摘要：SMA路面相对于superpave路面高温抗车辙、低温抗开裂、表明抗滑性等路用性能更优，且具有良好的水稳定性和耐久性。结合某在建高速公路区域地形变化较大，气候的垂直差异明显，气温变化较为剧烈，区内降雨量在年内分配极不平衡的实际情况，为提高高速公路抗滑、抗车辙、抗疲劳等路用性能，将原设计4cm厚细粒式改性沥青混合料（superpave-13）上面层优化为4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13），并对相关技术指标进行了验算，均满足规范要求。
关键词：SMA路面；优化设计；应用；技术指标验算
1引言
SMA路面起源于20世纪60年代的德国，全称StoneMasti⁃cAsphalt，缩写为SMA，它是一种新型的沥青混合料结构，中文名为沥青玛蹄脂碎石混合料。该材料于20世纪90年代初引进中国，1993年在我国首都机场高速公路进行了首次应用，SMA路面材料现已作为目前我国高速公路路面的主要结构形式之一，在全国20几个省、市、自治区进行了大量的应用。
2材料特性
SMA是一种紧密嵌挤骨架密实结构，它是由沥青、矿粉、纤维稳定剂及细集料等组成的密实混合料。该材料为间断级配，即各档料的用量不是连续的，其特点是粗料多，细料少，其中沥青玛蹄脂填充于间断级配粗集料的骨架间隙中。这种混合料具有很强的抗变形能力，以及很好的高温抗车辙能力，由于其沥青面层的综合性能有了明显的改善，使得材料的耐久性有了较大的提高。而且，在沥青玛蹄脂的黏结作用下，材料的低温变形能力和水稳定性也有了一定的改善。由于SMA材料的空隙率只有3%~4%，使得它几乎不透水，因而水对该混合料的影响也比较小。同时由于粗集料占比高于70%，在压实后的路面表面会形成构造深度大的空隙，从而大大提高路面的抗滑性能。而且该材料还有抗高温变形能力强、抗开裂、疲劳性能良好，早期裂缝较少，耐久性好等特性。综上所述，SMA混合料不透水，具有很强的抗水损坏能力，路面粗糙度大，具有很好的抗滑性能，同时能很好地降低行车噪声，减少水雾及灯光反射，从而提高行车时的能见度。但该路面施工时要求较高的施工工艺，施工难度也比较大；对材料级配和沥青用量变化比较敏感，经常很小的变化，往往会导致路面施工质量发生较大变化，相比其他材料施工成本也较高。SMA路面宜在较高的温度条件下施工，气温不宜低于15℃，不得低于10℃。改性沥青SMA混合料出厂温度为165℃~180℃，摊铺温度不低于160°，初压温度不低于150°，碾压终了的表面温度不低于90°。施工应配备的主要施工机械包括：（1）沥青混合料拌和机：配有热贮料仓，单机产量宜不少于240t/h，增加纤维（必要时和消石灰）投放口；（2）摊铺机：履带式摊铺机2台以上；（3）压路机：重型振动压路机3~4台，10t双钢轮压路机1~2台。
3项目概况
某高速公路地处甘肃东部地区，全长66.75km，属于典型的山区高速公路，路线整体走向由西北向东南，工程区地势由西北向东南降低。项目区域属于温带干旱、半干旱气候区，该气候区总的特征为南湿、北干、东暖、西凉，由于受地形和海拔高度等的影响，项目区内气候垂直差异明显，气温变化也较为剧烈，河谷、川地夏季较炎热，冬季比较寒冷。工程区内降雨量在年内分配极不平衡，降雨量主要集中在6~8月份，且东南部降水多，西北部降水少。原施工图设计的主线路面结构为：4cmSUP-13上面层+6cmSUP-20中面层+8cmATB-25下面层+封层+35cm水稳基层+20cm水稳底基层。
4SMA与SUP沥青混合料特点及性能比较
4.1特点
SMA沥青玛蹄脂碎石，是间断级配，即各档料的用量不是连续的，该材料具有细料少，粗料多，高用油量，多矿粉的特点。其中添加的纤维以起到了给骨架加筋的效果。使得其骨架结构变得密实。SUP高性能沥青混凝土，是一种连续级配材料，它和AC级配非常接近，其混合料是一种悬浮密实型结构。但在实验室进行级配设计时，通常采用体积设计法，即旋转压实的方法，因而其级配曲线是不能通过的。
4.2优缺点
SMA优点:具有比较强的高温抗变形、抗开裂、抗疲劳能力，且很少出现早期裂缝，具有良好的耐久性；空隙率小几乎不透水，具有较强的抗水损坏能力；材料表面构造大，使路面的具有较好的抗滑能力；同时能很好地降低行车噪声，减少水雾及灯光反射，从而提高行车时的能见度。SMA缺点：对施工工艺的要求较高，具有一定的施工难度；对材料级配和沥青用量变化比较敏感，经常很小的变化，往往会导致路面施工质量发生较大变化，相比其他材料施工成本也较高。SUP优点：其材料密实性较好，具有较强的抗车辙能力，构造深度较高；混合料的沥青用量相比SMA材料较小，具有相对较低的造价，施工工艺成熟，施工难度不高。SUP缺点：其路用性能、抗水损害能力相比SMA路面较差。
4.3指标比较
根据表1已建成高速公路SMA路面与SUP路面的技术指标比较可以得出以下结论。（1）沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13的粗集料含量相比SUP-13沥青混合料，有了显著提高。（2）沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13在马歇尔稳定度、低温抗裂方面略优于SUP-13沥青混合料。（3）沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13相比SUP-13沥青混合料，其水稳定性、高温稳定性、摩擦系数、构造深度等方面占有一定的优势。（4）在疲劳耐久性方面，沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13中粗集料的空隙被沥青胶浆进行了充分的填充，从而获得了较小的空隙率，以及很高的柔韧性，因而其疲劳耐久性较高。SUP-13沥青混合料中虽然也有含量较高的粗集料，但由于较低含量的沥青胶浆，使得细集料胶浆的含量也相应地减少，从而改变了沥青混凝土的劲度模量，导致出现了硬化的趋势。沥青混凝土的疲劳耐久性很大程度上受劲度模量的影响。所以，受级配组成的影响，SUP-13沥青混合料的疲劳耐久性相对SMA混合料略差一些。（5）受构造深度的影响，沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13的抗滑性能相对较好，而SUP-13沥青混合料的抗滑性能略差。对沥青路面来说，当具有较大的构造深度时，可以有效防止出现雨天高速行车时的“飘滑”现象，进而提高行车的安全性，同时可以延缓路面抗滑性能的衰减。（6）从施工工艺来看，SMA路面结构相对SUP路面结构施工技术要求较高，难度相对较大。（7）从总体上分析，SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料和SUP-13沥青混合料的路用性能都较为出色，都是高等级公路路面良好的路面材料。但综合性能方面SMA-13占优。（8）经济方面比较，SMA路面结构较同等厚度SUP路面结构工程造价高，增加约20%~30%
5优化设计方案
SMA沥青玛蹄脂混合料是一种抗变形能力强、耐久性能好的沥青面层混合料，在国内外的道路工程中得到了广泛的应用。该材料粗集料与细集料等的良好嵌挤，使得混合料具有较好的高温抗车辙能力。同时受沥青玛蹄脂黏结作用的影响，混合料低温变形性能和水稳定性也有了显著改善；纤维稳定剂的添加，提高了沥青混合料的黏度，能够取得较好的摊铺和压实效果。特有的间断级配在表面形成了构造深度大的大孔隙，提高了抗滑性能。很低的空隙率，使得耐老化性能及耐久性能都比较好。从而导致路用性能得到了全面改善和提高，延长了使用寿命，相应减少了养护维修费用，因而在公路、城市道路、机场跑道等工程领域得到迅速发展和广泛应用，同时也积累了较为成熟的施工技术经验。结合项目区气候变化明显、降雨集中且分布极不平衡等特点，为提高路面结构抗滑性，提高抗车辙抗疲劳等路用性能，解决低温疲劳开裂问题，根据《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）对路面结构进行了沥青混合料层疲劳开裂、无机结合料稳定层疲劳开裂、沥青混合料层永久变形量、季节冻土地区沥青面层低温开裂4项设计指标验算，SMA路面相对于superpave路面高温抗车辙、低温抗开裂、表明抗滑性等路用性能更优，且具有良好的水稳定性和耐久性，因此将原设计4cm厚细粒式改性沥青混合料（superpave-13）上面层优化为4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）。变更后主线路面结构：4cmSMA-13上面层+6cmSUP-20中面层+8cmATB-25下面层+封层+35cm水稳基层+20cm水稳底基层。注：表中土基回弹模量是平衡湿度状态下经干湿与冻融循环作用后的当量回弹模量。
6相关技术指标及验算
根据《工可报告》提供的预测交通量及交通量增长率，初始年大型客车和货车双向年平均日交通量（辆/日）3863,方向系数0.55，车道系数0.8，交通量年平均增长率7.23％，初始年设计车道大型客车和货车年平均日交通量（辆/日）1699，设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量（辆）1.586226E+07,路面设计交通荷载等级为重交通荷载等级。根据《工可报告》整体式货车比例为54％，半挂式货车比例为34％。根据整体货车及半挂式货车占比，确定车辆类型分布为TTC3型。根据《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）表A.3.3-32~11类车辆当量设计轴载换算系数计算得：验算无机结合料稳定层疲劳开裂时设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为2.728286E+09。验算沥青混合料层永久变形量时通车至首次针对车辙维修的期限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为3.637082E+07。验算路基顶面竖向压应变时设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为6.391747E+07。
7结论
SMA混合料路面耐久性好，养护维修工作较少，使用寿命相对较长，具有很好的经济效益和综合环境效益。结合项目区域地形变化较大，气候的垂直差异明显，气温变化较为剧烈，区内降雨量在年内分配极不平衡的实际情况，将原设计4cm厚细粒式改性沥青混合料（superpave-13）上面层优化为4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13），相关技术指标验算对比有一定的提升，且满足规范要求，达到了路面优化设计的目的。相信通过科学合理的施工组织和技术管理，严格的施工质量把控，通车运营后能取得较好的效果。
参考文献：
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作者:王思源 柳思婷 单位:甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司 中国昆仑工程有限公司