相同的

稠度,但在高温和低温时,它们的稠度明显不同,而

因为25℃的稠度相同,我们将它们划为同一级,并

想象它们在热和冷的气候下有相同的性能特性。

我

们可以参考美国SUPERPAVE性能（PG）分级沥青

胶结料规范,它取代在固定温度进行试验而改变规

定值的作法,采用规定值固定不变,而用于获得此规

定值的试验温度变化的范围。

针对具体工程项目,结

合所在地的气候等诸多条件选择适宜的沥青品种。

（2）矿质集料特性（认同特性和料源特性）对沥

青混合料性能至关重要,对其重视程度应与沥青性

能指标同等,它们都是混合料质量好坏的根本,严格

控制原材料的质量,把好源头关。

（3）对SMA路面的设计方法建议可以考虑一

下用SUPERPAVE沥青混合料设计方法。

马歇尔

法的冲击压实没有模拟实际路面形成的混合料的压

密状况,而且马歇尔稳定度不足以评估HMA的抗

剪强度,这两种情况使其难以保证设计混合料的抗

车辙能力。

SUPERPAVE沥青混合料设计方法的旋

转压实仪（SGC）是柔性路面在荷载作用下的机械模

拟,通过旋转压实仪（SGC）成型的试件得出的压实

数据（空隙率、级配曲线、最佳沥青用量等）更具合理

性。

（4）加强对沥青混合料拌和站的管理:

①原材料

（沥青和碎石）的质量管理;②沥青混合料（合成级

配、油石比、配合比设计和检验指标）性能指标跟踪

检测,对冷料仓的下料比例、热料仓的下料比例和单

热料仓的集料筛分情况定期检查,确保出场沥青混

合料是合格产品。

（5）整个施工工艺过程以“摊铺机为中心、温度

为主线、碾压工艺为关键”。

参考文献

[1]《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》SHCF40-01-

2002.

收稿日期:

2004-02-08.

王德元:

工程师;襄樊,湖北省襄十高速公路建设指挥部.

—34—国外建材科技2004年第25卷第1期