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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
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