1. 研究目的与意义（文献综述）

1. 研究目的及意义

1.1研究目的

随着国家“十三五”规划建设的进一步深入，我国交通运输业迎来了又一个蓬勃发展的新契机。公路建设从平原丘陵地区扩展到山岭高原地区，同时带动 了隧道桥梁建设的快速发展，我国现有的隧道数量已经跃居世界首位，隧道施工技术水平也达到了世界先进水平。针对目前我国基础设施建设仍处于薄弱的现状，隧道作为联系道路、桥梁的重要纽带，是我国交通事业的重要命脉，我国将在“十三五”期间继续大刀阔斧地推进隧道工程，特别是中长隧道以及特长隧道工程建设^[1]。

回顾我国公路隧道建设与发展历程，长大公路隧道路面由原来的水泥混凝土路面为主逐渐转变到以沥青混凝土路面为主。究其因是与水泥混凝土相比，沥青混凝土路面具有良好的抗滑性、平整性和降噪性，且容易养护。但沥青混凝土路面用于隧道中也存在如下不足：

1、施工期污染空气。路面施工期间的空气污染主要来自热沥青混合料的挥发气体和施工机械排放的尾气。当隧道路面采用热拌沥青混凝土进行铺装时，沥青和集料于 160℃以上的高温环境下进行拌和，这一过程不仅要消耗大量的能源，而且在高温环境下还会排放出大量的废气和粉尘，对环境和施工人员的健康造成不利影响。

2、运营期防灾问题。沥青属于可燃材料，超过一定温度时沥青混合料便可燃烧并产生大量的高温气体，这其中含有大量有害有毒气体，会造成人员烧伤或窒息死亡。国内外部分隧道火灾事故统计如表 1.1 所示。

表 1 国内外部分隧道火灾事故统计^[2]

隧道名称	时间	国家	火灾原因	损失
勃朗峰隧道	1999	意法	载货汽车失火	41 人死亡，38 辆汽车烧毁
瑞士 A13 公路维马拉隧道	2006	瑞士	车辆追尾	6人死亡，6 人受伤，3 辆车烧毁
美国 5 号洲际公路隧道	2007	美国	15 辆货车和 1 辆轿车连撞后引发火灾	3 人死亡，10 人受伤，隧道结构损坏严重
无锡惠山隧道	2010	中国	夜班接送车辆起火	24 人死亡，19 人受伤，1 车烧毁
临洮新七道梁隧道	2011	中国	交通事故导致危险品爆炸	4 人死亡，1 人受伤，3 辆车烧毁
山西晋城晋济高速	2014	中国	追尾，导致车辆起火	30 多人死亡，多人失踪，几十台车辆及煤炭等货物引燃，隧道破坏严重
广州广河高速凤凰山隧道	2015	中国	车辆碰撞起火	2 辆车烧毁

由表 1可知，隧道内由于交通事故引发的火灾风险也正随着公路隧道数量的增加而不断加大，且我国隧道修建历史较短，经验不足，为减少火灾的影响，隧道防火救灾问题显得尤其突出。

我国大多是以热拌沥青混合料 HMA 作为传统公路隧道沥青路面施工材料，由于隧道空间封装狭窄，通风条件较差，在摊铺过程中沥青混合料排放的 CO₂及其它有害气体难以排出，导致隧道内施工工作环境恶劣，严重伤害到了现场施工人员的身体健康。此外，施工环境温度高，易引起摊铺设备和碾压设备频繁停机；施工时释放的烟尘阻挡视线，影响施工技术人员的操作，施工质量难以保证。因而通过生产实践总结公路隧道 SMA 路面温拌沥青混合料施工技术，具有十分重要的意义^[3]。

工程材料学的飞速发展，沥青玛脂碎石混合料(SMA)已经成为国内外道路工程中广泛采用的一种沥青混合料。相比传统的沥青混合料，沥青玛脂碎石混合料在高温条件下具有十分优良的稳定性，在低温条件有具有良好的抗裂性，并且沥青玛脂碎石混合料的耐久性、抗滑性与降噪性同样优于传统沥青混合料。

沥青玛脂碎石混合料(SMA)是近来国际上非常引人注目的沥青混合料，以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名于世。第一条SMA路面是德国于20世纪60年代修建的，距今已有40多年，使用状况仍然良好。

但是，要想充分发挥沥青玛脂碎石混合料(SMA)的优良性能，必须要科学合理地配置SMA的配比，以及确保SMA的施工质量。其中，SMA的配合比设计是保证工程质量的关键所在。为此，本文研究了沥青玛脂碎石混合料SMA的配合比设计问题。

1.2研究意义

1.2.1 SMA优点

SMA是一种由 沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细 集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配 的粗集料骨架间隙组成一体的沥青混 合料，其混合料具有以下特点：

(1)SMA是一种间断级配的沥青混合料。以SMA一16为例，4．75 mm以上颗粒的粗集料比例高达70%～80%，其中9．5 mm以上的占1/2，矿粉用量高达8%～13%，0．075 mm筛孔的通过量一般为10%，粉胶比远超出1.2的限制，由此形成的间断级配细集料使用量很小。

(2)加入沥青多，一方面增加矿粉用量，另一方面使用纤维稳定剂。通常使用木质素纤维，用量为沥青混合料总质量的0．3%，矿物纤维的用量则为混合料总质量的0.4%。

(3)沥青结合料用量多，比普通混合料高1%以上，黏结性要求高。要求选用针人度小、软化点高、温度稳定性好的沥青，或者采用改性沥青^[14]。

(4)SMA的配合比设计不是完全依靠马歇尔配合比设计方法，主要由体积指标确定。

在马歇尔试验中试件成型是双面各击50次，目标孔隙率为2%～4%，稳定度、流值不是主要指标；车辙试验是设计控制的手段，沥青的用量可以参考高温析漏试验确定。

(5)SMA对材料要求高。粗集料必须特别坚硬，表面粗糙，针片状含量少，细集料不用天然砂，宜用坚硬的人工砂，矿粉必须使用磨细石灰粉，最好不使用回收矿粉。

(6)SMA的施工工艺要求高，特别是拌和时间要适当延长，施工温度要提高，压实时不能采用胶轮压路机碾压。

由于SMA是一种以粗集料为主骨架嵌挤结构，所以其对高温的抗车辙能力强；此外SMA表面构造深、粗糙、孔隙大、抗滑能力强；而且沥青玛碲脂用量大，低温抗裂和耐疲劳性能高；空隙率小，基本不透水、耐久性好，路面使用寿命长。设计时可以减薄表面层的厚度达到节约成本的目的。总之，SMA表面层的最大优点就在于使高温稳定性与低温稳定性、水稳定性与抗滑性等相互矛盾或相互制约的性能得到了统一与兼顾。

1.2.2隧道 SMA 路面温拌沥青混合料施工技术优点

隧道内温拌沥青混凝土施工方法与热拌、冷拌（常温）沥青混合料的施工方法在施工方法、施工工艺和施工技术要求上有显著的区别，具有如下特点：

（1）能源消耗低。拌和及摊铺温度的降低，减少了燃油成本，拌合能耗及机械能耗也相应下降；

（2）环境污染小。拌和及摊铺温度的降低，减少了有害气体对大气环境的污染，改善了施工环境，保护了施工人员的身体健康；

（3）使用寿命长。拌合温度直接影响沥青混合料使用寿命，当温度降低时老化速度就会减低，路面使用周期将会延长^[4]，路面性能最大程度得以保护；

（4）可利用现有的设备。按照温拌指标要求，设备无需改造，基本上都是利用现有的热拌沥青混合料设备。在温拌沥青混合料的拌合、运输、摊铺及碾压等工艺流程中分别采用间歇式沥青混合拌和楼、大吨位自卸汽车、履带式沥青混合料摊铺机和双钢轮振动压路机等先进的机械进行机械化流水作业方法。其中，拌和时还采用专用温拌剂添加装置进行自动投放^[3]。

（5）抗滑性能好，可提高行车安全。SMA 沥青混合料内部含有大量的粗集料，可以形成稳定的骨架结构，有效提高路面结构的强度，提高路面结构的整体稳定性。大粒径骨料所组成的骨架稳定性好，路面碎石外漏棱角多，可提高高速公路沥青路面抗滑性能，可有效提高行车安全。

（6）高温稳定性好，抗车辙性能好。SMA 沥青混合料内部粗集料含量高，路面结构稳定性好，可有效提高沥青路面高温稳定性，预防车辙的发生。SMA 沥青混合料所使用的碎石含量多，5 mm 以上碎石所占比例高。碎石之间相互嵌挤形成稳定的结构，可有效提高沥青路面的稳定性，提高路面结构的高温稳定性^[5]，这也是 SMA 沥青混合料在隧道公路沥青路面得到广泛应用的原因之一。

（7）路面结构孔隙率低。SMA 沥青混合料内部孔隙被矿粉和纤维稳定剂填充密实，可大大降低路面结构的孔隙率，减少地表水对路面的破坏，也减缓了沥青的老化速度，有效延长了高速公路的使用寿命。在进行SMA 沥青混合料配合比设计时，沥青、纤维稳定剂和细集料将碎石内部的空隙填充密实，孔隙率大大降低^[5]。另外，为了进一步降低 SMA 沥青混合料内部孔隙率，可以采用添加抗剥离剂的方式提高沥青与骨料的粘结效果，如在沥青中添加适量的灰水或消石灰，以进一步降低路面结构内部的孔隙率，提高路面结构的防水性能，减缓沥青老化。

因此，我们必须转变沥青路面的建设理念，从源头上对沥青烟的排放进行有效遏制或者实现沥青烟的大幅度减排、降排，有效降低沥青烟的释放浓度以及排放量，减少因火灾产生的有毒气体导致人员伤亡的风险，保证绿色环保、无毒无害的隧道沥青路面施工环境，确保从业人员的身体健康，维护大气环境以及生态平衡，保证驾驶员安全平稳的在隧道中行驶，提高隧道沥青路面的使用年限，实现沥青路面建设的可持续发展。研制出一种切实有效的温拌抑烟阻燃SMA沥青混合料已显得刻不容缓，且对于“十二五”期间更多的中长隧道乃至特长隧道工程建设具有重要的现实意义。

2. 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

SMA 路面具有“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、材料要求高等特点。多年来，国内外 SMA 路面技术的研究和应用一直在进行中。真正现代意义上的SMA是 20 世纪 60 年代中期在德国诞生的。进入 20 世纪 90 年代以后，德国的 SMA 结构路面占了绝对优势，几乎成了唯一的路面结构形式，取代了原来传统的浇注式沥青混凝土和密级配沥青混凝土。SMA 路面在德国开创以后，并未立即在欧洲获得推广应用。直到 20 世纪八九十年代，SMA 才真正流行于欧洲的重要交通道路与重载路面。部分国家应用 SMA 的统计数据见表 2 所列。SMA 路面在欧洲的推广应用适应了欧洲各国道路交通荷载迅速增长的需要。可以说，SMA 是 欧洲干线公路、重交通道路、工业区道路、机场和其他重载路面推广应用最好、最为流行的一种磨耗层。

表2 部分国家应用SMA的统计数据（1996年）^[6]

国 家	总面积 /百万平方米	占沥青产品 比例/%	1996 年应用面积 /百万平方米
比利时	4.0	8
丹麦	14.0		1.1
德国	100.0	8
匈牙利	6.5	8	2.6
荷兰	32.0	3
葡萄牙	3.0		1.0

欧洲各国都建立了各自的 SMA 设计标准与规范。欧洲标准化委员会（CEN）已于 1998 年出台了欧洲 SMA 标准草案，欧洲SMA标准化工作进一步促进了 SMA的推广应用。

SMA 沥青混合料在美国的引进发展，是从 1990 年 9月后开始。1990年秋美国路面专家在欧洲进行了沥青路面考察,发现沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA,称为Soten Matirxs Aphalt）具有优良的抗车辙和抵抗带钉轮胎磨耗的能力,并且坚固、稳定。在1991年1月运输研究部(TRB)的会议上决定在美国实施SMA技术,特别用于重交通道路。1991年7月在威斯康辛州的94号州际公路上,美国首次铺筑了SMA路面。在1991年有5个州通过与联邦公路管理局(FHWA)的合作铺筑了SMA路面。从那时起,SMA路面在美国得到迅速发展,到1997年已建成的SMA项目就超过100项。1994年国家沥青技术中心NCAT接受FHWA的资助,对美国建成的SMA路面的性能进行评价。主要工作是调查收集共86个SMA路面项目140个路段(1991年一1996年)的混合料设计、质量控制和性能方面的资料,评价的性能包括车辙、开裂、纵向接缝质量、油斑、均匀度和剥落等。资料得自铺筑SMA路面最多的19个州。虽然调查和评价的SMA路面的服务年限只有5年或更短,但所有这些路段都承担了很大的重载交通量。调查和评价的结果表明,SMA路面提供了所期望的优良性能^[7]:

(1)高的车辙抗力。90%以上SMA项目测试的车辙深度小于4mm,约25%项目未测试到车辙;

(2)优良的抗裂性能。所调查的SMA路面,很少发现温度和反射裂缝,看来SMA混合料的抗裂性比密级配混合料好得多^[8];

(3)SMA路面不存在剥落的迹象;

(4)唯一的问题是油斑,这是由于施工过程中沥青结合料析漏所致,这些油斑通常对行车无影响^[9]。

SMA路面因具有优良的抗车辙能力和耐久性,已在欧洲成功地使用了20多年。SMA混合料的抗车辙能力主要是混合料中粗集料间相互嵌挤的作用,混合料压实要求粗集料间保持适当的空隙率Va,集料间空隙(VMA)不应被沥青结合料过度填充,否则Va太小,将使粗集料“悬浮”在胶泥中,导致混合料抗剪强度下降,混合料泛油、失稳,形成车辙。而SMA耐久性则来源于较高的沥青结合料含量和较厚的沥青膜,以及由沥青结合料、细集料、填料和稳定剂组成的沥青胶泥的特性。SMA混合料设计者应在以上二者之间取得平衡。

SMA的经验来自欧洲中部和北部的较冷地区,而美国大部分地区则比较暖和。正是这种气候差异,美国在SMA混合料设计上借鉴欧洲的经验,经过不断实践与总结,形成一套有别于欧洲,符合美国国情的SMA技术。集中反映在TWG于1994年提出的SMA材料和施工指南中。例如:美国采用了更粗的集料级配,它大致位于德国SMA级配区的下限迭红淀6.0%的最小沥青含量,也比德国的6.0%一7.0%和瑞典的6.6%要低;通过控制VMA来达到沥青含量高的目的,规定VMA17,而欧洲未采用VMA作为设计指标;美国还根据气候区的变化,选择相应的结合料等级。

1994年在TWG提出的技术指南的基础上,美国随后又进行了大量深入的研究工作。在SMA混合料设计方面,发现用马歇尔法确定最佳沥青含量时,有时出现反常的情况,最后不得不用经验确定,并对马歇尔法提出质疑,从而进行了应用Superpave旋转压实法设计SMA混合料的探索。用Superpave旋转压实法与马歇尔压实法作了对比试验,将一些Superpave试验引人SMA混合料的性能研究,并取得较大突破。事实表明,在比较短的时间内,从欧洲引进的SMA技术已在美国取得重大发展,并已提高到一个新的水平。

2.2国内研究现状

我国对 SMA 技术的引进是从 1991 年引进奥地利 RF集团的 NOVOPHALT 改性沥青技术时逐渐展开的。后来许多省市铺筑了大量SMA试验路，但由于对 SMA技术的理解不深入、不全面，许多试验工程都出现了不同程度的问题。因此，在引进 SMA 技术时不能照抄照搬国外的经验和做法，必须结合我国的实际进行研究、改进，才能推动SMA 在我国的发展应用。

1992 年，我国在首都机场高速公路首次铺筑了 SMA路面，以后陆续在北京、河北、山东、辽宁、吉林、江苏、广东、四川、福建等省市的高速公路与重交通道路上获得应用。同时，北京、厦门、桂林、广州等机场跑道上也铺筑了 SMA道面。不仅如此，SMA 技术还应用于许多桥面工程，尤其是要求很高的钢桥面铺装工程，如广东虎门大桥、厦门海沧大桥和武汉白沙洲大桥等桥面铺装。交通运输部公路科学研究院等单位承担了SMA性能及指标的试验研究任务，大量吸取了欧洲尤其是美国有关SMA的成果，并结合我国国情及工程实践，对 SMA 的材料性能指标及施工工艺进行了相关研究，于 2002 年 7 月发布了《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》。该指南对于我国推广应用 SMA路面起到很好的规范与指导作用。2004 年 9 月，为了适应我国交通快速发展的新形势要求，交通运输部公路科学研究院等单位再次修订了《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），2017年，又再次修订了《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）。该规范合并了《公路改性沥青路面施工技术规范》及《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》的相关内容，针对改性沥青和 SMA 方面的一些特殊要求进行了补充完善。表 3 为我国近年来修筑的部分 SMA 路面工程。

表3 国内部分SMA路面工程结构概况^[10]

工程名称	层次	厚度及结构	粗集料	沥青标号	改性剂	纤维
首都机场高速公路	表面层	4 厘米 SMA-16	玄武岩	盘锦AH-90	4%PE 2%SBS	矿物纤维 0.4%
八达岭高速公路	表面层	4 厘米 SMA-16	辉绿岩 玄武岩	大港A-100 盘锦AH-90	4%PE 2%SBS 5%PE 1%SBS	矿物纤维 0.4%
首都机场东跑道	表面层	6 厘米 SMA-16	玄武岩	日本AH-110	3%~3.5%PE 3%SBS	木质素纤维 0.3%
北京市长安街	表面层修复	3 厘米 SMA-10	石灰岩	韩国AH-90	5%SBS	矿物纤维 0.3%
宁连一级公路	表面层	4 厘米 SMA-16	片麻岩	阿联酋 AH-90		木质素纤维 0.3%

东部沿海诸省市，如辽宁、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建及广东等地，作为我国最早引入和应用 SMA 的地区，从 20 世纪 90 年代至今，在高等级公路和市政道路应用 SMA 路面方面，均取得了可喜成绩和巨大进步，并且这些省市已经开始将 SMA 路面的研究及应用工作从传统 SMA工艺及技术角度逐步向节能、环保、经济等可持续发展方向转变，见表 4。

表 4东部沿海部分省市 SMA 路面应用与发展工程实例^[11]

东部沿海省市	时间	工程事例
上海市	2009 年	多项市政 SMA 路面采用温拌技术
江苏省	2010 年	宁常高速公路部分路段采用了胶粉改性 SMA 技术
山东省	2011 年	青岛胶州湾海底隧道路面采用温拌技术承德、唐山、秦皇岛及张家口四市 12 个
河北省	2014 年	建设项目累计 380 km 路面中，有 300 km采用经济型 SMA 技术

相比一些东部省份，我国部分中西部省市SMA 的应用与发展尚处于起步阶段（见表 5），SMA路面发展与应用水平滞后，应用规模和范围仍然很小。有些地区，如西藏自治区，至今尚未发现SMA 路面的应用，即便 2015 年通车的首条高等级公路采用的也是 AC 系列路面。

表 5 我国部分中西部省份首次应用 SMA 路面实例^[11]

中西部省市	时间	工程事例
贵州省	2008年	贵州省在镇胜高速公路 44A 合同段铺筑首条 SMA-13 试验段
青海省	2010年	开始调研与讨论尝试应用 SMA 路面
陕西省	2012年	陕北首次在榆林至绥德高速公路铺筑SMA 路面
湖南省	2014年	湘潭市在昭山铺设该市首条 SMA 道路
河北省	2014年	甘肃省首次在临合高速公路采用 SMA铺筑面层

我国早期 SMA 路面基本应用主要集中于区域内或跨区域的高等级公路，但 SMA 路面至今仍然主要应用于高等级公路，应用于市政道路和其他等级公路的规模、范围及比例仍然十分有限，即使在应用较为广泛的东部沿海地区，SMA 路面在市政道路的普及程度也不高。浙江省试验 SMA 路面较早，但不仅在浙江省的公路工程中大面积推广使用为数不多，市政道路应用更是少见。福建省高速公路已经推广应用 SMA 路面超过 400 km，然而市政道路应用鲜见于报导，泉州市于 2006 年在德化县浔北路才开始铺筑首条市政 SMA 路面。辽宁省 2014 年才首次在东北地区市政道路工程中应用改性沥青玛蹄脂碎石结构(SMA)作为道路表面层。

西部地区不但应用 SMA 路面的规模小，而且也主要集中于高等级公路。以江西省为例，SMA 路面已经以若干点的形式被应用，不仅铺筑里程数量小，而且集中分布在昌金高速公路、乐温高速公路、景婺黄高速公路、夏蓉高度公路等高速公路，极少在城市主干道、干道等市政道路应用。有关报道表明，重庆市 2013 年才在重庆路（延寿宫路以北段） 的上面层铺筑该市的首条市政 SMA 路面。

沥青路面己成为隧道路面材料的发展趋势,由于沥青的可燃性,近年来多

条已通车或者设计的隧道主要针对隧道沥青路面进行阻燃处理,并展开了大量

的研究,取得了一定的研究成果,表6为国内已建成或设计采用阻燃沥青路面的隧道路面及其阻燃技术方案。

表6已建成或设计采用阻燃沥青路面的隧道^[12]

通车时间	隧道名称	长度/km	备注
2002年	渝合高速公路北碚隧道	4.04	在沥青中添加溴系阻燃剂
2002年	西山坪隧道	2.5	在沥青中添加溴系阻燃剂
2005年	沪蓉西高速女娘山隧道	1.5	在沥青中添加溴系阻燃剂
2006年	安徽沿江高速朱村隧道等6条隧道	/	在沥青混合料拌和过程中加入溴系或磷系阻燃颗粒
2006年	深港西部通道隧道	3.09	在沥青中添加溴系阻燃剂
2007年	沪蓉西高速王子石等隧道	/	阻燃SMA-16,在混合料中加入ATH粉末,替代等量矿粉
2008年	津蓟高速莲花岭隧道	2.2	在沥青混合料拌和过程中加入溴系或磷系阻燃颗粒
2008年	上海长江隧道	0.2 （试验段）	阻燃SMA-13,在沥青混合料拌和过程中加入澳系或磷系阻燃颗粒

由上表可知，我国隧道使用SMA路面少之又少，可是随着我国经济发展及城镇化建设逐步推进，城市交通压力日益增加，传统常规隧道沥青路面已经无法满足我国不断增加的交通车辆数量、重量及密度对沥青道路性能的要求，因而进一步发展应用综合性能均表现良好的 SMA 路面具有极高的现实意义。

2. 研究的基本内容与方案

3主要研究内容与技术方案

3.1主要研究内容

3.1.1原材料的选用

1. 沥青结合料

3. 研究计划与安排

4.进度安排

2020年2月底，形成实习任务书及计划分解；

2020年3-5月，收集资料素材，阅读相关文献，进行室内试验，进行毕业论文书写；

4. 参考文献（12篇以上）

5.参考文献

[1] 叶伟. 隧道抑烟沥青的研制与抑烟沥青混合料路用性能烟酒[d]. 重庆交通大学. 2014，3-7

[2] 候宁宁. 隧道温拌阻燃抑烟沥青混合料技术性能研究[d]. 长安大学. 2018，6-14