1 概述
近年来，国际上出现了一中非常引人注目的新型沥青混合料路面结构，即沥青玛蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt,简称SMA）。SMA是一种由沥青、矿粉、纤维稳定剂及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成一体的沥青混合料，它的最基本的组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两大部分。研究和实践表明，它与普通沥青路面比较，具有抗车辙、抗裂、抗滑、水稳性及耐久性等优点，使用性能全面改善和提高，因而得到迅速发展和广泛推广应用于公路、城市道路、机场跑道等工程领域。
SMA路面最早诞生于20世纪60年代的德国，80年代起欧洲应用，90年代起传入美国。我国在90年代初期开始引进这一新技术，现正在推广应用。笔者经过学习、考察、实践，试图通过本文的论述，对SMA路面技术及其应用，提出一些粗浅的认识进行探讨。
2 普通沥青混凝土路面的特点
目前，我国的高速公路路面面层结构普遍采用沥青混凝土路面，沥青混凝土路面的强度、水稳性、耐久性、平整度、舒适性等使用性能的均比较好，而且容易维修，便于管理。但是，从长期使用的实践中发现，由于我国改革开放后经济建设高速发展，交通量猛增，车辆大型化、渠道化、超载严重，加上气候因素的影响，尤其是水损害的破坏作用，使沥青路面建成通车不久即发生早期损坏，达不到设计年限的要求，一般使用寿命仅为设计的50％～70％，制约了沥青混凝土路面的发展。主要问题表现在：
（1）季高温情况下易发生车辙、拥包变形。这主要是矿料级配，其次是沥青结合料性质的抗车辙能力差的原因。AC－I型沥青混凝土是悬浮密度结构，矿料级配中细集料以下部分约占到一半，粗集料较少，且实际上是悬浮在沥青砂浆中，由于粗集料之间有相当大的空隙，故而交通荷载主要是由沥青砂浆承受着，在高温条件下，沥青砂浆的粘度变小，抵抗荷载变形的能力急剧降低，很容易产生永久变形，造成车辙、推拥等病害。
（2）冬季低温情况下易发生温缩裂缝、松散。这通常属于非荷载性裂缝，主要取决于沥青结合料性能的优劣。沥青面层在冬季气温骤降、温度反复升降、加上沥青的老化影响下，致使沥青应力松弛性能降低，劲度增大，温度应力疲劳，超过混合料的极限度或极限拉伸应变，便会产生裂缝，且裂缝随着路龄的增加而不断增加。同时，沥青的温度敏感性影响也容易导致裂缝产生。
（3）沥青面层的水损害日益严重。这主要是沥青混合料透水和结构层内蓄水（AK型抗滑表层空隙率较大，透水更为严重），在交通荷载和温度胀缩的反复作用下，引起沥青与集料的粘附性和抗剥离性能丧失而导致路面破坏。
（4）沥青面层的表面功能衰减，随着使用时间的延长，由于泛油、石料磨光引起表面功能降低或丧失，尤其是抗滑性能不足，加上溅水、水雾的影响，致使公路的舒适性和安全性严重降低。
3 SMA路面的特点
针对普通沥青混凝土的不足和交通发展的需要，人们在实践中探索研究，于是便出现了SMA路面结构。SMA是一种全新意义上的沥青混合料，它是由沥青玛蹄脂填充碎石骨架组成的骨架嵌挤型密实结构。
SMA路面的特点，归纳起来为：“三多一少”（粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少），掺纤维稳定剂，材料要求高，使用性能全面提高。
3.1 粗集料
SMA是一种间断级配的沥青混合料，依靠粗集料石——石接触和紧密嵌挤而形成骨架结构（对AMA-13和SMA-16为大于4.75mm的集料，SMA-10为大于2.36mm的集料，本文均以常用的前者为例），矿料级配中4.75mm以上颗粒的组集料的比例高达70-80％。粗集料是SMA质量控制关键，必须使用石质坚硬、表面粗糙、形状接近立方体的优质破碎石料，集料的加工生产不得用颚式破碎机，而应采用捶击式或锥式破碎机，否则质量达不到要求。粗集料质量技术要求中的针片状颗粒含量是个重要指标，要求不大于15％；石料压碎值要求不大于25％，以便确保SMA的质量。
3.2 细集料
在SMA中小于4.75mm的细集料经例较少，通常仅为10％～15％。细集料应采有机制砂或轧制的石屑，质量要求坚硬、洁净、无风化、无杂质。尽可能有使用天然砂，因为天然砂与沥青的粘附性较差，且砂基本上是球形颗粒，摩阻力小，对高温抗车辙能力极为不利，如需要使用时，虽然《指南》规定天然砂的用量不宜超过机制砂或石屑的比例，但有专家建议其用量以不大于细集料的20％为宜，值得参考。细集料质量技术要求中的砂当量是个重要指标，要求不小于60％，并要求无塑性指数。
3.3 矿粉
矿粉作为沥青结合料的填料，在普通AC－I型中量较少，一般为4％～8％，而在SMA中比例较多，通常用量为8％～12％。矿粉的质量对沥青混合料的稳定性及抗车辙能力有很大的关系，因而必须予以重视。矿粉应采用由石灰石等碱性岩石磨细的石粉，质量必须保持干燥，能从矿粉仓自由流出。尽可能不使用除尘装置回收的粉尘，如需要使用时，《指南》规定不得大于矿粉总量的25％，以确保SMA的质量。矿粉质量技术指标中，要求矿粉亲水系数不大于1％，塑性指数不大于4％。
3.4 沥青结合料
SMA对沥青结合料的要求比普通沥青混凝土更高，必须具有较高的粘度，与集料有良好的粘附性，以保证有足够的高温稳定性和低温韧性。沥青结合料质量必须符合“重交通道路石油沥青技术要求”的规定，其用量比普通AC－I型通常要高1％以上。研究和实践表明，采用改性沥青效果更加显著，可以改善高低温变形性能及与矿料的粘附性，防止沥青析漏，减小温度敏感性，极大的提高SMA的性能。对高速公路沥青路面的表面层建议尽量使用改性沥青，以便更好地发挥SMA的效能。
3.5 纤维稳定剂
在SMA中必须采用纤维稳定剂，因为SMA使用较多的矿粉和沥青结合料，纤维具有加筋、分散、吸附及吸收沥青、稳定、增粘等作用，可防止沥青采用的纤维主要是木质素纤维，其掺用量一般为沥青混合料总质量的0.3％。木质素纤维易受潮、成团，应控制其含水率＜5％，在拌和过程中能充分分散及拌和均匀。
3.6 SMA的结构机理
（1）SMA的组成中矿料是间断级配，粗集料比例要占到70％以上，沥青玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的空隙，交通荷载主要由粗集料骨架承受，由于粗集料颗粒之间互相良好的嵌挤作用，沥青混合料产生非常好的抵抗荷载变形能力，即使在高温条件下，沥青玛蹄脂的粘度下降，对其影响也会减少，因而有较强的高温抗车辙能力。
（2）在低温条件下，由于SMA粗集料之间填充了相当数量的沥青玛蹄脂，它包在粗集料表面，随着温度的下降，混合料收缩变形使集料被拉开时，玛蹄脂有较好的粘结作用，它的韧性和柔性使混合料具有较好的低温抗裂性能。
（3）SMA的空隙率很小(3%～4%)，几乎不透水，混合料受水影响很小，再加上玛蹄脂与集料的粘结力好，混合料的水稳定性有较大的改善。同时，沥青与空气的接触少了，因而沥青混合料的耐老化性能好，具有良好的耐久性。
（4）由于SMA的矿料采用间断级配，粗集料含量高，路面压实后表面形成大的孔隙，构造深度大，使抗滑性能提高。同时，在雨天交通行车不会产生大的水雾和溅水，能见度好，路面噪音降低，从而可以全面提高路面的表面功能。
4 SMA路面设计施工应关注的重点
4.1 配合比设计
SMA混合料的配合比设计目的是选择符合技术要求的优质材料、确保矿料级配和最佳沥青用量，必须经过目标配合比设计、生产配合比设计及试拌试铺验证三个阶段，这三个阶段是一个完整的、复杂的过程，必须严格按《指南》的规定执行。与普通沥青混凝土一样，SMA也是采用马歇尔试验设计方法，所不同的是根据SMA的特点，采用了3项重要检验手段来验证。
（1）采用车辙试验对高温抗车辙能力进行验证，这是SMA设计检验的一项非常重要的手段。普通沥青混凝土也有此项试验，其动稳定度要求高速公路应不小于800次／mm，而SMA则要求大于1500次／mm，当使用改性沥青时要求为3000～6000次／mm，有了大幅度提高，以便确保SMA的高温稳定性这一重要指标达到要求。
（2）采用谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验，检验是否会因沥青太多造成析漏及沥青太少造成飞散，这二项试验相结合用以验证合理的沥青用量。
（3）普通沥青混凝土采用浸水骊歇尔试验检验水稳定性，而SMA还要增加冻融劈裂试验残留强度比检验。
从设计实践分析，矿料级配中不能仅看通过率在级配范围内，根据SMA的特点，应注意：①矿料级配曲线宜偏中值以下；②严格掌握4.75mm以上粗集料的含量，这是级配中最重要的参数，而其中9.5～16mm档集料是关键，其比例宜大于4.75～9.5mm档集料（宜＞1.2倍以上）；③VMA达到＞17％。这样，才能确保SMA混合料形天紧密嵌挤的骨架结构，发挥SMA的作用。
4.2 结构组合设计
SMA路面损坏有时不是其本身的原因造成的,而是由于中、下面层出问题引起上面层的破坏，这方面的例子在高速公路工程中已不是鲜见。上下面层的关系非常密切，它是一个不可分割的整体结构。为此，必须做好沥青面层的结构组合设计。应充分考虑交通荷载和环境条件，选择与SMA上面层相匹配的中、下面层结构，根据各个结构层次的不同功用，进行各层混合料的配合比设计，以求最大限度的满足强度、耐久性、稳定性、表面功能等各方面的要求。
4.3 综合排水设计
沥青面层的设计并未考虑结构层内部的排水措施，当雨水进入沥青面层长期滞留在结构层内会导致水损害，这是沥青路面早期破坏的根源之一。为此，必须做好综合排水设计。包括以下方面：
（1）路面地表排水。应使路面（含路肩）、中央分隔带、路基边坡坡面的表面排水顺畅，避免路表水渗入路面结构层内。
（2）路面内部排水。路表水渗入结构层内，应能及时排出路外，以免导致水损害。可考虑将硬路肩采用与行车道相同的结构和厚度（可不设底基层），使各结构层次成为同一标高的整体结构，在同一横断面上形成统一的全宽横坡，不使水流滞留；路边缘土路肩范围设置15cm厚的碎石透水层，使渗入结构层的水能迅速从横向排入路基边沟。国外还有采用高透水材料做成透水基层的方法。
（3）路基边沟排水。应使边沟内水流畅通，并与桥涵、沟渠、管道等各种排水设施形成完善的排水系统，以减少地表水和地下水对路面及路基的侵蚀破坏。
4.4
集料质量
集料质量是施工的关键环节，可谓重中之重。设计再好，还必须通过施工来体现，否则，只是纸上谈兵。没有符合技术要求的优质集料是不可能铺筑出优质的SMA路面的。有专家形象地比喻，集料问题解决了，施工质量就60％解决了（其余为拌和厂生产和现场施工工艺各占20％）。SMA对集料是高标准、严格要求的。在目前公路部门缺乏专用的石料场的情况下，应设法与生产厂家商量，由厂方进行设备改造，并增加除尘装置，生产出符合要求的集料，经成本核算推销后可适当调整提高产品价格；或由施工单位在施工现场安装反击式破碎机，对石料场4.75mm以下细集料加工困难的部分进行二次分档加工，生产0～2.36mm和2.36～4.75mm料。同时，在集料生产过程中严格控制质量，做到不合格的集料不外运，这是从源头把关。
4.5 施工温度
SMA路面与普通AC路面相比，施工难度要更大一些，对各个施工环节及各种施工因素的影响敏感性较大，尤其是控制好施工温度至关重要。SMA的施工温度应由沥青结合料的粘度～温度曲线确定，当缺乏温曲线数据时，在正常情况下，一般在普通沥青混合料施工温度的基础上提高100C～200C。为保证SMA铺筑质量，利于各施工工序的温度控制，当路表温度低于150C时，不宜摊铺改性沥青SMA混合料；当混合料最高温度高于1950C时应予废弃。
4.6 混合料拌制
混合料拌制质量的好坏是保证SMA路面施工质量的基础。拌制应采用间隙式拌和机，且必须配备有材料配比、施工温度的自动检测和记录设备，逐盘打印作为施工质量检测的依据；配备有纤维稳定剂投料装置、除尘装置等设备。因为SMA是间断级配，粗集料多且粒径单一，矿粉多，细集料用量很少，又须掺加纤维稳定剂，这给混合料的拌和带来不少困难，比普通沥青混合料要复杂得多。施工中发现，冷料仓上料时会发生串料和供料不均现象，可考虑安装挡料隔板，使各料仓彻底分开，通过适当调整料斗门开启或调整转速，控制上料比例和速度，采用装载机依次顺序上料，从而避免串料，达到供料基本均衡。拌和过程中，由于热料仓的材料数量严重分配不均，会发生粗集料溢仓、细集料亏仓、施工等待的现象，应对拌和楼振动筛和热料仓重新设置，并增大矿粉的供料，通过控制室反复精心调整，防止发生溢仓、亏仓、等待的问题，使热料仓达到进料、出料均衡。同时，通过试验确定合理的投料顺序及干拌、湿拌时间，在拌和中严格控制，方能确保混合料拌制的质量。
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