SMA-13配合比设计.doc

SMA-13配合比设计王玉臣 男 1966.05 专科 工程师 刘长翛 男 1985.05 本科 试验检测员 陈庆松 男 1988.03 中专 试验检测员摘 要:本文结合西商高速路面三十五标段实体项目工程，主要阐述了SMA-13型沥青玛蹄脂碎石混合料的配合比设计。其中详细介绍了原材的选择及各项技术指标，重点介绍了目标配合比设计，总结了配合比设计中容易出现的问题及解决方法。关键词：SMA;配合比设计;粗集料骨架间隙率1 SMA概述沥青玛蹄脂是沥青胶浆与细集料组成的混合物，沥青玛蹄脂碎石是由沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架的间隙中成为一体的混合料,简称SMA。SMA起源于德国，技术发展应用已相当广泛，国内也积累了很多成功的经验。SMA基本是由碎石骨架和沥青马蹄脂组成，其特点为三多一少，即粗集料用量多、填料用量多、沥青用量多、细集料用量少。正是由于这种特点，SMA几乎在克服了常用的AC、AM及AK等缺点的同时又集合了它们的优点。具有以下特点: 抗车辙能力高、低温抗裂性能好、抗疲劳性能强、抗滑性能好及水稳定性优良。2 项目概况西安至商州高速公路（第二通道）路线起于西安绕城高速公路灞河大桥，设枢纽立交与绕城高速相接，路线经西安市灞桥区洪庆，蓝田县华胥、蓝关、玉山、灞源，商洛市商州区李庙、岔口铺、板桥、大赵峪，止于商洛市商州区生王村，与已建成通车的商州至陕豫界高速公路相接，建设里程121公里，其中主线117公里，福（州）银（川）高速联络线4公里。主线面层结构分三层，路面表层结构在12cmATB-30+6cmAC-20的基础上设计为4cmSMA-13。3 原材及技术指标3.1 粗集料由于SMA是间断级配，粗集料占到70%以上，粗集料与粗集料之间形成良好的嵌挤作用，这是抗车辙能力强的主要原因。因此，粗集料的质量好坏是决定SMA成功的关键。我部采用业主指定的商州华迪料场生产的闪长岩，该厂集料洁净、干燥、表面粗糙、形状接近立方体，且无风化无杂质，并有足够的强度、耐磨耗性。技术指标及要求（9.5-16mm规格）见表1。表1指标单位规范要求细则要求实测压碎值%262013.1洛杉矶磨耗值%282821.5表观相对密度-2.62.62.951毛体积相对密度-2.906吸水率%2.02.00.46针片状含量%12123.5软石含量%320.6坚固性%12124.1粘附性级4443.2 细集料细集料在SMA混合料设计中的比例很少，约10，它对SMA混合料的稳定性起着重要的作用，本项目细集料全部采用机制砂。经严格考察，我部选用蒲城泉沟石料场生产规格为02.36mm的机制砂。该料场机制砂洁净、干燥、无风化、无杂质。技术指标要求见表2。表2项目单位技术指标实测含泥量（0.075mm）10.5坚固性1210视密度t/m2.52.706砂当量6072亚甲蓝值g/kg255棱角性（流动时间）s30353.3 矿粉SMA需要的矿粉数量一般为沥青用量的1.82.0倍，比其他沥青混合料要用的多。矿粉为我部自己生产，采用经沥青拌合站严格除尘过筛后11-22mm的石灰岩加工而成。矿粉要求干燥、洁净能自由的从矿粉仓流出，本项目严禁使用回收粉。技术指标见表3。表3项目颗粒范围(mm)亲水系数塑性指数加热安定性含水量(%)0.60.150.075规范要求10090-10075-1000.84实测1实测指标10095850.63合格0.23.4 消石灰由于粗集料沥青粘附性等级是4级，故SMA中又加入了1.5%消石灰来提高粘附性。试验表明加少量消石灰对改善混合料的水稳定性有明显的好处，大大提高了路面的耐久性。本部选定的消石灰为蓝田小寨消石灰厂所生产，经外委于西安公路研究院试验后，技术指标均符合施工技术要求。3.5、改性沥青由于本项目地处关东地带，在气候分区中属于1-3-2（夏炎热冬冷湿润气候区），亦属于重载交通区。为提高沥青混合料的使用性能，设计中所用的沥青必须有较高的粘度，与集料有较好的粘附性，以保证有足够的高温稳定性和低温韧性。本部选用的为业主指定的陕西国创SBS（I-C）改性沥青，主要技术指标见表4。表4项目针入度(0.1mm)(25)软化点（）5延度（cm）旋转薄膜加热闪点（）运动粘度135（Pa.s）质量变化残留针入度（）残留延度（5）（cm）规范值60-8055301.060202303.0要求值60-8070351.065252301.8-3.0实测值7382450.170302802.43.6 木质素纤维对于纤维使用的选择上，初步选用颗粒状木质素与絮状木质素。后经试验对比，采用两种纤维均能满足各项设计指标要求。考虑到在大规模施工时，絮状木质素较颗粒状木质素容易投放及拌和均匀，最终我部采用业主指定的从德国进口的絮状木质素纤维。在SMA中纤维起着重要的作用，其作用如下：加筋纤维在混合料中以三维分散相存在，起到加筋作用。分散SMA矿粉和沥青用量比较大，如果没有纤维，矿粉和沥青容易形成胶团，不能均匀地黏附在集料表面或分散在集料之间，铺筑的路面将出现“油斑”等缺陷，加入纤维可有效分散沥青胶团。吸沥青纤维本身具有较强的吸收沥青的作用，使混合料的油石比得到提高，黏附于矿料表面的沥青膜变厚，从而提高路面的耐久性。稳定纤维是沥青膜处于比较稳定的状态，尤其高温季节，纤维内部的空隙将起到缓冲的作用，降低自由沥青，使路面不致泛油。增粘纤维增加沥青与矿料之间的黏附性，通过油膜的黏结，提高集料之间的黏结力，从而提高混合料的黏结力。4 配合比设计SMA混合料配合比设计分三个阶段，即目标配合比阶段、生产配合比阶段和验证试铺阶段，以确定施工级配和最佳油石比。4.1 目标配合比设计对于目标配合比的设计，从开始选择原材料，一直到最终确定配合比结束，基本流程见图1。图14.1.1 设计初试级配根据设计的SMA类型，按级配范围要求，调整各种矿料的比例，设计3个粗细不同的初试级配。根据施工细则要求，3个级配关键筛孔4.75mm筛的通过率分别为:中值（规范级配范围中值）2%。3个级配其矿粉数量宜相同，使0.075mm通过率为10%左右。合成级配见表5。表5筛孔(mm)13.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配范围90-10050-7520-3415-2614-2412-2010-169-158-12中 值95.062.527.020.519.016.013.012.010.0级配193.558.724.518.315.914.312.411.19.8级配294.061.926.720.017.015.112.811.410.0级配394.665.128.921.618.115.913.211.710.14.1.2 测定粗集料骨架间隙率对于SMA-13来说，粗集料骨架指的是4.75mm以上的粗集料。马歇尔试件的VCAmix必须小于捣实状态下的粗集料骨架间隙的VCADRC，这也是检验石与石之间是否形成嵌挤作用的基本条件，SMA的成败关键。如果VCAmix大于VCADRC则说明粗集料一定是被沥青玛蹄脂撑开了，形不成嵌挤作用，SMA便无从谈起。对以上3种不同级配，分别测定其捣实状态下粗集料的骨架间隙率VCADRC。4.1.3 马歇尔试件成型根据当地已建成功工程的油石比和集料的合成毛体积密度，及本工程集料的合成毛体积密度计算，预估油石比为6.0%。按初试矿料配合比和初试油石比制作马歇尔试件，最后用表干法测试件的毛体积相对密度。4.1.4 注意事项由于石料密度比较大，石质坚硬，故设计击实次数为双面各75次。由于油石比用量稍小一些，VMA技术指标放低到16.5%，计算VMA时要把纤维体积计算进去，有些资料软件并没有考虑这点，导致计算出的VMA要比实际的值小约0.3%。对于温度的控制，严格控制沥青加热温度165175，混合料拌和温度175185，矿料加热温度185195，击实温度为160165，木质素、矿粉和消石灰保持干燥不用加热。用计算法确定混合料的最大理论相对密度，用表干法测试件的毛体积相对密度。测定并计算各体积指标，见表6。表6级配油石比（%）最大理论相对密度毛体积相对密度VCADRC（%）VCAmix（%）VV（%）VMA（%）VFA（%）级配16.02.6312.52240.138.74.117.576.6级配26.02.6252.52439.836.63.816.977.5级配36.02.6212.52638.535.83.616.377.9细则要求-VCADRC3-4.516.5-1975-85由以上结果可见级配1、级配2均符合设计要求，最终选定4.75mm通过率大的级配2为设计级配。4.1.4 最佳油石比的确定根据所选择的设计级配，以6.0%油石比0.3%成型马歇尔试件，测定各项体积指标，根据各项体积指标与油石比的关系曲线确定最佳油石比为5.9%。4.1.5 配合比检验按确定的矿料配合比例及最佳油石比，对SMA混合料进行混合料路用性能检验，试验结果汇总见表7，各项检验指标值均符合设计标准要求。表7试验项目试验结果施工细则要求动稳定度（次/mm）77925000残留稳定度（%）92.790渗水性（ml/min）10.050冻融劈裂强度比（%）91.585谢伦堡沥青析漏结合料损失（%）0.050.14.2 生产配合比的设计4.2.1 生产配合比流程在间歇式沥青拌合楼生产时，冷料进入热料仓以后相当于还要进行一次筛分，导致热料仓内的矿料级配又发生了变化，所以必须对热料仓内的矿料重新设计级配，这就是生产配合比设计阶段。在这个阶段，生产配合比的设计同目标配合比设计流程一样。先取热料筛分，测定各种材料的相关密度，再合成初试级配，计算粗集料骨架间隙率，接下来成型马歇尔试件，计算相关最大理论相对密度，计算各项马歇尔技术指标，最后进行生产配合比验证，从而最终确定最佳级配和油石比。4.2.2 生产配合比检验以确定的最佳油石比5.9%进行了谢伦堡沥青析漏试验、残留稳定度、车辙试验、分散试验、渗水试验，具体试验结果均能满足规范技术要求。4.3 配合比设计中可能存在的问题及解决措施见表8表8可能存在的问题原因分析解决措施VMA高4.75mm通过率太低；集料破碎严重；集料毛体积相对密度有误增加4.75mm（或0.075mm）筛孔的通过率；重新核实试验结果VMA低4.75mm通过率太高；0.075mm通过率太高重新核实试验结果；减小4.75mm和0.075mm筛孔的通过率VCA（粗集料骨架间隙率）高4.75mm通过率太高；集料毛体积相对密度有误核实试验结果；减小4.75mm通过率VV高VMA高；沥青用量少减小VMA或提高沥青用量VV低VMA低；沥青用量多提高VMA或减少沥青用量析漏严重温度高；填料用量少；木质素用量少；粗集料比例太高适当控制温度；增加填料用量；增加木质素用量或者更换品种；调整级配总之，配合比设计时，每个环节都应细心操作，一步出错很可能导致整个设计失败，白做无用功。设计一个好的级配对于控制关键筛孔通过率至关重要，不仅要对相关密度的计算要细心，还要对试验温度严格控制。4.5 试验段铺筑业主单位、监理单位、西安公路研究院及我施工单位四家共同实施铺筑了SMA试验段。按照公路沥青路面施工技术规范要求，我部从拌和，运输，摊铺，碾压每个环节入手，严格把关，尤其是对于木质素纤维的投放，专门派有技术人员监督。现场施工取得良好的施工效果，在高温下碾压路面，并未发生拥挤推移现象，成型后具有较大的构造深度，是为典型的SMA路面特点并得到广泛的好评。从室内抽提试验结果来看，4.75mm筛孔的通过率为26.3%较生产配合比小0.4%，油石比为5.9%为设计最佳油石比，其他各项指标均符合设计要求。之后的现场试验检测结果为：渗水系数为18ml/min；构造深度为1.0；平整度为0.66，均满足规范设计要求。图1为切开的芯样照片，可以看出，骨料之间形成了良好的骨架，级配良好。图2为在伸缩缝处切割后拍摄的照片，可以看出，表