沥青玛蹄脂碎石SMA路面渗水成因分析及技术对策

宋庆瑞

（山西省公路局 晋中分局，山西 晋中 030600）

0 引言

沥青玛蹄脂碎石（Stone Mastic Asphalt，SMA）是一种由沥青玛蹄脂分散填充于集料骨架间隙中而形成的沥青混合料，其中沥青玛蹄脂通常由沥青、纤维、矿粉和少量细集料组成。SMA路面具有良好的高、低温稳定性，水稳性及抗滑性能，已被欧美等国家近半个世纪的实践所证实[1]。山西省多数区域为运煤重载地区，全省交通运输具有通行量大、轴载重的特点；同时冬季寒冷、夏季炎热的气候状况，为推广应用SMA路面提供了必要性。

SMA路面基本不渗水，是判定其铺筑成功的重要指标之一[1]。SMA路面渗水不仅严重影响通车安全，而且水分下渗引起沥青混合料发生水损害，进而威胁到路面结构的整体性以及路用性能[2]。在车辆荷载反复作用下，渗入SMA路面内部孔隙的水分产生“动水压力”，导致裹附于集料颗粒表面的沥青膜发生剥离现象，进而引起路面坑槽、汲浆等水损坏[3]。结合山西省某新建高速公路SMA路面渗水检测情况，发现SMA路面部分区段渗水系数检测结果偏大，实测值最大为636 mL/min，远超过规范[4]关于SMA路面路表渗水系数最大值的技术要求。鉴于此，该研究依托山西省多条高速公路SMA路面工程检测项目，深入分析引起SMA路面渗水现象的原因，进一步提出解决SMA路面渗水问题的相关技术措施，为其工程应用与质量控制提供借鉴。

1 路面渗水形式及成因

1.1 渗水形式

路面渗水现象其本质为在沥青混合料内部存在一定数量的连通孔隙，水在一定压力作用下进入孔隙中，并通过连通孔隙在混合料内部进行扩散。依据SMA路面现场渗水试验的水流走向，将其分为两种典型形式：上下连通渗水（如图1）、水平渗水（如图2）。

图1 上下连通渗水（单位：cm）

图2 水平渗水（单位：cm）

路面“上下连通渗水”主要特点为：结构层混合料内部孔隙较大且连通性强，芯样侧面孔隙分布相对均匀；水流在结构层内从上至下渗透，同时伴随一定程度水平渗水。现场检测时，渗水仪的底盘附近目测无较为明显的水迹，但水柱下降较快。

路面“水平渗水”主要特点为：结构层混合料内部孔隙水平连通，且基本分布于路表1～2 cm深度范围内（芯样如图3）；水流在结构层内基本沿水平方向漫流，从表面孔隙进入，水平传输后从表面孔隙溢出。现场检测时，渗水仪水柱下降相对比较快，渗水仪底盘附近目测出现大量的水迹且汇流成股。“水平渗水”常被误判为“渗水仪密封性不良”，两者有本质区别：若渗水仪密封性不良，溢水点通常位于密封胶周围（如图4），而“水平渗水”的溢水点通常距密封胶一定距离，水流呈“从地下冒出”现象。

图3 路表1～2 cm分布孔隙

图4 密封性不良

1.2 成因分析

路面“上下连通渗水”主要成因之一为混合料级配不当。SMA沥青玛蹄脂碎石混合料在配合比设计时，其体积参数要求相当严苛。理论上，在级配设计中以大于4.75 mm粒径的粗集料构成混合料的“嵌挤骨架”，嵌挤骨架之间应有适当“空隙”被一定比例的沥青玛蹄脂充分填充（如图5），进而形成材料整体强度，同时保证“不渗水”。若采用过多的沥青玛蹄脂片面追求“不渗水”，可导致骨架被“撑开”（如图6），进而影响混合料中粗集料发挥其应有的嵌挤作用，使得沥青混合料路用性能或力学强度发生损失。而沥青玛蹄脂比例较少或集料“嵌挤骨架”形成空隙较大，均导致空隙无法有效被填充（残留空隙增大），进而影响路面渗水性能。

图5 沥青玛蹄脂填充空隙

图6 骨架被撑开

沥青混合料拌合站或购置成品混合料前，若没有严格依据目标配比，进行生产配比设计、验证，将导致SMA沥青玛蹄脂碎石混合料级配或体积参数不当，影响整体压实效果及路面渗水性能。另外，在较高的温度条件下用钢轮振动压路机对SMA路面进行碾压而不发生“推拥”现象，为鉴别是否为真正SMA的第二个有效方法[1]。若混合料级配不当，粗集料无法较好嵌挤，直观表现为现场路面碾压后发生“推移型”横向细小裂纹（如图7）。

图7 表面“推移型”横向细小裂纹

路面“上下连通渗水”主要成因之二为沥青用量偏低。沥青为沥青混合料中主要的胶结料，是形成SMA沥青玛蹄脂碎石混合料的关键材料，沥青用量偏低直接导致沥青玛蹄脂组成较少，进而无法有效、充分填充“嵌挤骨架”形成的空隙，表现为结构层内较多空隙至上而下随机分布。另外，沥青用量偏低直接导致集料表面油膜偏薄，在混合料碾压过程中，无法较好发挥油膜润滑效应，表现为“压不实”。

路面“水平渗水”直接原因为现场施工温度偏低。SMA-13面层其结构设计厚度为4 cm，混合料经摊铺后在气温较低、风力较大等环境影响下，混合料表面比材料内部温度丧失要快，导致碾压后结构层距表面1～2 cm深度范围内空隙较多，而3～4 cm范围内相对密实。

2 技术对策

SMA路面渗水现象相对复杂且其影响因素众多，不仅涉及SMA混合料配合比设计，而且与现场摊铺、碾压等工艺有关，因此有效解决SMA路面渗水问题需全面考虑。

2.1 复核、验证SMA沥青玛蹄脂混合料体积参数

对SMA沥青玛蹄脂混合料体积参数进行复核、验证，该项工作实质是寻求SMA沥青混合料中沥青玛蹄脂的含量与粗集料形成的骨架间隙之间的相对平衡关系。具体技术措施为：路面试验室核实拌合站现用生产级配，其粗集料骨架的松装间隙率VCADRC、沥青混合料试件粗集料骨架间隙率VCAmix、沥青混合料试件的矿料间隙率VMA；进一步判定是否满足“骨架松装间隙率VCADRC＞粗集料骨架间隙率VCAmix且矿料间隙率VMA＞17%～18%”的技术要求。若不满足，则需要以设计的目标级配为调整基准，选择3个初试级配（4.75 mm粒径通过率±3%），分别测量骨架松装间隙率VCADRC以及粗集料骨架间隙率VCAmix，在保证VCADRC＞VCAmix的前提下，宜选择4.75 mm粒径通过率相对较大的初试级配作为设计目标级配。

2.2 严格保证沥青、矿粉、纤维用量

沥青、矿粉、纤维用量及相互间的合理匹配，对解决SMA路面的渗水问题以及提升SMA路面整体性能至关重要。前期经验表明，施工现场油石比相差0.5%～1%，路面渗水性能相差很大。因此，在保证SMA沥青混合料无明显析漏的条件下，杜绝私自降低沥青用量。沥青拌合站应严格按照试验段确定最佳沥青用量、矿粉及纤维用量进行混合料生产。

2.3 动态检测碾压温度，合理匹配碾压工艺

温度是直接影响SMA路面碾压成型效果的关键因素[5]。SMA路面碾压时要求遵照“高频、低幅、紧跟、慢压”的原则进行。其中，“高频、低幅”是为了较好避免破坏粗集料骨架以及防止玛蹄脂发生过度“上浮”的现象；而“紧跟、慢压”则是保证碾压温度、提高压实效果的有效措施[6]。工程实践表明，在150℃～160℃时合理碾压对提升SMA路面抗渗水作用尤为重要，是解决其渗水问题的最佳有效时期。而当混合料温度介于120℃～140℃时，虽然碾压一定程度提高了路面压实度，但对解决渗水问题作用不显著。另外，当混合料温度低于90℃时，杜绝反复碾压，否则不仅对渗水性能没有提升，而且低温条件下压路机挂振，反而会破坏SMA的骨架结构，同时导致材料颗粒相对位置重新分布，易引起内部微裂缝。

因此，在不影响摊铺机正常工作前提下，要求压路机紧跟于摊铺机之后且待压路面的长度不应超过20～30 m。另外，前进碾压时应匀速静压，但后退碾压时应加开振动。必要时，两幅摊铺机搭接处、摊铺边部在复压时，辅助小型胶轮压路机揉搓，防止局部渗水。

3 结语

针对沥青玛蹄脂碎石SMA路面渗水这一普遍问题，深入分析引起SMA路面渗水现象的原因，进一步提出防止SMA路面渗水相关技术措施。具体结论如下：

a）依据渗水点位的典型芯样外观，将SMA路面渗水形式分为两种：上下连通渗水、水平渗水。路面“上下连通渗水”主要成因为混合料级配不当、沥青用量偏低；而路面“水平渗水”直接原因为现场施工温度偏低。

b）解决SMA路面渗水问题，首先应复核、验证SMA沥青玛蹄脂混合料体积参数，寻求SMA沥青混合料中沥青玛蹄脂的含量与粗集料形成的骨架间隙VCAmix之间的相对平衡关系；其次沥青、矿粉、纤维用量及相互间的合理匹配，对解决SMA路面的渗水问题以及提升SMA路面整体性能至关重要；SMA路面碾压环节中，在150℃～160℃时进行合理碾压，是解决透水问题的最佳时期，同时杜绝90℃以下时反复碾压以避免引起混合料内部微裂纹。