熱拌無纖維SMA-13的配合比設計及應用探索

徐韻淳

[上海浦東路橋（集團）有限公司，上海市201210]

0 引 言

瀝青路面建設已有數百年的歷史，而在我國，瀝青路面從上世紀二十年代首次在上海應用，至今也有近百年的建設歷史。瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）路面是20世紀70年代在德國發明的，由于它的良好高溫穩定性、低溫柔韌性，以及良好的表面宏觀構造而賦予的抗滑性，引起了世界許多國家道路工程人員的關注和興趣。SMA路面于80年代起在西歐得到廣泛應用，美國也于1990年起開始對SMA路面進行試驗研究，我國自1992年國內鋪筑首條SMA道路—首都機場高速公路以來，經過二十多年的發展和應用，我國東部沿海地區，如廣東、浙江、江蘇等經濟發達地區的公路和市政道路路面上應用SMA的比例和規模已經非常大，SMA的生產、施工的技術與能力也非常成熟。

SMA混合料可以認為由兩部分組成：一是由粗細料構成的空間骨架結構；二是由瀝青、礦粉、纖維構成的瑪蹄脂。瑪蹄脂填充骨架的空隙，形成密實結構的瀝青混合料。

由上述組成結構上可以發現：SMA與其它普通瀝青混合料AC類相比，它增加了纖維材料。

不同纖維材料具有不同的性能指標，因此會產生不同的適用性，對于路面性能改進也有不同的側重。在常規SMA混合料中，國內外的通行做法均添加纖維以穩定瀝青。

纖維材料在SMA中所起的吸附、穩定、加筋、分散、增粘作用，均通過改性瀝青實現對混合料的增強。若改性瀝青用量較少時或者性能較差時，纖維所起的增強作用會極大地削減，甚至產生不良作用，例如：

（1）使用木質素纖維時，若瀝青用量不足：集料表面瀝青包裹不嚴密，極易產生早期水損。

（2）使用聚合物纖維時，若瀝青性能較差，其纖維與瀝青馬蹄脂共同形成的次級柔性網架強度不足，不但易變形，而且易形成薄弱界面，使SMA混凝土抗車轍能力極大降低。

（3）纖維生產時投放不及時、投放量不足時，可能引起聚團、泛油，其分散、穩定作用也無從發揮。而目前木質素纖維氣力輸送的添加量波動、聚合物纖維分袋人工投放均使投放時的穩定性、可靠性無法達到令人滿意的程度。

文獻[1]針對常用絮狀木質素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維等在SMA中的應用進行了綜合性能的比較。其研究結果發現：部分礦物纖維強度不足時，完全破碎后，其無法起到纖維在SMA中應有的作用。但此時SMA中最佳瀝青用量約為5.2%～5.5%，較常規的木質素纖維SMA最佳瀝青用量5.7%～6.0%約減少0.5%，其綜合力學性能滿足現行規范[2]要求。

因此，若不使用纖維材料，在使用質量較好的I-D改性瀝青（軟化點≥70℃）的情況下，通過針對性的配合比設計，是可以生產滿足現行規范[2]要求的SMA瀝青混凝土[3]。無纖維的SMA材料減少了纖維投放環節，減少了纖維及瀝青成本，具備十分優異的生產可靠性和經濟性。

現通過無纖維SMA的配合比設計、生產驗證及施工實施，提出了無纖維SMA的配合比設計方法，并進行了試驗段實施驗證，介紹了上海浦東地區在熱拌無纖維SMA-13的配合比設計及生產施工的探索。

1 原材料

1.1 集料與填料

試驗段所用的集料為玄武巖粗集料及石灰石細集料，符合規范[2]的性能與技術要求，使用規格符合S10、S12、S16規格要求。填料為磨細石灰石粉，質量符合規范[2]填料性能與技術要求。

1.2 瀝青

此試驗段所用瀝青為SBS改性瀝青，質量符合規范[2]聚合物改性瀝青I-D的技術要求，且軟化點為73℃。

2 配合比設計

2.1 總體設計思路

（1）通過添加更多的填料和細集料，彌補纖維缺失和瀝青膠結料減少引起空隙率增加趨勢。

（2）通過增加改性瀝青性能及降低拌合施工溫度，提高瀝青膠漿粘聚力，防止施工過程中的瀝青膠漿流淌（析漏）。必要時可添加溫拌劑，以進一步降低施工溫度。

（3）通過緊跟碾壓，增加壓實功，使混合料在略降低施工溫度的條件下被充分壓實。

2.2 配合比設計結果

瀝青混合料級配類型為SMA-13，設計級配范圍與設計合成級配組成見表1所列。

表1 無纖維S MA-13瀝青混合料設計級配范圍與設計合成級配表

合成級配曲線見圖1所示。改性瀝青用量為5.0%（對應油石比5.3%）。

由圖1可知：無纖維SMA-13級配曲線中，通過細集料及填料的用量調整，使通過關鍵篩孔的質量百分率接近級配范圍的上限，以使無纖維SMA-13的空隙率滿足3%～4%的技術要求。

圖1 無纖維S MA-13瀝青混合料合成級配曲線圖

2.3 配合比設計驗證及性能檢驗

上述級配的無纖維SMA-13馬歇爾試件性能指標如表2所列。

表2 無纖維S MA-13瀝青混合料配合比設計檢驗一覽表

由表1可知：無纖維SMA-13瀝青混合料與普通SMA-13瀝青混合料存在一定差異。需要說明的是，規范[2]要求值是對于使用纖維的SMA，而非對于無纖維SMA的要求，本文將其作為參考要求，但非絕對要求值。

首先，由于缺少纖維材料的穩定作用，無纖維SMA的謝倫堡瀝青析漏試驗的結合料損失略超出參考的規范[2]要求值。

但若按排水瀝青路面的相關技術規范[6]，該指標的要求不大于0.8%，可見該指標并非不可突破的。析漏試驗的結合料損失率主要反映瀝青馬蹄脂在混合料的裹覆穩定性，表征的是瀝青混合料在生產、運輸、攤鋪施工過程瀝青混合料是否會發生流淌現象。應通過試驗段驗證，在實施過程中如不發生流淌現象的要求下，析漏指標不應作為限制條件。

其次，由于增加了填料和細集料，空隙率達到了3%～4%的范圍內，但礦料間隙率VMA不可避免地低于規范[2]的要求。

礦料間隙率（Voids in mineral aggregate，VMA）是指瀝青混合料壓實成型試件全部礦料部分以外的體積占試件總體積的百分率[2]。郭桂爽探討了礦料級配、瀝青用量、集料顆粒形狀等對于VMA的影響[7]，明確了：“瀝青用量直接影響到全部礦料部分以外的體積。全部礦料以外的體積主要包含了瀝青和內部空隙，在空隙率一定的情況下，增加瀝青用量，則VMA會明顯增大，反之則會減小”。劉雄偉則在實驗[8]中發現：由于礦物纖維的穩定瀝青效果較差，添加礦物纖維的SMA的VMA指標多數無法滿足17%的指標要求。同濟大學的林繡賢則闡述了：“最小VMA是為了使瀝青混合料有個最小的瀝青含量，以形成合適的瀝青膜，以保持瀝青混合料的耐久性”[9]。

無纖維SMA的情況與使用礦物纖維的情況類似，由于減少了瀝青用量，VMA指標很難達到參考規范[2]要求，但SMA需要合適的瀝青膜厚度以保證耐久性，其它混合料性能指標應達到參考規范[2]要求。

由表2可知：無纖維SMA-13瀝青混合料的穩定度、TSR，以及如圖2所示的動穩定度均滿足規范[2]要求。

圖2 無纖維S MA-13瀝青混合料60℃動穩定度指標檢驗圖示

由圖2可知：60℃動穩定度均大于5 000次/mm，平均值為6 127次/mm，滿足SMA技術要求[2]。

3 試驗段生產與實施

3.1 瀝青混合料生產

瀝青混合料的生產拌和使用一般的間歇式拌合樓。試驗段每盤瀝青混合料拌和量為3 950 kg，填料采用回收粉及石灰石礦粉各50%。生產流程與材料加熱溫度見圖3所示。

圖3 無纖維S MA-13瀝青混合料生產流程與材料加熱示意圖

由于無纖維材料，因此生產過程中瀝青混合料無需干拌，節約生產拌合時間與能耗。濕拌時間不應少于30 s，礦粉應與瀝青同步添加。拌合及出料溫度應為170℃～180℃。

施工工藝目前按常規SMA-13的施工工藝進行,見表3所列。

表3 試驗路碾壓工藝一覽表

3.2 試驗段實施

2021年9月于上海浦東完成該試驗段實施。攤鋪時間為13:00～15:00，天氣多云。

試驗段實施目的：通過試驗段對室內試驗參數進行驗證，包括混合料生產工藝和碾壓工藝的控制等。

根據前述的生產配合比進行生產。經確認，生產工藝參數均能按照既定執行，且能穩定控制。

攤鋪時觀察料車廂底，均無明顯瀝青流淌現象，見圖4所示。

圖4 攤鋪后運料車廂底無流淌現象之實景

圖4表明：無纖維SMA瀝青混合料的謝倫堡瀝青析漏試驗的結合料損失雖然略高于0.1%的參考要求值，但使用了軟化點較高的瀝青膠結料后，其并未出現瀝青馬蹄脂流淌、墜流等現象，證明前述設計思路是可行的。

攤鋪效果及路面表觀狀態見圖5、圖6所示。

圖5 無纖維S MA-13瀝青試驗段實施效果之實景

圖6 無纖維S MA-13瀝青試驗段實施表觀之實景

3.3 試驗段瀝青混合料生產檢驗

試驗段生產的瀝青混合料馬歇爾試件性能指標如表4所列。試驗段路面檢驗結果如表5所列。

表4 無纖維S MA-13試驗段生產瀝青混合料檢驗一覽表

表5 無纖維S MA-13試驗段路面性能檢驗一覽表

由表4、表5可知：無纖維SMA-13在試驗段的實施工藝條件下，壓實度偏低，滲水系數偏高，雖然符合規范[4]要求，但依然具有提升空間。無纖維SMA表面瀝青膠漿不多，可利用膠輪壓路機但不必擔心表面泛油，并增加瀝青路面的壓實效果。

4 經濟性分析

將兩種SMA的原材料配比和生產工藝的參數進行對比，詳見表6所列。其中，改性瀝青按4 000元/t，纖維按4 000元/t，燃油按5 000元/t計。

表6 無纖維S MA與傳統S MA配比參數及生產工藝參數對比一覽表

根據瀝青拌合站實際消耗測算，拌合時間減少10 s，可節省約2 kg燃油[5]。

則生產1 t無纖維SMA混合料：

可節省燃油成本約0.002×5 000=10（元）；

可節省改性瀝青成本約0.7%×4 000=28（元）；

可節省纖維成本約0.3%×4 000=12（元）；

共計可節省成本50元/t，經濟效益顯著。

5 結論

根據上述試驗段實施與數據分析，得到如下結論：

（1）無纖維SMA-13相對于普通SMA瀝青混合料，減少了纖維投放環節，可以省去近10s的干拌時間，節約生產能耗。瀝青用量減少了0.7%左右（普通SMA一般瀝青用量5.7%～5.8%）。雖然略增加了填料及細集料，但SMA整體材料成本下降約50元/t，經濟性顯著。

（2）無纖維SMA-13在部分馬歇爾體積指標（主要指VMA）上沒滿足規范要求，但按目前的配合比設計結果，無纖維SMA在強度及穩定性上滿足路用要求。

（3）本文所設計的無纖維SMA瀝青混合料成功實施試驗段，依賴于生產過程中對級配的精確控制。即無纖維SMA瀝青混合料在配合比設計及生產控制上的要求較普通SMA更高。

（4）從試驗段的實施結果來看：無纖維SMA瀝青混合料的壓實特性發生了一些改變。在后續研發中，可添加溫拌劑增加瀝青混合料的可壓實性能，或增加膠輪碾壓改善壓實效果。

（5）通過SMA的原材料性能調整及配合比設計優化，使SMA瀝青混合料中不使用纖維材料，生產施工工藝與常規SMA保持一致，具備十分優異的生產可靠性和經濟性，在上海浦東的試驗段應用中取得滿意的成果。