改性瀝青SMA路面施工技術應用探討

文/李志鵬、李曉輝

1 研究背景

HS 高速公路第四合同段所在地區冬季寒冷，夏季炎熱，因受到氣候條件、施工工藝、結構設計及原材料質量等的影響，瀝青路面容易出現夏季泛油、擁包及冬季開裂等病害，嚴重影響瀝青路面路用性能和適用壽命。為增強瀝青路面高溫穩定性及低溫抗裂性，本公路第四合同段內以起訖樁號K45+200～K45+700右半幅長度500m 的路段為鋪筑試驗段，試驗段按雙向四車道設計，路面寬7．5m。試驗段路面結構按30cm 厚5%水穩砂礫底基層+18cm 厚6%水穩砂礫基層+油 石比4．5% 的6cm 厚AC-25I 瀝青混凝 土 下 面層+油 石比4．8% 的5cm 厚AC-20I 瀝青混凝 土 中 面層+4cm 厚瀝青上面層設計。

考慮到本公路工程第四合同段交通量大、超載超限多、氣候條件特殊，為防止瀝青路面在運行過程中出現車轍、波浪、擁包等病害，決定采用改性瀝青SMA 上面層。SMA（瀝青瑪蹄脂碎石混合料）粗集料多、礦粉多、瀝青用量少、細集料少，結構呈緊密骨架狀態，既保留了大空隙排水性瀝青路面的良好性能，又增強了結構的耐久性、高溫抗車轍性、低溫開裂性、抗滑耐磨性，使瀝青路面使用壽命大大延長[1]。

2 改性瀝青SMA 路面組成設計

根據改性瀝青SMA 路面實際應用情況及實踐經驗，提升改性瀝青SMA 路面施工質量的關鍵在于原材料質量及配合比設計的控制。

2.1 原材料

根據HS 高速公路第四合同段瀝青路面表層設計要求，應當選用韓國AH-110 重交通路用瀝青為基質瀝青，基質瀝青軟化點檢驗結果為45℃，針入度為118．7（0．1mm），5℃、8cm/min 延度 為53cm，135℃運動粘度不大于3Pa·s。

考慮到瀝青混合料路用性能提升方面的要求，本工程施工合同段還采用SBS 改性瀝青，并以熱塑彈性體4303 為改性劑，將嵌數比控制在30：70，按5%的劑量摻加。SBS 改性瀝青閃點試驗值為345℃，溶解度為99．87%，25℃彈性恢復程度為100%。基質瀝青和SBS 改性材料各項性能參數取值均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）[2]。

粗集料采用HS 材料場自行加工的粒徑10～20mm和5～10mm、含泥量為0．29%、針片狀含量3．7%、壓碎值6．9%的玄武巖；細集料則選用機制砂，礦粉使用石灰礦粉。考慮到粗集料和瀝青材料的粘附性等級僅為三級，為增強原材料的粘附性能，還應摻加2%的消石灰粉和進口的德蘭妮特AS 天然木質纖維。該纖維灰分比為17．9%，pH 值7．4，含水率3．7%，吸油效率是纖維質量的5．6 倍，0．85mm 篩孔的粒度85%，0．425mm 篩孔的粒度65%，0．105 篩孔的粒度25%。按設計比摻加TW-Ⅰ型抗剝落劑，外包裝必須完好，外觀主要呈現為棕黑色液體，pH 值在7．5～8．5 之間，粘結力可達五級，殘留穩定度89．5%，劈裂強度比84．5%。

2.2 配合比設計試驗

根據相關規范要求，本工程試驗段施工前按設計級配所稱取的礦料通過5．8%、6．2%、6．8%三種油石比成型的馬歇爾試件展開馬歇爾穩定度試驗，再進行馬歇爾試件低溫抗裂性、高溫穩定性、水穩性等性能檢驗。

按照設計技術要求及相關規范，在0．8MPa 壓力條件及60℃高溫下進行馬歇爾試件車轍試驗及高溫穩定性能檢驗，動穩定度檢驗結果為10000 次/mm，符合要求。馬歇爾試件水穩性檢驗通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗完成，試驗結果分別為89% 和90．8%，符合相關規范要求。馬歇爾試件低溫抗裂性能通過-10℃及50mm/min 加載速率下的低溫彎曲試驗進行檢驗。試驗結果表明，低溫下試件破壞強度為6．74MPa，破壞應變3．327，破壞勁度2300．5μPa。

結合國內外類似工程施工經驗，改性瀝青SMA 路面施工過程中可能會出現不同程度的泛油問題，影響施工質量和路用性能。所以，本工程配合比設計中縮小了用油量，試驗結果顯示，飽和度比設計飽和度減小3．6%，空隙率比設計值增大1．3%，略微偏離規范要求，但只要再稍微增加用油量，包括空隙率、飽和度等在內的指標均能達到規范要求。試驗段施工結果表明，振動壓路機強振碾壓施工三遍以上不會出現骨料壓碎、集料推移、瑪蹄脂上浮、構造滲水等病害，最佳油石比確定為6%[3]。

3 改性瀝青SMA 路面施工技術應用

3.1 機械配置

HS 高速公路第四合同段瀝青SMA 拌合設備采用進口的Kobold 系列SMA-1119HR32 拌合機械。在施工開始前，通過電腦系統進行全部施工參數的設定與控制，確保混合料連續穩定生產。改性瀝青生產設備是國產XG-140 煉磨式生產設備，待施工現場拌合完成后通過顯微鏡觀察改性瀝青混合料中改性劑的分散程度，保證其分散均勻。攤鋪機選用進口的P6820C全幅式自動找平ABG 攤鋪機；壓路機為進口BW202AHD-2 型雙驅雙振壓路機。根據拌和機實際生產能力及施工現場至拌合廠的運輸距離確定運料車載重量和總運力。考慮到改性瀝青SMA 施工對溫度有較高要求，所以混合料裝車及運輸過程中必須加強溫度控制以防溫度過度散失。為防止供料不足出現攤鋪機等待運料車的現象，本工程采用20t 運料車，攤鋪機前待卸料的運料車至少三輛。

3.2 混合料拌合

在原材料到場并檢驗合格后至拌合前，應加強各類材料的分類管理，基質瀝青和改性瀝青應在至少140℃的溫度下存放，存放時間不能超過7d；進口的德蘭妮特AS 天然木質纖維應在室內架空干燥放置，環境濕度不能超出25%。

按照10～20mm 粗集料：5～10mm 粗集料：機制砂：河砂：礦料：消石灰=54．5：25：5：4：10：1．5 的級配進行改性瀝青SMA 原材料摻加與拌合，拌合完成后進行混合料流值與穩定度等性能檢測。同時，進行改性瀝青SMA 混合料加熱溫度、拌合溫度、最高加工溫度及集料加熱溫度等的控制，保證混合料拌合質量。

3.3 攤鋪施工

采用進口P6820C 全幅式自動找平ABG 攤鋪機一次、勻速、緩慢、連續攤鋪施工，為保證攤鋪施工質量，必須加強攤鋪機和運料車之間的配合，將運料車空擋停置于攤鋪機前10～15m 的位置，并在攤鋪機的推動下前進卸料。待卸料結束后將運料車駛離攤鋪機。考慮到改性瀝青SMA 原材料拌合生產效率較低，為保證攤鋪施工過程的連續性，應將攤鋪速度控制在3～4m/min，這就對攤鋪機械操作人員操作水平提出更高要求。

為增強改性瀝青SMA 路面施工的平整度，本工程攤鋪施工開始前還在攤鋪機兩側分別安裝了1 臺長度17．5m 的浮動基準梁找平裝置，裝置前端安裝2×12 個伸縮性強的滑靴，拖動滑行于下面層并發揮攤鋪施工下基準面的作用。裝置后端安裝2×16 個伸縮性橡膠輪，主要起到基準面作用。攤鋪機自動找平裝置主要根據上下基準面高差進行攤鋪厚度的調整，滑靴式浮動基準梁長度越大越能促進瀝青路面平整度提升[4]。所以，本工程部分路段施工前進行了滑靴式浮動基準梁的改裝，使其長度最長達34m，采用2×12 個滑靴替換原2×16個伸縮性橡膠輪，將瀝青路面攤鋪平整度控制在0．8mm 以內。

為提升瀝青路面最終平整度，還應在攤鋪施工過程中增大夯錘振搗頻率，在較大的夯錘振搗頻率與熨平板的協同作用下，瀝青路面預壓壓實度可達85%以上，使剩余壓實系數大大降低，初壓痕跡得到有效控制。

3.4 碾壓

為解決平整度和密實度之間的矛盾，本工程采用振幅寬、振動力大的振動壓路機按照“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的要求完成初壓、復壓和終壓，將三個階段的碾壓溫度分別控制在150℃、130℃及120℃以上。高頻和低幅的做法能有效提升改性瀝青SMA 路面壓實度，避免損傷石料，保持粗集料良好的棱角性，從而避免大振幅碾壓施工碾壓過度而導致粗骨料壓碎、瑪蹄脂上浮及過碾壓彈簧等現象[5]。

碾壓施工應從待攤鋪路幅低邊至高邊并沿路線縱向進行，相鄰碾壓段重疊距離不少于50cm。初壓施工過程中，為防止因溫度過高而在輪前出現波浪，應保持從動輪始終在后；終壓階段采用光輪壓路機按設計速度碾壓，消除輪痕。對于涵洞、橋梁等連接處及緊急停車帶、匝道等壓路機和攤鋪機難以正常運行的區域，應輔之以人工方式完成碾壓，注意保持改性瀝青SMA 上面層和平緣石平順銜接。

3.5 接縫處理

接縫是影響改性瀝青SMA 路面平整度的因素之一，應盡可能減少接縫的設置。本工程采用攤鋪機全幅施工，不存在產生縱向接縫的可能，保持攤鋪施工過程的連續性，減少橫向接縫的數量。改性瀝青SMA混合料冷卻后硬度非常大，考慮到路面平整度要求，通常采用切割垂面的方法在其材料尚未冷卻前切割成縫。

3.6 施工效果檢驗

本工程每臺班抽屜試驗、篩分試驗、析漏試驗、馬歇爾試驗等均進行2 次，試驗結果詳見下表。

表1 施工效果試驗結果

根據試驗結果，改性瀝青SMA 路面施工現場指標均符合設計及相關規范要求。

4 結語

本工程應用結果表明，改性瀝青SMA 路面施工技術在我國高速公路工程方面的應用才剛剛起步，許多方面缺乏理論研究與相關規范的規定，更缺少實踐經驗可供借鑒，在實際應用中主要面臨各地施工原材料方面的差異、施工環境及氣候條件的差異。為此，必須進行礦料級配、材料性能、設計參數、施工溫度、改性瀝青SMA 混合料壓實度、抽提篩分檢測等方面的深入研究，保證改性瀝青SMA 混合料性能充分發揮。