论 SMA混合料配合比设计

仇晓东

　　（一）SMA路面在国外的研究与应用

　　沥青玛蹄脂碎石（Stone Mastic Asphalt，简称SMA）路面，产生在20世纪60年代的德国。当时为了抵抗带钉轮胎对路面的磨耗而在浇筑式沥青混凝土的基础上增加碎石用量而发展起来的，以后逐渐推广应用到高速公路和城市道路。后来尽管不再使用带钉轮胎，但是因为SMA路面抗滑、抗车辙等优良性能，以后逐渐在高速公路、重交通道路、红绿灯交叉口、机场跑道、桥梁铺装、车站与码头的货物装卸区等广泛应用。1998年德国在ARS35/ 98中规定，SMA可以应用于任何等级的公路。

　　欧洲许多国家，例如荷兰、瑞典、挪威、捷克等铺筑了相当数量的SMA路面。法国、西班牙也开发了与之相似的BBM路面，EAPA为了推广SMA技术，于1998年出台了SMA设计草案。欧洲一些国家在自己研究和应用的基础上，分别提出了各自的设计规范或者指南。

　　（一）     SMA混合料的特性

　　  SMA混合料为间断级配，粗集料多，细集料少，矿粉用良多，沥青用量也多。粗集料颗粒石接触，形成骨架结构。由沥青矿粉和纤维组成的玛蹄脂填充其空隙，成为一种密实结构的沥青混合料。

　　SMA路面使用的实践表明，它与传统沥青路面相比较，具有以下特点：

　　1 优良的高温稳定性

　　SMA混合料由于粗集料石—石接触形成骨架结构，能够支承车轮荷载，并将荷载传递至下层路面，路面能够承受大的车轮荷载而不大容易产生挤压变形，始终保持良好的平整度，表现出优良的稳定性。

　　2 良好的耐久性

　　SMA混合料粗集料所形成的大空隙由沥青、矿粉和纤维组成的玛蹄脂所填充，成为密实结构，空隙率小，集料颗粒表面的沥青膜厚，不仅使混合料具有很好的耐疲劳性能，而且所铺路面具有良好的耐久性。欧洲一般认为，SMA路面的使用寿命比传统沥青路面长20%——40%。

　　  3 良好的表面特性

　　  SMA混合料粗集料多，所用石料质量好，路面表面构造深度大，这就赋予了良好的抗滑性能，同时雨天高速行车时的溅水现象减轻，提高了行车的安全性。SMA路面良好的宏观构造和高的沥青含量，还赋予SMA路面吸收车轮滚动噪声的性能。

　　4 良好的低温抗裂性

　　 SMA混合料骨架空隙中所填充的沥青玛蹄脂，使混合料具有良好的柔韧性，增强了低温抗裂性能。

　　由此可见，之所以SMA路面引起世界许多国家人们的广泛兴趣，主要是SMA确有其优点。从沥青混合料的结构与性能分析，SMA混合料的组成结构也是确有其科学道理的。

　　（二）材料

　　为了防止沥青滴漏，绝大部分SMA中都使用纤维，虽然也有的SMA项目使用改性剂来增加沥青粘度以防止滴漏。现在大多数情况是，即使用改性沥青，也同时使用纤维材料。其实纤维在SMA混合料中不仅是为了吸油，防止沥青滴漏，纤维在玛蹄脂中还起着其他重要作用。

　　 1 纤维在玛蹄脂中的作用机理

　　（1）纤维的吸附作用：纤维直径一般小于20微米，有相当大的表面积，每克纤维提供的表面积达数平方米以上。纤维分布在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面。在界面层中，沥青和纤维之间会产生物理和化学作用，例如吸附、扩散、化学键合等作用。这种物理和化学作用，使沥青呈单分子排列在纤维表面，形成结合力牢固的结构沥青界面层。结构沥青比界面层以外的自由沥青粘结性强，稳定性好。与此同时，由于纤维及其周围的结构沥青一起裹覆在集料表面，使集料表面的沥青膜增大，同普通密级配沥青混合料相比，沥青膜约增厚65%——113%。集料表面厚的沥青膜与SMA的密实型结构，有利于减缓沥青的老化速度，延长路面使用寿命。

　　（2）纤维的稳定作用：纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使玛蹄脂的粘性增大，软化点提高，其提高的程度比传统沥青混合料中沥青砂浆的软化点要高20摄氏度以上，从而使SMA混合料温度稳定性得到提高。

　　（3）纤维的“加劲”作用：在我国民间，在抹墙的灰浆中掺加纸筋、切碎的稻草杆，可以起到防止灰浆开裂、增加强度的作用，这种作用就是“加劲”作用。玛蹄脂中的纤维是成三相随机分布的，并且数量众多、所以在混合料中都分布有纤维、这些纤维对混合料受外力作用而出现开裂时有阻滞作用，从而有助于提高沥青路面裂纹的自愈能力，减少裂缝的出现。

　　2 纤维的种类

　　（1）木质素纤维：木质素纤维是植物纤维，属于有机纤维。植物在加工成纸浆和纤维浆液过程中，通过物理、化学处理，最终有一部分纤维剩余出来，经过洗涤、过滤、喷雾、干燥等工艺过程，形成棉絮状木质素纤维。絮状木质素纤维长期储存会吸湿而结块，而且体积大，给包装、运输带来不便。为了减少体积和提高运输效率，保证在拌和过程中分散均匀，避免拌和时出现扬尘，现在国外又开发了颗粒状木质素纤维。

　　（2）腈纶纤维：腈纶纤维是有机合成纤维。德国科特尔兹公司和道路部门联合开发的多兰凝特AS就是这种纤维材料，它与一般纺织用腈纶纤维的主要区别在于它的分子链更长，且大分子链纵向排列更加有序，纤维的截面呈花生果状。多兰凝特AS纤维的主要优点是强度高、在一般溶剂中不溶解、不膨胀、有较好的耐高温性能，此外还有良好的抗碱性和抗紫外线能力。

　　3 纤维的相关性能

　　（1）纤维的耐热性：为了使纤维在SMA混合料中分散均匀，纤维在拌缸中先与集料干拌。经过干燥筒加热干燥的石料，其温度可以达到180——200℃，因而纤维必须能够承受这样的高温而不致发生物理和化学变化。由于无论干拌还是湿拌的时间都很短，并且为了与沥青的高温老化条件相当，可以采用163℃、5小时的试验条件。将纤维放在163℃的烘箱中，经5小时后观察纤维的颜色、形态等性状。

　　无机纤维的耐热性比有机纤维好，但是木质素纤维的耐热性最差，因此在SMA混合料生产时，一方面应严格控制拌和温度，另一方面，也应该控制干拌时间不要延长过多。

　　（2）纤维的吸油性：纤维在SMA中的作用主要是为稳定和吸附沥青，从这一角度出发，要求纤维材料应有良好的吸附性。显而易见，不同的纤维材料由于其界面性质不同，会有不同的吸油性。

　　吸油试验可以按如下方法进行：先精确称量5克纤维，使之浸润在矿物油中，时间不少于5分钟，然后放在筛上，筛孔尺寸为0.6毫米*0.6毫米，将筛放至摇筛机上摇振10分钟（每分钟摇动221次，幅度31.5毫米，振动每分钟147次，振幅12.5毫米）。称量摇筛后吸油纤维的重量，计算纤维吸油量与纤维自重的比值，即为纤维的吸油率，单位为g。

　　纤维的吸油性与纤维的细度、表面结构以及其与矿物油的相容性等有关。另外，所用矿物油的粘度、试验温度也对试验结果有一定影响。玻璃纤维较大的吸油率与其纤维极细、表面积极大有关，木质素纤维比重较小，表面凹凸的结构也使其具有较大的吸油能力。

　　（三）玛蹄脂的组成与技术要求

　　  SMA的结构可以分成两个部分：其一，是由粗集料构成的空间骨架，其二，由沥青、矿粉以及纤维等材料所组成的玛蹄脂，玛蹄脂填充在SMA混合料骨架的空隙中，形成密实骨架结构，这是SMA混合料与传统沥青混合料在结构组成上的主要区别。

　　对于玛蹄脂的组成，有人将细集料（0.075毫米——2.36毫米）、矿粉、沥青和纤维组成的混合料作为玛蹄脂，称为粗玛蹄脂。无细集料的玛蹄脂称为细玛蹄脂。

　　1 玛蹄脂的配合比

　　（1）矿粉用量：美国绝大部分的SMA项目要求0.075毫米筛孔的通过率为8%——12%。德国、澳大利亚等国家矿粉用量也大都在9%——13%范围内。实际上SMA集料级配中通过0.075毫米的百分率就是矿粉的用量。

　　（2）沥青用量：高的沥青用量是SMA混合料组成设计的特点。较多的沥青填充了SMA较大的集料骨架孔隙VMA，使混合料具有孔隙率小、沥青膜厚等特点，由此赋予SMA许多良好性能。SMA混合料中沥青含量在5.5%——7.5%范围内。

　　（3）纤维用量：SMA中纤维掺量以纤维占混合料重量之比表示。目前实际应用中，木质素纤维等有机纤维的掺量一般为0.3%——0.4%，玻璃纤维等无机纤维掺量一般为0.4%——0.6%。纤维掺量过少会使混合料中自由沥青增多，容易发生滴漏，形成油斑。同时还会造成玛蹄脂有效数量不足，空隙率增大，降低路面的耐久性能。纤维掺量过多时，会使分散困难，影响生产率，而且如果有结团，还会使混合料粘聚力下降，影响路用功能。此外，纤维较多时，混合料中自由沥青过少，使玛蹄脂过于粘稠，低温脆性增大，降低混合料抵抗低温开裂能力。

　　2 玛蹄脂技术要求：玛蹄脂的性能是影响SMA路用性能的重要因素，其各组成性质以及配比决定了玛蹄脂的性能，纤维品种以及掺量对玛蹄脂的高温性能影响很大。木质素纤维、多兰纤维等有机纤维在吸附稳定沥青、提高玛蹄脂高温稳定性方面能发挥较好的作用，并对增加玛蹄脂低温柔韧性有一定效果。

　　纵观国际上对玛蹄脂的研究，只有美国对玛蹄脂提出了技术要求。下表是美国AASHTO根据布朗教授的研究成果所提出的玛蹄脂技术要求。

　　（五）SMA混合料级配

　　 1 SMA混合料的最大粒径：沥青混合料的最大粒径是指这种集料的最大公称粒径，比如SMA—16的最大公称粒径为16毫米，实际上整个混合料中还有比16毫米大一级的集料，即19毫米。一般来说，最大公称粒径以上大一级的粒料还可能有5%——10%，所以，在集料级配中公称尺寸的通过率一般为90%——100%。

　　根据我国大部分地区的气候条件，采用过小粒径的SMA是不可取的。以上海为例，上海七八月份的平均气温达到30℃，由于温室效应，近几年的气温又有所上升，夏季高温持续时间长，沥青路面容易出现泛油和车辙。因此，对SMA混合料，采用相对较大的粒径是有必要的。一般来说，在行驶载重汽车的道路上适宜采用粒径较大的SMA，但是在行驶以小汽车为主的道路上，则可以采用粒径相对较小的SMA。由于SMA成本较高，目前主要应用于沥青路面的表面层，但是也不排除今后在某些工程或者路面的中层也使用SMA，在这种情况下，SMA的最大粒径则可以放大至19毫米或者25毫米。根据使用场合和交通组成的不同，可以选择不同类型的SMA。

　　 2 集料级配：SMA混合料的集料级配，与普通沥青混合料有根本的区别。普通热拌沥青混合料（AC），其4.75毫米以上的粗颗粒一般仅占30%——50%，防滑磨耗层集料级配（AK），其4.75毫米以上的粗集料占50%——70%，细集料仍然占很大的比例。然而，SMA混合料中4.75毫米以上颗粒含量则高达70%——80%，可见它们的差别是十分明显的。

　　   SMA混合料级配的特点表现为：①4.75毫米以上的粗集料占70%左右②9.5毫米以上颗粒占50%左右③矿粉占10%左右，比其他沥青混合料都多④0.15毫米——4.75毫米的细集料约占20%。研究表明，只有当粗集料达到70%左右时，才能形成石——石接触，构成骨架结构。

　　虽然SMA集料级配基本上应该按照上述原则组成，但是实际上各个国家的SMA级配并不相同，而是有所区别的。德国是SMA的创始国，他们在使用和发展过程中，也不断地修改规范。

　　对照1994年的规范，那么不难发现德国在以下几方面又作了修改：①集料级配中粗集料增加，细集料减少②在重交通道路上结合料要采用改性沥青③对于重交通道路SMA的空隙率由原来的2%—4%修改为3%——4%④在重交通道路上的铺筑厚度由原来的2.5厘米——5厘米修改为3.5厘米——4.0厘米，最大厚度减薄。SMA技术要求的这些改动，是由于道路交通组成发生了变化，同时也是SMA使用过程中经验的不断总结。

　　  SMA混合料以粗集料为主，形成石——石接触，构成骨架结构，以承受车轮荷载的作用，其根本的目的就在于提高路面的抗车辙能力。沥青混合料的抗车辙能力，在室内最直观的试验方法就是轮辙试验。

　　（六）SMA混合料的技术指标与要求

　　美国SMA混合料设计规范采用两种方法：其一为马歇尔试验方法，即仍然采用锤击成型试件，测试马歇尔稳定度等指标。其二为Superpave旋转搓揉压实机试验法。目前很少单位有旋转搓揉压实机，但是马歇尔试验仪已经很普及，试验方法也为大家所熟悉。目前还是以介绍马歇尔试验方法为主。

　　试件成型的锤击次数：德国研究认为，SMA混合料以粗集料为主，石—石接触，在过多的锤击作用下会使集料破碎，故确定SMA混合料锤击次数为50次。美国对锤击次数也定为50次。但是也有的国家规定锤击次数为75次。但是锤击次数不同，要求混合料的空隙率不同，实际上说明锤击次数不同，试件的密度是有区别的。事实上采用高质量轧制碎石配制的SMA混合料，由于碎石具有很高的力学强度，即使锤击75次也无击碎石子的现象，这从所成型试件切开的剖面可以得到证明。在锤击次数对试件空隙率影响方面，同济大学所进行的试验表明，混合料的空隙率随着锤击次数的增加而减小，锤击50次与75次对混合料空隙率的影响可以达到1%。

　　试件成型的密度不仅与锤击次数有关，而且与成型时的温度有关，在温度偏高时，由于玛蹄脂的润滑作用，锤击50次和75次都可以使SMA达到石—石接触的效果，密度达到最大值。但是在温度偏低时，锤击50次就有可能密度明显偏低，达不到石——石接触的状态。在实际施工时，由于混合料拌和温度的高低、运输距离的远近、施工现场的摊铺速度等因素，使混合料温度偏高或者偏低都是有可能的。在温度偏低的情况下，按50次锤击的密度控制，路面的密度就可能偏小，在重车压实下就会出现再次压密，进而有出现轮辙的可能。采用高质量轧制碎石铺筑SMA路面，其混合料试件成型的锤击次数建议采用75次。

　　（七）SMA马歇尔技术指标与要求

　　 1 稳定度：马歇尔稳定度在某种程度上给出了强度的信息，因此无论在混合料设计还是在施工检验时，依据马歇尔稳定度是可以大致判断混合料性能的，对SMA混合料稳定度提出一定的要求是必要的。根据研究并参照国外经验，建议SMA混合料马歇尔稳定度的标准为6.0kN。美国稳定度的标准为6.2kN，看起来有一个零数，按照一般的习惯对这种指标可取整数。实际上美国也是取整数，即1400磅，但是换算成为6.2kN，就有了一个尾数。

　　 2 流值：SMA混合料马歇尔试验时，图上的变形曲线往往会呈现很大的变形而不下降，有时甚至没有明显的峰值，当采用改性沥青时尤其如此。这实际反映了SMA混合料具有很好的韧性，说明即使在很大变形时仍有相当高的支撑能力，因此有的国家将SMA混合料的流值放大到5毫米。但是过大的流值并不有利，所以仍然适宜将流值控制在2毫米——4毫米范围内。

　　 3 空隙率：空隙率是沥青混合料的重要指标，它对路面的高温稳定性有显著影响，也关系到沥青结合料的用量。以前，德国的SMA规范规定空隙率为2%——4%，但是现在对重要的交通道路已经修改为3%——4%，说明空隙率太小不好。美国开始学习欧洲经验也采用空隙率为2%——4%，但是铺筑试验路段发现，当空隙率小于3%时，泛油和油斑现象成了主要病害。1998年6月，美国AASHTO还规定SMA的空隙率为3%——4%，到了1999年1月，又将空隙率标准修改为北方寒冷地区为3.5%，南方温暖地区为4%，但尚未给出范围。

　　空隙率的大小影响混合料的耐久性，空隙率大，混合料中沥青老化快，耐久性差，但是空隙率过小，又影响混合料的稳定性。密实式沥青混合料的空隙率规定为3%——6%，所以可以按照此标准将SMA的空隙率控制在该范围内。据此，SMA混合料的空隙率定在3.5%——5.5%是比较合适的。因为宁可损失一点耐久性，也不要出现泛油、油斑等病害。实际上，即使SMA初期空隙率设计为5%——5.5%，在经过一段时间行车压实后，路面的空隙率还会有所减小。

　　需要指出的是，关于空隙率 的计算，美国是以毛体积密度计算的，即

　　式中： ——沥青混合料毛体积密度——沥青混合料最大毛体积密度

　　我国过去习惯是以视密度计算的，则两者计算的空隙率相差1%——2%。采用什么密度计算空隙率，这与集料的吸水率有关：当吸水率小于1%，可以毛体积密度计算空隙率。吸水率大于2%，则以视密度计算，吸水率为1%——2%之间，用毛体积密度和视密度的平均值计算。

　　4 沥青用量：普通沥青混合料有一个最佳沥青用量，SMA混合料必须保证足够的密实状态，因而需要保证足够的玛蹄脂以填充其空隙，这就出现一个最小沥青用量。德国规定最小沥青用量为6.5%，美国则规定为6%。

　　沥青的用量受空隙率的控制。如前所叙，空隙率不适宜规定的过小，以防止泛油和油斑，所以对于沥青用量的最小值也应予降低，建议为5.5%。

　　由于沥青的用量是相对数值，故与集料的密度有很大关系。上述沥青用量的最小值是对应一般石料而言，即密度在2.70左右。如果采用密度大的石料，例如玄武岩，密度达到2.9以上，则沥青用量的最小值还应予折减。