[文章]：沥青路面发展回顾及SMA理论分析

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沥青路面发展回顾及SMA理论分析

98级博士生：刘忠根
指导教师：张登良 教授

一、沥青路面发展综述

1、沥青路面发展历程：约在公元600年前，在巴比伦修了第一条沥青路面，但是这种技术不久就失传了。在1712年以瑞士发现岩沥青为契机，随后在德、法等国相继发现。1850年前后，法国首先把岩沥青用于道路路面，1854年在巴黎修筑了接近现在的薄层沥青路面，可以称之为热铺岩沥青路面之始。当时被利用的岩沥青，是渗透有6~10%沥青成分的石灰岩，把它碎成细粒，加热摊铺碾压，既成沥青路面。最大粒径为2.5mm，通过0.074mm的粉粒达到40%以上，成为当时先进的路面结构。
美国到1850年以后才从法国、瑞士输入大量岩沥青，以东部为中心开始修筑岩沥青路面，至1900年在纽约市有记录可查者仅为25000m2。1871年E.J.Desdment在纽约市把砂、碎石、特尼里特湖沥青用以铺筑沥青路面获得成功，并且获得施工专利，这是近代热铺湖沥青路面之始。1872年华盛顿市把过去岩沥青路面施工法和应用石灰石粉、砂、掺以湖沥青及石油残渣油的施工法做比较，证明两者都能适应当时的交通要求。这可以说是岩沥青与湖沥青修筑试验路面的先例。试验路使用情况成为路面材料从岩沥青转为湖沥青的依据，这也是石油残渣油应用于路面的开端。
1885年发明以汽油为动力燃油的汽车，1887年发明气压轮胎，汽车工业兴起。由于汽车荷载与马车不同，为了适应荷载的需要，当年美国又在石粉、砂、湖沥青混合料中加入了碎石，发明了Warrenitebitulithic路面，即下层为粗级配沥青混凝土与上层沥青砂两层摊铺一层碾压而成的双层式沥青混凝土路面，这是沥青混凝土路面的由来。到1905年美国Topeka市产生了Topeka路面作为磨耗层，使沥青路面结构更趋完善。
1911年美国最高法院作出裁决，允许各汽车厂可以自由制造汽车，交通运输正式进入汽车交通时代，对路面提出了更高的要求。为此，1920年出现了沥青混凝土最初试验法——Hubbard-Field方法。1930年生产了沥青路面摊铺机，1934年开始修建高速公路，从此，沥青路面成为现代高等级路面的主要形式。

2、沥青路面在我国发展情况：我国在1935年使用进口沥青在南京附近沥青路面试验路段；1941年又在滇缅公路修筑了沥青双层表面处治155km；抗日战争胜利后又在宁杭公路修筑了沥青贯入式及双层沥青表面处治等沥青路面。到1949年前夕我国公路上有高级、次高级路面总计约315km。
新中国建立后公路建设有了较大的发展，在20世纪80年代以前，我国公路建设速度、质量与发达国家相比还是有着相当大的差距，进入20世纪90年代后我国公路建设数量和质量均有了大幅度的提高。与发达国家相比差距正在缩小。下表为我国在20世纪90年代公路里程发展情况。到2000年底我国公路里程已经达到167.98万公里，到2001年底我国高速公路里程达到19453公里居世界第二位。根据掌握的资料[3]，20世纪90年代早期修建的高速公路表层结构多为LH、AC、AK、SAC结构，在20世纪90年代中后期，随着人们认识的深入，结合高速公路在使用过程中出现的问题，认为应该改进抗滑表层的结构形式，因此，有相当一部分表层采用SMA，在国内SMA属于一种相对较新的路面结构形式，在本文的下一部分介绍一下SMA发展及结构理论。


全国公路总里程 (按技术等级分)         单位：公里
年份        总 计          合 计        等 级 公 路        等外公路
                        高速        一级        二级        三级        四级       
1979        876000                                                       
1990        1028348        741104        522        2617        43376        169756        524833        287244
1991        1041136        764668        574        2897        47729        478024        535444        276468
1992        1056707        786935        652        3575        54776        184990        542942        269772
1993        1083476        822133        1145        4633        63316        193567        559472        261343
1994        1117821        861400        1603        6334        72389        200738        580336        256421
1995        1157009        910754        2141        9580        84910        207282        606841        246255
1996        1185789        946418        3422        11779        96990        216619        617608        239371
1997        1226405        997496        4771        14637        111564        230787        635737        228909
1998        1278474        1069243        8733        15277        125245        257947        662041        209231
1999        1351691        1156736        11605        17716        139957        269078        718380        194955

3、沥青路面应该进一步研究的内容：
（1）完善和改进沥青混合料配合比设计方法；从SHRP计划中的Superpave可知，马歇尔设计方法和实际使用有着一定差距应该改进，但是如何提出适合我国国情的设计方法，尚需要有大量的工作要做；
（2）提高沥青路面耐久性研究，许多高等级公路沥青路面在使用过程中，出现了早期破坏或者没有到设计使用年限就丧失了使用功能，因此，对于沥青路面的耐久性应该进一步研究；
（3）进一步完善和改进改性沥青施工规范；
（4）随着公路建设的开展，路网中低等级道路升级已经是公路建设中的一个重点，对于就沥青路面如何使用，如何利用旧路面材料，应该进一步研究，这样有利于环境保护、降低公路造价，但是现行规范中，没有详细规定如何使用旧路面材料。

二、SMA介绍
1、SMA发展概述：20世纪60年代中期，德国为了减轻大量带钉轮胎汽车对路面表层磨耗破损,尝试增加浇铸式沥青混合料中的碎石用量，以期高质量耐磨损的碎石能直接与带钉轮胎接触，减少和防止带钉轮胎对沥青与细集料胶泥的磨耗。碎石的增加必然导致细集料的减少，细集料减少又会造成矿料吸持沥青能力削弱，同时德国传统的浇注式沥青混合料的沥青含量很大（6%--10%），所以，细集料的减少极容易造成运输和摊铺温度下沥青流淌。为了防止沥青流淌，道路工程师又在混合料中加入了纤维。后来路用实践表明，工程师们的试验设想是合理的、成功的。增加高质量碎石用量确实大大延缓了带钉轮胎对表面层的磨耗，纤维的加入也完全阻止了沥青的析漏和流淌。70年代初欧洲经历两个炎热的夏季，后来人们发现许多沥青路面都出现了严重的车辙，而使用了沥青玛蹄脂碎石混合料（后文简称SMA）的路面几乎没有车辙变形。从此道路工程师对SMA的抗磨损、抗车辙、抗开裂、防水耐久等优良路用性能有了全面的认识，接着先后在欧洲很多国家应用发展起来，并成为风靡欧洲的高等级沥青路面结构型式。
在德国，最初SMA路面结构是分层铺筑的，先摊铺沥青玛蹄脂（Mastic Asphalt），然后在沥青玛蹄脂上嵌压粗集料碎石，但是这种施工工艺太麻烦，施工质量管理困难，而且造价很高。后来改进发展成为现在的Mastic Asphalt和粗集料一起拌合、一起摊铺压实的铺筑方式。
SMA沥青混合料在美国引进发展，是从1990年9月，美国AASTO、FHWA、NANA、SHRP、TAI和TRB联合派出了大型代表团到欧洲考察沥青路面应用技术后开始。代表团对欧洲的SMA沥青混合料印象很深，因此，1991年美国就开始铺设SMA试验路，研究推广SMA在美国的应用，1994年FHWA就提出了SMA设计施工指南并继续研究，以期进一步修改完善。从美国对SMA进行的不断研究、逐年修改规范的过程可发现，可发现美国道路工程师对SMA的逐渐加深理解的事实。美国在引进SMA的过程中，对欧洲的SMA技术进行了研究改造，来制定适合美国本土的SMA规范。由于美国的气候与欧洲各国不同，主要表现在夏天气温比欧洲高7℃—10℃，所以美国在制定SMA规范时，更加重视SMA的高温稳定性，即比欧洲更加强调了粗集料骨架的重要性，加大了最大粒径，增加了粗集料比例，并减少了沥青用量，还提出了SMA是否形成骨架的判断依据，亦即粗集料的间隙率（the Voids in Coase Aggregate（VCA） in the Dry Rodded Condition）VCADRC必须大于混合料中粗集料间隙率（the VCA in the Mixture）VCAMIX，（即VCADRC> VCAMIX），并以此作为SMA是否成功的关键因素。

2、SMA在国内应用情况： 1998年起，SMA在吉林、北京、辽宁、黑龙江、河北、山东、山西、江苏、广东、四川、青海、湖北、上海、内蒙等省区推广应用。许多重要的高速公路，京哈、京沪、京珠三大干线高速公路沿线的一些省份开始考虑采用SMA结构，河北省的保定—天津、石家庄—黄骅港、北京—秦皇岛等高速公路采用了SMA结构。首都机场高速公路、首都机场东跑道、八达岭高速公路、长安街整修、广东省虎门大桥钢桥面铺装采用了改性沥青SMA结构。
在SMA的推广高歌猛进的同时，也有个别路段产生了一些问题。如矿粉加量不足或级配控制不当，个别路段有泛油问题；如因为夜间施工或施工条件没有严格控制，导致个别路段没有达到预期使用效果等等；使SMA的推广应用遭到了误解。
因此，使用SMA技术，更要作到精心管理、精心施工，严格按照有关规范操作，以取得好的路用效果。

3、        SMA结构特点
SMA是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉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的沥青混合料。
SMA的材料结构特点为：三多一少——粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少。

上图给出了我国推荐SMA级配与AC16-I对比曲线。从图中可知，与AC16-I相比SMA16的级配曲线很不圆滑，已基本属于间断级配。在W.B.Fuller级配曲线公式中，SMA16级配曲线的4.75mm以上粗集料级配曲线的n约为0.8—0.9，与连续密级配AC16-I的n=0.45相比此段曲线变化率很大。SMA16在4.75以后，为了增加0.075通过率，此段曲线变得很平缓n=0.2—0.3, 与连续密级配AC16-I的n=0.45相比此段曲线变化率很小。AC16-I级配曲线光滑、圆顺是典型的连续级配。从图中还可以看出，SMA16级配曲线粗集料含量比AC16-I多了近30%，0.075mm的通过率比AC16-I多了近5%，同时，细集料明显减少。因此这就构成了SMA粗集料多、细集料少、矿分多的特点。
由于SMA的矿粉用量多，则集料比表面积大，需要较多的沥青来裹覆。同时大量粗集料形成的骨架空隙需要较多沥青胶泥去填充，所以SMA级配混合料的沥青用量较大，这形成了SMA的另一个特点—沥青用量多。
由于SMA属于间断级配，所以从传统观点来看，SMA的混合料很容易离析的，但SMA的另外一个特点是富油胶泥多，且胶泥的内聚力因为矿粉多而较大，使SMA克服了间断级配容易离析的缺点。同时富油胶泥增强了SMA的抵抗低温开裂性能和抗老化能力。在SMA混合料中高含量的粗集料还形成了可高效率传递车辆荷载的骨架结构，所以SMA具有很高的高温抗车辙能力。高含量的粗集料还增加了混合料表面的粗糙度，使SMA表面具有较大的构造深度，增强路面的抗滑能力和雨雪天的高速行车安全性。另外，间断级配使胶泥很容易填充到集料骨架中去，充足适量的胶泥使最终压实的SMA混合料具有低水平的空隙率（2%--4%），从而使SMA的防水性能很强，抗老化、抗疲劳优点突出，有很高的耐久性能、较长的使用寿命。
根据W.B.Fuller的最大密度级配曲线组成的传统密级配，因为各级数量比较接近，同级颗粒不能相互接触，粗集料含量少，不能形成骨架结构，所以高温稳定性能较差，在现在重交通荷载作用下容易产生车辙，传统密级配细集料用量多，导致表面构造深度小，抗滑性能差，且混合料对沥青含量变化极其敏感。在AC-I级配基础上增加粗集料含量而形成AC-Ⅱ型混合料，矿粉用量少，空隙率过大，强度低，易透水，耐久性差，使用寿命短。
我国公路工作者长期实践发展形成的AK型混合料，虽然在AC-Ⅱ型混合料基础上增加了矿粉用量（矿粉较AC-Ⅱ多3%左右，粗集料与AC-Ⅱ大致相同），但是AK仍然属于连续级配范围，粗集料含量仍较少，不能形成粗集料骨架。所以，AK型即使在铺筑初期表面构造深度较AC-Ⅱ型大，但在现代重交通荷载作用下，因未形成粗集料骨架，高温稳定性不强，AK的初期表面构造深度会随着荷载轴次增加而迅速减少，削弱了AK表面抗滑功能。在AK粗集料含量基础上增加了5%左右粗集料形成的级配AK-16B型，因其配比设计原则仍采用连续级配，所以造成细集料较AK少，空隙率较大易透水，缺点与AC-Ⅱ型类似。
SMA则是一种全新意义上的沥青混合料，克服了以上两种结构的缺点，又发扬了他们的优点。在SMA结构中，粗集料骨架占70%以上，混合料中粗集料之间的接触面远大于AC结构，交通荷载主要由粗集料骨架支撑，这种嵌挤结构有较强的抵抗荷载变形能力及高温抗车辙能力；粗集料骨架之间充满了沥青玛蹄脂，空隙率很小，几乎不透水，玛蹄脂与集料的粘结力又好，混合料的抗水害性能大大加强；柔韧性较好的沥青玛蹄脂层裹附在粗集料的表面，使混合料的低温抗裂性能大幅度提高；混合料内部被沥青玛蹄脂充分填充，沥青同空气与阳光的接触较少，沥青含量又大，混合料的耐老化性能也大大提高。应用SMA有较长时间的国家的经验表明，SMA有很好的耐久性，其使用寿命较一般沥青混凝土长20%--30%，荷兰认为可延长一倍，瑞典认为延长2~3倍。

4、SMA应用前景：由于SMA的结构优势和良好的路用性能，引起了国内广泛的关注并且开展了大量的室内外研究，使该项技术日益成熟，《公路沥青路面设计规范》（JTJ014）已经将SMA正式列入规范，交通部组织编写了《碎石沥青马蹄脂设计施工技术指南》，某些省份（如辽宁、吉林、香港等）根据本地条件编写了地方规范，交通部将SMA技术列为“九五”、“十五”重点推广项目。可以预见，一个研究、学习、推广SMA路面技术前景广阔。

5、沥青混合料理论分析
沥青混合料强度理论简析
沥青路面性能要求简述：随着经济的发展，公路等级提高，车辆速度增大，对路面的要求越来越高，这些要求有：
（1）高温稳定性。（2）低温抗裂性。（3）耐久性。（4）抗滑能力。（5）防渗能力。
提高沥青路面路用性能措施：实践证明要想提高沥青混合料的高稳定性可以通过以下措施来提高：①选用表面粗糙、多棱角、接近于立方体的骨料来增强混合料的内摩阻力；根据抗剪试验结果⑤
不同级配类型、不同集料类型对沥青混合料内摩擦角Φ和粘聚力c的影响   
编 号        混合料类型        集料表面性质        粘聚力c(kPa)        内摩擦角Φ(rad)
1        粗粒式沥青混合料        表面粗糙有棱角（碎石）        318        0.6004
2        中粒式沥青混合料        表面粗糙有棱角（碎石）        279        0.5905
3        细粒式沥青混合料        表面粗糙有棱角（碎石）        308        0.5841
4        中粒式沥青混合料        表面光滑（卵石）        232        0.4387
5        细粒式沥青混合料        表面光滑（卵石）        172        0.3799
②增加粗集料之间的颗粒接触；③优化集料级配；④改善沥青的流变性质，采用粘稠度大的沥青；⑤增加集料的比表面积。
混合料的低温抗裂性通常采用的措施有：①选择品质优良的沥青；②选择改性沥青；③增加沥青含量；④改进混合料级配。
混合料的抗疲劳性能与材料下列性质有关：①改善沥青混合料的劲度，根据有关文献，在控制应力加载模式中，疲劳寿命随着混合料劲度增加而增加。在控制应变加载过程中，疲劳寿命随着混合料劲度增加而减少；②与混合料的沥青含量有关，相对于沥青混合料最大疲劳寿命有一个最佳沥青含量，这个沥青含量通常与最大混合料劲度所需最佳沥青含量相符，比马歇尔试验确定的最佳沥青含量要稍大；③与沥青种类和硬度有关，通常在控制应力加载模式中，疲劳寿命随着沥青硬度增大而增加。在控制应变加载过程中情况相反，疲劳寿命随着沥青硬度增加而减少；④与混合料的空隙率有关，混合料的疲劳寿命随着空隙率的降低而增加。
而对于沥青路面而言，影响其上述路用性能的因素很多，从沥青的产地、标号、用量等等到矿料性能，沥青和矿料间的粘结力，混合料本身的级配乃至于交通、气候、施工水平、沥青层厚及结构组合等都有影响。应当说明的是，不但这些因素对于某一特定的性能所贡献的权数不一，上述性能的需求往往是互相矛盾或相互制约的。照顾了某一种性能，很可能就会降低另一方面的性能。例如，为了提高高温抗车辙能力，就尽量采用粗级配，增大集料粒径，减少沥青用量，但这样的混合料低温劲度很大，发脆，很容易开裂，耐疲劳性能差，不耐久。而为了提高低温抗裂性能，希望使用针入度较大，用量较多的沥青，或用较细的混合料，可这到了夏天容易软化、泛油、车辙。又例如，为了提高表面粗糙度，采用抗滑性能良好的开级配或半开级配沥青混合料，但这样一来由于空隙率较大，其耐久性将受到影响。因此沥青混合料的材料选择和配合比的设计，实际上是在各种路用性能之间搞平衡或是优化设计，这应根据当地的气候条件及交通情况作具体分析。如何尽可能兼顾这些矛盾；已成为国内外道路工作者研究的主要内容。
本文通过对SMA沥青混合料高温车辙、低温弯曲、收缩试验，然后再采用优化方法对试验结果进行回归整理得出能兼顾高、低温性能的沥青混合料配合比。
沥青混合料强度理论简析：对于沥青混合料，在高温和常温时的破坏机理，一般采用库伦内摩擦理论来分析其强度，对于圆柱试件采用三轴剪切试验，根据库仑定律，外力作用下材料不发生剪切滑动应该具备下列条件：
τ≤C + σtgφ  或者   
τ-剪应力     C-粘结力    σ-正应力      φ-内摩擦角
其中
也可以由无侧限抗压和轴向拉伸强度计算，由 ， 可以得出：
，
根据上面公式可知，SMA由于采用表面粗糙粗集料、且粗集料含量较高（4.75mm以上含量超过70%），将使混合料的内摩擦角保持在较高的水平上，这将极大地提高沥青路面的抗剪强度，减轻路面推移、拥包等剪切破坏，延长路面使用寿命。
沥青混合料的弹性-粘塑性特征：沥青混合料作为一种弹性-粘塑性材料，在应力-应变关系中呈现出不同的性质。有时为弹性性质，有时呈现出粘塑性性质。大多数情况下，几乎同时综合呈现出上述性质。
在沥青混合料使用过程中，人们希望其尽可能在弹性范围内工作，延长松弛时间，达到减少路面车辙、延长路面使用寿命的目的。根据上述分析使用改性沥青和增加粗集料含量，则在一定程度上可以达到目的。目前用于沥青混合料流变力学特征模型主要是伯格斯模型、修正的伯格斯模型、Delft-Xahu模型。伯格斯模型如下：
       本购方程：
蠕变方程：
松弛方程：
式中：
      
根据上面的蠕变、松弛方程可知，由于增加了粗集料的含量，相当于增加了模型中的E1、E2值，同时，大多数SMA结构路面使用在高速公路路面上，由于行车速度快（80~150km/h）使得荷载作用时间短，这些都将减少SMA在使用过程中的车辙量。
由于确定材料参数的方法，是一件复杂艰巨的工作，所以，到目前为止，检验高温稳定性的方法主要还是理论与试验相结合的办法为主。
沥青混合料高温稳定性评述：沥青混合料在行车荷载的作用下，会由于永久变形的积累而导致路表面出现车辙。车辙的产生不仅会造成路表的不平整，而且在车辆高速行驶时会出现飘滑现象酿成交通事故。在过重的行车荷载或持续荷载作用下，混合料会出现过量的永久变形，这些变形会使路面不平整，产生路面结构破坏。在目前的路面设计和科研工作中，研究如何减少路面车辙已经是最重要的工作和科研课题之一。根据文献记载[6]，目前用于测定沥青混合料高温稳定性的试验有：单轴加载试验、三轴压缩试验、径向加载试验（劈裂试验）、弯曲蠕变试验、扭转剪切试验、简单剪切试验、车辙试验、大型环道试验、野外现场试验。由于条件所限本次课题试验用于评价沥青混合料高温稳定性采用车辙试验。
由于混合料是松散矿料颗粒由沥青胶结作用以及矿料颗粒自身相互嵌挤的骨架作用共同组成的混合体系。从微观来看，车辙的形成机理可解释为在外荷载作用下，微观结构应力克服了某些粘结较弱的团粒间沥青膜粘滞力作用而促使某些团粒发生错动，荷载不断重复作用，这种相互错动将在更深入范围内不断重复产生逐步积累形成宏观的车辙变形。
从宏观来看，沥青混合料是一种抗拉压力学性能不同的混合材料，矿料颗粒之间的内摩擦力在整个变形过程中都存在。因此，沥青混合料的剪切变形即取决于剪应力强度，又取决于平均法向应力。车辙主要来源于剪切变形，它不仅与沥青混合料层内剪应力强度有关，而且还与平均法向应力有关；剪切变形与剪应力成正比，而与平均法向应力成反比。沥青混合料在剪切应力的作用下，其颗粒重新排列，在剪切过程中，无序结构过渡到有序结构。当平均法向应力为负时，这种重新排列将使混合料更为密实，而平均法向应力为正时，这种重新排列将使混合料变得松散。
根据文献[3]三轴剪切试验，通过采用不同加在速率dε/dt，得到一组平行包络线，斜率均为Φ，这表明混合料集料内摩擦角与试验加载速度无关，但是截距，既粘结力随着应变速率的增加而增加，SMA多用于高等级公路，根据时—温法则，由于荷载作用时间短，相当于沥青硬度提高了等级。这一结论对于沥青混合料设计是非常重要的。
当前用于设计沥青混合料高温稳定性的标准有：①马歇尔稳定度和维姆稳定度标准；②抗剪强度参数设计标准；③蠕变模量设计标准；④车辙试验标准。从目前设计规范内容来看，我国现在主要是采用①、④标准来控制SMA混合料的高温稳定性。   
抗滑性能简析：在众多路用性能要求中，路面抗滑性能一直是一个比较重要的指标，随着汽车性能提高、高速公路里程延长，提高路表面抗滑能力已经是一个重要的课题，很多高速公路路面维修不是因为结构的破坏，而是由于使用功能的丧失，其中抗滑功能因素占有相当大的比例。行车滑移主要是轮胎与路面摩擦系数大小有关，摩擦系数不仅与二者的材料性质有关，而且受表面性态、气候条件以及行驶速度等多方面因素影响。具体影响因素如下：①车辆条件：对路面的单位压力、制动器好坏；②轮胎条件：橡胶材料性质、橡胶硬度、胎面形状、磨损程度；③路表面情况：宏观构造（最大粒径、级配、形状）、微观情况（集料种类）、表面附着物（尘埃、污泥等）；④气候条件：路面温度、干湿情况；⑤行驶条件：行驶速度。当车辆条件、轮胎条件和胎面形状一定时，摩擦系数取决于路面干湿情况和车辆行驶速度。路面潮湿容易引起滑动，但是滑动情况主要是依其路面性状与行驶速度确定。
在车辆行驶速度较低时（40km/h左右）主要是路面微观性状，即集料的石质对滑移有影响。在行驶速度较高时（大于60km/h），路面宏观性状，即轮胎与路面间的排水性好坏对滑移有影响。由此可知，道路使用目的不同，抗滑侧重点也不同。车辆行驶速度较高时，从防止水膜滑溜现象出发，应该侧重考虑加强路面排水。路面构造、行车速度、摩擦系数关系如下图。


由于SMA的结构特点：粗集料表面粗糙、粗集料含量多、路面构造深度大（1mm左右），决定了其路面构造为宏观、微观均粗糙的形式，所以SMA有着优良的路面排水性能和良好的抗滑特性。
沥青混合料低温稳定性评述：随着人们认识的深入，对沥青路面低温开裂越来越关注，为了减少路面开裂，进行了大量的研究和探索，认为可以采用以下方法进行控制，其主要内容为：
限制劲度法：认为把沥青或混合料的低温劲度限制在某一较低范围内便能消除横向裂缝。
开裂统计法：路面低温开裂与膏体沥青原始劲度、路面年限、路基类型、冬季设计温度和路面厚度等有关，由裂缝指数来表征：

I-裂缝指数                   s-膏体沥青的原始劲度
a-路面年限                   d-路基类型参数
m-冬季设计温度               t-沥青层厚度
预估破裂温度法：随着温度下降，面层温度收缩应力σx(T)累计达到极限强度[σT]时，路面开始开裂，即：
σx(T)≥[σT]
温度有T0按降温速度T下降到Tf时，则温度收缩应力等于温缩应变与劲度模量的乘积，由此：
    可以简化为   
松弛理论简化法：采用离散化方法按波尔茨曼叠加原理进行松弛应力叠加近似计算。则温度收缩应力表示为：

能量法：外力对面层做的功为U(t),应力松弛过程中粘弹性材料逸出的能量为We(t),当t0时储存在材料内部的能量W(t)可以记为：

称W(t)为储存能，当W(t)达到一定水平使材料发生断裂，材料断裂的储存能W(t)被消耗于形成新表面的表面能Г和克服流动变形的功Uf。Г+Uf成为断裂能。假定W(t)全部用于断裂所需的断裂能Uf，则有：

具体计算有：

σi(t0)-t0时刻的松弛应力
εi(t0)-t0时刻的收缩应变
从众多的设计方法中，可以看出沥青混合料开裂，主要是与温度、沥青混合料的低温劲度有关。沥青混合料劲度，根据文献[3]，主要与沥青含量和沥青的性质有关，增加沥青含量、改善低温性能都能有效的改善沥青混合料的低温劲度模量。SMA由于沥青含量较高、而且在一般情况下还要使用品质优良的改性沥青，从理论分析可知SMA会有很好的低温抗裂性能。本项研究准备用低温弯曲和低温蠕变的方法来评价SMA混合料的低温抗裂性能。

6、SMA理论简析：SMA具有粗集料多、矿粉多、沥青多和细集料少等特点。是用做路面抗滑表层或者罩面的热拌沥青混合料。与普通沥青混凝土相比具有高温稳定性好、低温抗裂性好、较强的抗老化能力和抗疲劳性能等优点。
SMA在渠化交通情况下具有较好的抗车辙能力，这主要是粗集料含量高、在混合料中粗集料是石对石（stone-to-stone）接触、相互嵌锁形成的骨架直接承受了荷载的作用。这样形成的骨架对高温敏感性较小，含量较高的矿粉与沥青形成粘结力很高的玛蹄脂，使混合料的整体力学性能提高，这两方面的作用提高了混合料竖向和侧向约束导致在车辆荷载作用下，使之产生相对较微小的变化。
SMA路面的耐久性、抗裂性特别是抗疲劳裂缝的性能比沥青混凝土路面要高，这主要是较高的沥青含量与较多的矿料，首先是SMA混合料内部被沥青玛蹄脂充分充填，空隙率小、沥青膜较厚，沥青与空气接触少，因此沥青抗老化能力较强。水浸害降低，其次是减少微裂缝、提高柔韧性，使应力集中程度降低，变形特性改善。
如前所述，在沥青混合料强度理论中，沥青混合料结构组成共有三种情况：悬浮-密实结构、骨架-空隙结构、密实骨架结构。根据现有的理论，沥青混合料要具备良好的路用性能必须具备以下两个条件，第一、主骨架充分嵌挤形成骨架结构，以保证良好的内摩阻力；第二、沥青胶浆应具有较大的粘结强度并且充分填充主骨架的空隙，使混合料密实。
在SMA混合料中，公认是由于粗骨料多形成嵌挤结构，提供了抗高温车辙的能力。所说粗骨料是指4.75mm以上的部分，粒径4.75mm以下细集料部分，主要是起到填充作用，现在判断是否是SMA的标准，除了满足集配要求外，还有如下要求：
①
②
这样才不至于使粗集料处于悬浮状态，才能充分发挥粗集料的嵌挤锁结作用，体现出SMA高温稳定性的优点。
SMA是一种典型的骨架——密实沥青混合料，在观念中SMA的骨架对其抗变形能力起着决定性作用，并对SMA的强度贡献相对较大。
通常把混合料中的矿料分为粗集料和细集料，粗集料构成混合料的骨架，细集料为石屑和中粗砂，填充粗集料之间的空隙。人们对沥青混合料的骨架寄以厚望，希望它在沥青路面结构层抵抗车辆荷载作用中担当重要职责。按此观点，形成了粗集料用量较传统密级配多的骨架结构沥青混合料，SMA就是这样一种混合料。
    假设SMA路面结构只有一层粗集料构成，车辆垂直荷载作用于表面的粗集料上，然后通过SMA的粗集料颗粒本身的固体强度可直接将荷载传递到下面结构，所以对于这种只有一层粗集料形成的SMA路面结构，由于粗集料的存在，构成了稳固的传力受力骨架。因为粗集料固体颗粒本身的强度很大，因此这层路面结构的粗集料在SMA混合料中确实起到了主要的车辆荷载担当者作用，随着SMA路面结构中粗集料层数的增加，粗集料的骨架结构作用应该有个渐变过程——既不会因为粗集料层数的增加而消失，也不会再与只有一层粗集料时的“顶天立地”一样的骨架结构那么强大。粗集料层数增加后所形成的骨架“支架”高度将不断增加，根据材料力学中的压杆失稳破坏现象可知，对于同样材料的受压构件，随着构件高度增加，构件的稳定性、临界压力将大大降低。因此，可以认为粗集料骨架的稳定性也会随着结构层厚度增加而降低，粗骨架的支撑作用也会逐渐减弱。同时粗集料粒径的减小，会增加骨架“支架”的长细比，从而增加骨架的不稳定性、降低临界压力，反之，使用较大粒径的粗集料，可增加粗集料的骨架作用。因此，在美国为增加沥青混合料的高温稳定性，有使用较粗粒径的趋势。
根据压杆失稳理论，为增加构件的抗压强度、稳定性，在材料已经选定前提下，最主要的措施是增强对构件的约束，约束越强，构件的长度系数值就越小，临界压力、抗压强度就越大。而在沥青混合料结构组成中，对粗集料骨架的约束作用主要源自于沥青、胶泥的凝聚力，由此可见，增大沥青、胶泥的凝聚力，不但可以增强混合料的强度参数——凝聚力C，还可大大增加粗集料的骨架作用，增强骨架传递压力的效率。可大大提高SMA混合料的高温动稳定度。
在由多层粗集料构成的SMA混合料结构中，如果仅有粗集料的骨架存在而没有胶泥的约束作用，粗集料骨架是很容易发生“失稳”破坏的。因此，在SMA混合料组成中必须有适量的细集料用量、较高的胶泥劲度，才能使SMA充分发挥其结构特点，得到强度较高的SMA混合料。当然，细集料的用量也不能过多，过多细集料将不能形成骨架结构。沥青混合料中的骨架结构能分担传递压力，减少颗粒间的剪切应力，增强抵抗外力作用能力。
    由于SMA沥青混合料属于非均质材料，在材料内部的某截面上，应力分布是不均匀，混合料中由于粗集料颗粒的模量远大于胶泥劲度，在变形相同条件下（σ=ε*E ），粗集料所受的应力也会远大于胶泥（前提是粗集料相互接触形成了骨架）；另外，粗集料接触点、面上力的方向与接触状况有关，而与截面方向无关。
SMA粗集料骨架在下列情况下会发生失稳：粗集料形成的结构太厚，外力作用过大，粗集料组合排列的稳定差。一旦粗集料骨架失稳，将大大削弱骨架的支撑作用，SMA混合料的传力受力作用将不再主要由固体颗粒本身担当，而是由固体颗粒之间的摩擦联系来完成，此时的SMA混合料的力学强度表现与粗集料颗粒间摩擦性质和沥青胶结料对集料的约束大小直接相关。
    即使对于形成了骨架的SMA混合料，最可能的破坏形式也不是粗集料骨架的压缩变形，而是骨架颗粒之间的相对位移、滑动，且破坏变形不是突然的大变形，而是长期的骨架结构相对位移调整。粗集料颗粒间所发生的相对滑移与骨架颗粒之间的抗剪强度较小有关。
对于SMA沥青混合料而言，要想大幅度增加混合料的摩阻角θ值是不现实，尤其对于选定的集料。所以对SMA来说，为增加混合料强度，增强结构抗变形能力，在优选了集料品种基础上，使粗集料形成骨架以后，应该主要考虑如何增加SMA混合料的凝聚力C值（比如使用改性沥青、增加矿粉用量、提高纤维含量、适当减少沥青比例等等）。同时由于SMA沥青混合料常用于路面表面层，表面层在路面上的受力特点是垂直压力σ1较大，侧面约束围压σ3较小。此时混合料的凝聚力C值对σ3大小有较大影响，而沥青混合料的强度随围压σ3增加呈线性增加，所以增加SMA混合料的C值将大大增强结构的抗压强度[σ]和抗变形能力。增加SMA混合料的摩阻角θ值对表面层结构的抗压强度[σ]的影响以及增加混合料的C值对表面层结构的抗压强度[σ]影响对比示意图见下图所示。


                                   θ2
                        
                              θ1                                        θ1


                                       C2
C1                                        C1
    σ3            [σ]                        σ3                      [σ]



          在SMA混合料中增加θ和C值对抗压强度[σ]的影响对比示意图

参数C、θ基本上反映了沥青混合料的粘性性质和非粘性性质，对于具有明显粘弹塑性性质的SMA沥青混合料而言，永久变形车辙和低温开裂都主要由材料的粘性性质引起（车辙主要是由于高温条件下SMA混合料的蠕变速率过快，导致变形积累；低温开裂则是因为SMA混合料在低温环境中蠕变速率太小，造成材料变形能力小，应力松弛速率慢，温度应力积累过大而开裂），因此应该针对要解决的混合料主要病害，对SMA的粘性性质参数C进行改善——对车辙病害应主要致力于增加混合料高温条件下的C值，对开裂病害则着重降低材料低温的C值。
SMA的粗集料骨架在混合料强度组成中有重要作用，同时沥青胶泥的凝聚力对SMA的强度发挥也起着同样重要的作用，两者相辅相成，互相增强，缺一不可。沥青胶泥的凝聚力约束增强了粗集料在SMA中的骨架支撑作用，也增强了骨架的抗剪切能力；粗集料骨架的存在则增加了混合料的剪切面迂回面积，使胶泥的凝聚力发挥了最大作用。
（2）、SMA沥青混合料体积结构特点
沥青混合料作为一种复杂多成分的结构，有如下特点：矿物颗粒大小及其粒径分布、颗粒的相互位置、沥青在混合料中的分布特征和矿物颗粒上沥青层的性质、空隙率及其分布、闭合空隙与连同空隙的数量等。沥青混合料结构是指：沥青结构、矿物结构、沥青-矿粉分散系统结构等。上述每单一结构中的每种性质，都对沥青混合料的性质产生影响。
矿物骨架结构是指沥青混合料成分中矿物颗粒在空间的分布情况。由于矿物骨架承担大部分内力，因此骨架应由相当坚固的颗粒所组成。沥青混合料的强度在一定程度上取决于内摩阻力的大小，而内摩阻力又取决于矿物颗粒的形状、大小及表面特性。沥青在混合料结构的形成中也起很大作用。沥青分布特点，以及矿物颗粒上形成的沥青层理解为沥青混合料中的结构。矿物表面的沥青层厚度以及充填矿物颗粒空隙的自由沥青数量，对混合料的性质均有重要的作用。
综上，沥青混合料是由集料骨架和沥青胶结物构成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系。沥青混合料除了对组成混合料的集料级配、沥青有严格要求外，对于体积参数也有着一定要求。
SMA起源于欧洲，在美洲（美国）、亚洲（中国、日本）等很多国家进行了推广应用，使其成为沥青混合料家族中的重要一员。各国均对SMA作了规定和技术要求，根据不同气候特点，做了不同侧重的要求。欧洲各国主要是对骨料级配、体积指标（空隙率）、沥青用量、适用的交通量范围等做出了规定，但是，对于矿料间隙率（VMA）、粗集料是否形成嵌挤，从目前掌握的资料来看没有做出较为具体的要求。
美国从1990引进SMA技术后，对其级配进行了较大的调整提出了美国的级配，技术要求进行了更加详尽的规定，增加了矿料间隙率（VMA）、粗集料嵌挤标准以及抗冻性等的要求。
我国从欧美引进SMA技术后，也根据国内的实际情况进行了调整，降低了最小沥青用量的规定，并对其高温稳定性以规范规定的形式提出。本部分对SMA中的体积参数VCADRC、VCAMIX、VMA、VFA、VV及其相互关系进行简要分析（计算方法见本文第三章）：
VCADRC是干捣粗集料间隙率，该参数与粗集料有关。根据本文试验结果（4.75~9.5mm的VCADRC为43.6%、9.5~13.2mm的VCADRC为41.5%、13.2~16mm的VCADRC为42.9%、16~19mmVCADRC为42.2%）可知，并没有呈现出粒径越大，VCADRC越大或者越小的变化规律，由此可以推测，将几种粗集料混合起来，VCADRC也不会出现很大幅度的变化。
VCAMIX是指在压实的沥青混合料试件中，粗集料颗粒形成一个骨架，骨架以外的间隙占整个事件的体积百分数，称为粗集料骨架间隙率VCAMIX。在实际试验中，VCAMIX随着混合料中粗集料含量增加而减小。
VMA是指沥青混合料试件中，除去矿料部分的体积。为空隙率和沥青体积之和。在空隙率受到严格控制时，VMA的大小就决定了沥青用量的大小。
VV是沥青混合料试件的空隙率，除去矿料和沥青以外的体积。
VFA为沥青混合料试件的饱和度。为沥青体积占有矿料间隙率的百分比。
根据上述四个体积指标，由于在SMA中要求VCADRC≥VCAMIX，该式要求粗集料含量只有在数量足够多的情况下，才能满足条件。这不仅对粗集料之间嵌挤提出了判断标准，对粗集料的数量在客观上也做了规定。
VMA在SMA中要求大于17%，这是为了容纳足够多的沥青和保证有一定空隙率提出的。保证一定数量的沥青含量可以改善沥青混合料的耐久性和低温抗开裂能力，由于我国降低了最小沥青用量，可以适当降低VMA的要求。VFA是为了控制沥青含量而设定的参数。VMA值大小是混合料级配、沥青用量、矿料密度、矿料表面特性等的综合体现。对于沥青混合料级配而言，VMA过小会出现沥青用量、空隙率较小，会导致沥青混合料水稳定性较差、沥青路面疲劳寿命较短。如果VMA过大会导致沥青含量过大、剩余空隙较大，沥青含量较大可以增强沥青混合料的疲劳寿命、在一定范围内可以改善混合料的低温抗裂性，但是，也会产生降低高温稳定性的后果。因此，应该将VMA控制在一定范围内。
空隙率VV不宜过低，保证一定数量的空隙率VV（通常情况下SMA要求VV=2~4%）来容纳高温时沥青膨胀的变形体积，避免出现高温车辙。同时又不宜太高，过高会导致渗水、透水，引起水损害。在混合料中，如果空隙率过小，在高温下处于半固态的胶浆就会没有足够的空间来容纳，也会没有足够的内部空隙来吸收集料颗粒的位移。在外力作用下会产生较大的变形，其结果会导致沥青混合料高温稳定性不好。如果空隙率过大，在高温条件下会有明显压密过程，在荷载作用下也会产生较大变形。同时沥青在使用过程中受空气、紫外线、水作用会发生轻质油分挥发、氧化等反应而老化，所有这些变化都是沥青在接触空气的条件下进行的，空隙率大表明沥青接触空气的比表面大，老化速度快。同时空隙率大沥青混合料受水损害影响也大，在水和行车荷载的作用下发生沥青混合料剥离的水损害。因此，在设计沥青混合料过程中控制其合适的空隙率是非常重要的。
根据文献（6）（30）记载，沥青混合料的空隙率共分为4级
密实式，空隙率小于或者等于5%
半密实式，空隙率大于5%，小于等于10%
半开式，空隙率大于10%，小于等于15%
开式，空隙率大于15%。
SMA的空隙率一般情况下为4%左右属于密实型级配，从空隙率分析可知，其将具有良好的稳定性和耐久性。
VFA是为了控制沥青含量而设定的参数。
从上面分析可知，SMA中的四个体积指标是相互制约、相互补充的。如果粗集料太多，则VV会过大，造成混合料透水。如果粗集料含量少，则混合料不能形成嵌挤，不能满足VCADRC≥VCAMIX，在很大程度上损失了混合料的高温性能。如果VMA或者VFA过小，则表明沥青用量少，对耐久性、低温性能产生不利影响。如果VFA过大则说明沥青用量过大或者VMA过小。由此可以看出，四个体积指标是相互制约的，这在一定程度上决定了SMA各种组成成分含量的大概范围。

三、SMA应该进一步研究的内容
（1）从上述分析可知，对于沥青混合料强度理论、混合料力学特性的研究，从目前情况看，包括中国在内的世界各国公路工作者，做了深入而广泛的工作，各种研究方法、观测手段均已比较成熟。对于SMA混合料的技术要求作了细致的规定，是对于如何通过系统的方法来确定最优级配、各级集料在混合料中所起的作用，这方面的资料还很少，还有待于进一步研究。
（2）各种资料中均提到，对于SMA粗集料尺寸接近单一时，粗集料嵌挤作用发挥到最大，但是，均没有做过试验，因此，有必要验证该结论。
（3）从目前掌握的资料来看，对于玛蹄脂的研究多数还停留在定性阶段，尚应该进行定量研究。
（4）SMA低温指标应该通过试验确定。
（5）应该对SMA的施工工艺进行总结，这是保证SMA质量的关键措施之一。



参考文献：
1、方福森  路面工程  人民交通出版社 1987年
2、张登良  沥青路面  人民交通出版社 1998年
3、沙庆林  高速公路沥青路面早期破坏现象及预防  人民交通出版社 2001年
4、林绣贤  柔性路面结构设计方法   人民交通出版社  1988年
5、沈金安  改性沥青与 SMA路面   人民交通出版社  1999年
6、张登良  沥青及沥青混合料       人民交通出版社  1993年

zuicai

像是原稿一样，从哪里搞来的？