改进型SMA13在桂柳高速水泥路面沥青加铺层中的应用

王小华， 马进

(1.柳州高速公路运营有限公司， 广西 柳州 545005；2.广西交投科技有限公司)

1 前言

桂(林)柳(州)高速公路为水泥混凝土路面，自1997年通车以来，由于交通流量较大、超载重载车辆比例高、又地处桂北山区，水泥路面损坏严重。为了改善路况，桂柳高速公路于2015年开始实施水泥路面加铺沥青面层的旧路改造工作。针对桂柳高速公路沿线夏季炎热、高温多雨，交通量大、荷载重，长大纵坡较多等工程特点，经过多方论证，沥青加铺结构的表面层最终设计为SMA13沥青混凝土。

目前，国内外研究人员针对SMA路面开展了大量的试验研究和工程应用，JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》也对其如何设计做出了相应的规定。既有研究中，SMA在进行材料组成设计时，通常使用50次马歇尔击实试验结果来确定最佳油石比，并据此进行路用性能评价。这种设计思想对于中、轻交通等级的道路具有一定的合理性，但对于桂柳高速公路这种重载交通、长大纵坡路段多的山区道路而言，由于击实次数偏低、击实功较小，不能很好地模拟重载交通的实际情况，碾压完成后SMA沥青混凝土路面的现场实际空隙率会明显小于设计值，导致压实度超100%的现象十分普遍，相应地，路用性能也会与设计结果出现较大偏差。由于桂柳高速公路地处华南湿热山区，夏季气温高，加上重载交通严重，长大纵坡处货车车速低、行驶缓慢，对沥青加铺层的材料组成设计也提出了更高的要求。

此外，由于原材料生产加工时不可避免地存在变异性，当原材料级配的变异水平过大时，会引起合成级配曲线发生明显波动，沥青混合料的材料组成会受到较大影响，从而导致路用性能降低。如果能在材料组成设计时对原材料的级配波动给予充分重视，并考虑到这一波动对路用性能所产生的不利影响，对于施工质量控制而言，具有重要意义。

针对上述问题，该文依托广西桂柳高速公路水泥路面改造工程，提出在材料组成设计中提高SMA13沥青混合料的击实功并充分考虑原材料级配波动范围对路用性能产生影响的技术思路，对SMA13沥青混合料的设计方法进行优化，得到改进型SMA13沥青混凝土路面，通过在桂柳高速公路中的应用，以检验其路用性能。

2 原材料

改进型SMA13沥青混合料，沥青使用SBS改性沥青I-D，其性能指标如表1所示。粗集料使用辉绿岩，规格为10～15、5～10 mm，其物理力学性能指标如表2、3所示。细集料使用石灰岩机制砂，规格为0～3 mm，其性能指标如表4所示。矿粉为普通矿粉，纤维使用德国进口颗粒状木质素纤维，其性能指标如表5、6所示。由表1～6可以看出：使用的原材料均符合相关技术要求。

表1 沥青性能检测结果

表2 粒径10～15 mm辉绿岩粗集料性能检测结果

表3 粒径5～10 mm辉绿岩粗集料性能检测结果

表4 石灰岩机制砂性能检测结果

表5 矿粉性能检测结果

表6 纤维性能检测结果

3 改进型SMA沥青混合料的优化设计方法

3.1 设计参数优化

桂柳高速公路水泥路面改造工程地处夏炎热区，交通荷载为特重交通等级。通过前面的调研可知，目前SMA13通常使用50次马歇尔击实试验结果来确定最佳油石比，这对于特重交通等级、长大纵坡路段多的桂柳高速公路而言，由于击实功较小，不能很好地模拟实际交通状况。为此，将击实功提高：由SMA13室内配合比试验时的50次马歇尔击实提高至75次，使得室内试验的击实功与现场的压实水平、交通荷载水平更加匹配。此外，考虑到桂柳高速公路地处夏炎热区，沥青路面的高温性能十分关键，为此将车辙试验温度由60 ℃提高为70 ℃，并引入相对变形指标，综合保证SMA13沥青混合料的高温稳定性。同时，沥青混合料的部分设计参数也根据规范要求进行了相应调整，将矿料间隙率(VMA)要求调整为不小于16.5%、空隙率(VV)范围调整为3.0%～4.5%，调整后的SMA13材料组成设计及路用性能技术要求见表7。

表7 改进型SMA13材料组成设计及路用性能技术要求

3.2 目标配合比设计优化思路

目前目标配合比设计中沥青混合料的合成级配曲线，主要根据各档原材料矿料级配筛分结果的平均值进行合成后而获得，在设计阶段最终只以某一条单一的级配曲线进行体积指标及路用性能验证，如果原材料矿料级配的变异性过高，在各档冷料比例不变的情况下，会引起合成级配曲线发生显著波动，从而影响到沥青混合料的级配组成，并最终导致路用性能的降低，这将直接导致施工质量控制难度增大。而如果能在目标配合比设计阶段，对原材料级配波动所引起的路用性能变化给予充分重视，使得变异性导致的性能降低在可控的范围之内，对于保证工程质量具有重要意义。为此，在借鉴柳(州)南(宁)高速公路路面改造工程成功经验的基础上，提出桂柳高速公路表面层SMA13设计的改进思路，即：在目标配合比设计阶段，充分考虑矿料级配变异对合成级配曲线和路用性能产生的影响，并通过对均值合成级配、上控制线合成级配和下控制线合成级配的性能验证，评价原材料变异性的可接受程度，当无法接受时，需要进一步控制原材料的加工质量，以保证混合料的耐久性。采用这一思路进行改进后的SMA13目标配合比优化设计方法简述如下。

(1) 对原材料中的各档矿料进行多次取样筛分，获得各档矿料筛分结果的平均值、变异系数、标准差等统计参数。

(2) 按照各档矿料筛分结果的平均值加k倍标准差，获得各档矿料筛分结果的上波动线；按照各档矿料筛分结果的平均值减k倍标准差，获得各档矿料筛分结果的下波动线；由上、下波动线组成各档矿料筛分结果的波动范围，用于反映原材料的变异性。

(3) 根据各档矿料筛分结果的平均值，参考设计级配要求，确定各档矿料的合理比例，得到基于筛分结果平均值的合成级配曲线，称为均值合成级配，据此开展配合比设计工作，确定最佳油石比以及路用性能验证结果。

(4) 根据各档矿料筛分结果的上、下波动线，采用(3)中确定的各档矿料比例，进行级配合成，得到的两条级配曲线分别称为：上控制线合成级配、下控制线合成级配，开展配合比设计工作，确定两条级配曲线的最佳油石比和路用性能验证结果。

(5) 当均值合成级配、上控制线合成级配和下控制线合成级配的路用性能均满足要求时，可选择均值合成级配曲线作为目标配合比设计的最终结果，用于指导生产。否则，说明原材料变异性过大，应调整矿料的生产加工工艺，提高质量控制水平，降低变异性。

4 桂柳高速公路改进型SMA13沥青混合料的优化设计

4.1 目标配合比设计优化

桂柳高速公路路面改造工程路面1标使用的SMA13设计级配要求如表8所示。根据工程特点，SMA13由10～15、5～10 mm辉绿岩粗集料、0～3 mm石灰岩机制砂、石灰岩矿粉共4档矿料组成，目标配合比优化设计流程按照下述几个步骤进行。

表8 SMA13沥青混凝土设计级配

(1) 获取4档矿料的级配变异性统计参数

对4档矿料进行多次取样，开展20次以上的平行筛分试验，计算4档矿料筛分结果的平均值、变异系数、标准差等统计参数，结果如表9所示。

表9 4档矿料筛分试验结果统计

(2) 获取4档矿料的级配变异区间

按照4档矿料筛分结果的平均值加、减两倍标准差，获得每档矿料筛分结果的上、下波动线，得到4档矿料筛分结果的级配变异区间，用于反映原材料的变异性，结果如表10所示。

表10 4档矿料的级配变异区间

(3) 确定基于均值合成级配的4档矿料合理比例

根据4档矿料筛分结果的平均值，参考表8设计级配要求，确定4档矿料的合理比例，得到均值合成级配。经试配，桂柳高速公路路面改造工程路面1标使用的SMA13矿料的合理比例如表11所示。

表11 均值合成级配的矿料比例及级配

(4) 开展基于均值合成级配的材料组成设计和路用性能验证

采用表11中的级配开展配合比设计工作，确定最佳油石比，验证路用性能。根据3.1节的设计参数优化思路，试验时将SMA13的击实功提高，由室内配合比试验时的50次马歇尔击实提高至75次，将车辙试验温度由60 ℃提高为70 ℃，并引入相对变形指标。同时，沥青混合料矿料间隙率(VMA)要求调整为不小于16.5%、空隙率(VV)范围调整为3.0%～4.5%。SMA13材料组成设计结果如图1所示。

根据图1的试验结果，结合表7中的设计参数要求，可确定最佳油石比为5.6%。开展最佳油石比下的相关路用性能验证，结果如表12所示。

图1 SMA13材料组成设计结果

表12 SMA13路用性能验证

由表12可知：均值合成级配下混合料的路用性能优异，满足技术指标要求，不用对4档矿料比例做出调整。

(5) 上、下控制线合成级配的性能验证

根据4档矿料筛分结果的上、下波动线，采用(4)中确定的各档矿料比例，进行级配合成，得到上控制线合成级配、下控制线合成级配，结果如表13所示。

从表13可以看出：受矿料级配变异性的作用，上、下控制线的一些筛孔，与表8中的设计级配要求相比，存在一定偏差，会给材料组成带来较大影响。

采用表13中的级配开展配合比设计和路用性能验证工作，主要试验结果如表14所示。

表13 上、下控制线合成级配组成

表14 上、下控制线配合比设计及性能验证结果

由表14可知：虽然上、下控制线合成级配的路用性能符合技术指标要求，但总体上二者的性能都不如均值合成级配，由原材料级配变异性所引起的沥青混合料路用性能的降低还是比较显著。所以，为了保证工程质量，对于原材料的级配控制一定要给予充分重视，使其处于较低的变异水平，将合成级配曲线控制在上、下控制线之间。

通过上述试验研究发现，对于桂柳高速公路路面改造工程路面1标而言，均值合成级配、上控制线合成级配和下控制线合成级配3条级配曲线的路用性能均可通过验证，最终可以选择均值合成级配所确定的4档矿料比例作为最终的优化设计结果。

4.2 设计结果

综合上述试验结果，可以确定用于该工程的SMA13沥青混合料的目标配合比冷料比例为(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～3 mm)∶矿粉=39%∶35%∶17%∶9%，最佳油石比为5.6%。

5 工程应用效果

改进型SMA13在桂柳高速公路路面改造工程中共铺筑96.025 km，施工过程中对其进行了大样本量的路用性能抽检试验，路面1标的抽检试验结果如表15所示。

表15 桂柳高速公路路面改造工程路面1标

从表15可以看出：① 改进型SMA13沥青混合料路用性能的变异性较低，油石比、矿料级配、压实度和路用性能等均处于较低的变异水平，工程质量控制良好；② 改进后SMA13的70 ℃车辙试验动稳定度抽检结果可达6 354次/mm，高温性能十分优异，对于地处夏炎热区、交通荷载重的桂柳高速公路而言，有利于保证路面的高温耐久性，工程应用效果良好。

根据前面的试验研究和工程应用可知：桂柳高速公路使用的改进型SMA13之所以具有较低的施工变异性，是由于在目标配合比设计阶段充分考虑了矿料级配变异对合成级配曲线和路用性能所产生的影响，并通过对均值合成级配、上控制线合成级配和下控制线合成级配的性能验证，评价原材料变异性的可接受程度，以保证混合料的耐久性，对施工质量控制而言更加有利。

6 结语

为了保证SMA13沥青混凝土路面能够更好地模拟实际交通情况和自然环境，减少原材料变异性所引起的路用性能降低，依托桂柳高速公路路面改造工程，提出了一种改进型SMA13沥青混凝土设计思想，利用提高马歇尔击实功的方法模拟车辆荷载对压实混合料的实际作用，通过在目标配合比设计中考虑原材料级配波动的影响保证沥青混合料处于较低的变异水平。所设计的改进型SMA13沥青混凝土在桂柳高速公路中实现了规模化应用，抽检得到的油石比、矿料级配、压实度和路用性能等均处于较低的变异水平，路用性能优异，取得了较好的工程应用效果。研究成果可为同类工程提供一定的借鉴和参考。