美国的SMA配合比设计方法.pdf

第18卷 第5欺 1 998 年 10 月 国外公路 美国的 SMA 配合比设计方法 沈金安 编译 交通部公路科学研究所北京市 10 0 0 88 摘 要 沥青玛蹄脂碎石混合料 sMA 是 1 9世纪6 0年 代于德国发展起来的 近年来 在欧 美和其他许 多国家相继推广和应用 但SMA的配合比设计 目前国际上尚无一个成熟 的方法 文 中对 美国提出的比较 完整的设计方法予以较详细的介绍 并列举了 SMA 配合比 设计实例 关键词 sMA 配合比设计 试验 实例 1 概述 SMA 沥青混合料的配合比设计 国际上 尚无公认的成熟方法 由于 SMA发源于德 国 德国的方法普 遍受到重视 但 德国 的 SMA 来源于浇注式沥青混凝土 再加上德国 的气候不 同 夏天不太热 所以沥青用量普遍 较多 照搬德国的方法必然会出问题 我国的气候情况更加不 同 还 要考虑 拌 和机的不 同 以及生产率 矿粉上料速度 纤 维和材料品种 的限制等等 都必须在配合比 设计时予以考虑 现在比较完整系统提出SMA配合比设 计方法的当属美国联邦公路总署 FHWA 和 国家沥青路面协会 N APA 的技术工作集团 TWG 提出的 SMA 混合料 配合比设 计方 法 NA I A 的方法有采用 SUPER PAVE的 旋转式搓揉压 实机 S upe rpa v e Gy ratory C o mP ac to r 简称 SGC 的设计方法及马歇尔 试验 设计方法两种 根据我国的实际情况 重 点介绍对我国有更多参考价值的马歇尔试验 设计方法 应该指出的是 NA PA 提出 的配合比设 计方法 基 本 上是 属 于体积 设计 方法 与 SHR P的性能设计还有相当大 的差 距 它的 目的仍然是确定矿料级配和沥青用量 沥青玛蹄脂碎石混合料是 由两个部分 组成的 互相紧密嵌挤 的粗集 料骨架 石 一 石结 构 虽然粗细集 料 的划分是2 3 6 mm 筛孔 但在 SMA混合料 中真正起嵌挤作 用 的是 4 75mm 以上部分 因而4 7 5 m m 通过率是个关键性指标 含有足够的沥青 结合料数量和具有相 当劲度 的沥青玛蹄脂 胶浆 它填充在 粗集料骨架嵌挤成的石 一 石 结构的间隙中 为此 SMA混合料必须规定 有充分的矿料间隙率 V MA 或者最小沥青 用量这两个关键性技术指标 因此 配合比设计的任务就是 确定骨架 和玛蹄脂部分各种材料 的规格和 比例 以便 保证真正地形成粗 集料骨架 骨架 的间隙又 恰到好处地填充玛蹄脂 玛蹄脂也能真正 发 收稿日期 19 9 8一 05一0 3 国外 公 路 18 卷 挥使混合料成为坚强的整体的胶结作用 美国在采用 SMA 技术后 作了大量 的 研究 提出 了 一系列改进做法 对美国 和欧 洲的 SMA 进行比较 可以发现在以下方面 有所不同 集料 最大粒径变大 粗集料含量增 加 美国多 用粒径为 16 19mm 甚至 25 mm 欧洲一般为小粒径的 11 8 5m m 偶尔 才用1 6 mm 的 美国在学 习德国的 SMA 的 初期 受德国的影响 4 7 5 m m 的通过 率一 般比较大 近年来 美国的粗集料用量增多 通过 4 75m m 的含量从 1991 年的34 下降 至1996年的25 大约6 5 的工程在2 5 一 35 之间 现在 4 7 5 m m 的通过率大都控 制在2 5 一2 8 范 围内 从表观上看 表面 状况比我国的还要粗 但矿粉用量差不 多 无论是细的还是粗的 都要求0 07 5m m 通 过率在 8 一1 3 之间 美国大部分为 9 一 1 1 对集料的质量要求都比普通的沥青混 凝土要高 粗集料必须要采用锤式破碎机生 产的接近立方体的硬质石料 表面粗糙 严格 限制软石含量 洛杉矶磨耗值及针片状颗粒 含量要求都必须提高 美国有9 0 工程的洛 杉矶磨耗值要求小于3 0 这是 SMA 结构集 料能发挥紧密嵌锁作用 具有良好的耐久性 和抗车辙能力的先决条件 细集料也要用坚 硬 稳定的材料 欧洲普遍要求用人工破碎 砂 粒径在 0 07 5一5mm 之间 沥青 沥青用量都比普通的密级配沥 青混凝土多 但是美国的沥青用量明 显比德 国的少 有 6 0 的 工程采用最少沥青用量 6 0 采用聚合物改性沥青 SMA 的沥青用 量为5 0 一 6 5 一般最佳沥青用量 为 5 7 采用纤维 稳定剂 的 高达 5 5 一 7 0 采用矿物纤维后增加 0 3 采用有 机纤维后 增加 0 6 大约为 6 3 很显 然 美国 和加拿大 SMA 的沥青用量比欧洲 的少 德国最少为 6 5 一般为6 8 多的 可达7 0 一7 5 采用纤维或改性沥青的 还要增加 很显然这与集料粗细有关 SMA 都沿用马 歇尔试 验设计方法 击实次数双面5 0次 美国也有的采用搓揉 压实机压实 但不作 为评估标准 欧洲设计 空隙率为2 一4 美国在 1993年以前 设 计空隙率为 3 5 以下 但到 1994年以后就 接近 4 统计表明 设计空隙率 3 的 沥 青用量要大 产生车辙的可能性也大 但工程 单位大部分控制在 3 空隙率与气候条件 也有关 N APA 最新的规范要求在美国北方 的设计 空隙率为 3 5 比南方的设计空隙 率 4 要低一些 美国 SMA 的矿料间隙率 VM月推荐要求不小于1 7 有9 0 的工程 在 15 一 20 之间 从 1993年起 甘匹A 逐 渐增大 导致 V侧叭 有所增大 的原因是三 个 一是与集料好坏有关 早期要求用高强度 集料 但有些州使用 了洛杉矶磨耗损失较大 的集料 在使用过程中集料压碎 导致空隙率 变小 V叼且随时间有所增大 二是试图减少 沥青用 量 设计了较 大 的空隙率和较大 的 v叼叭 三 是4 7 5 mm含 量通过率的减少 施工过程中 路面上实际钻样的空隙率大约 在5 一7 之 间 有3 0 的超过7 这一 点已引起了 注意 认为是没有压实好 由于 SMA 的沥青用量较高 通常需 要掺加稳定剂或特殊的掺加剂以防止沥青滴 漏 在美国 所有工程都使用 了稳定剂或掺 加剂 稳定剂可以是木质素纤维或矿物纤维 掺加剂是聚合物改性沥青或特种沥青 一些 州承包商可以自主选择纤维或改性剂 一些 州指定了纤维或改性剂的类型 有一个州要 求同时使用纤维和改性剂 他们认为纤维可 以防止沥青流淌 而改性剂可以提高沥青的 高低温性能 典型用量为木质素纤维 0 3 或矿物纤维 0 4 混合料总量 的百分数 在欧洲 德国JRS公司的松散纤维 或颗粒占 了相当大的比例 而美国 主要使用美国产的 松散的木质素纤维和矿物纤维 利用专用的 纤维添加设备 它 既可 用于连续式拌和机 也 5期 美国的 SMA配 合 比设计方法 可用于间隙式拌和机 SMA 的沥青结合料可以使用一般 的 道路沥青 但通常采用聚合物改性沥青 尤其 是对于重交通道路 其目的一方面是为了防 止沥青滴漏 另一方面是减小沥青的温度敏 感性 改善混合料 的低温抗裂性能 聚合 物 用量通常为沥青用量的3 一 8 所有使用的材料都必须符合美国规范规 定的标准 2 1 1 粗集料 粗集料的质量应符合表 1 的技术要求 表 1 粗集料质l 技术要求 试 验 方法规定值 洛杉矶磨耗值 针片状颗粒含量 AASHTOT9 6 30 标准 标准 ASTMD4791 Z SMA 配合比设计 步骤 吸水率 坚固性损失 5个循环 硫酸钠 硫酸镁 破碎颗粒含量 1个破碎面 2个破碎面 A ASH TOT8 5 NA PA 规定的 SMA 配合比设计 具体步 骤分五个阶段进行 SMA 材料选择 确 定具有良好嵌挤的粗集料的级配 确定所 选择级配的最小 V刻叭 及 最小沥青用量 选择最佳沥青用量 OA C 确认混合料的空隙 率 评价 SMA的水稳定性和析漏情况 其流程见 图 1所示 2 1 材料标准和选择 A A SH TOT104 15 100 9 0 2 1 2 细集料 细集料应该采用破碎的人工砂 并符合 表2的技术要求 4 75 m m 通过率 22 11 4 7 5m m 通过率 25 1 4 75m m 通过率25 选择初试沥青用t 马歇尔试脸 分析 v期r A v CA 确定设计 级配 对设计级配变化沥青用t试脸 分析空睐卒 确定最佳沥青用t l一一 玛蹄脂部分性 质测试 进行水租定性及渗析试脸检脸 图 1 sMA 配合比设计流程图 国外 公路 18 卷 表 2 细集料质是技术要求 试验方法规定值 坚固性损失 5个循环 硫酸钠 硫酸镁 棱角性 液限 塑性指数 八A SH TOT1 04 AA SH TOTP 3 3 A ASH TOT89 A A SHTOT90 1 5 4 5 2 5 无塑性 2 1 3 矿粉 矿粉必须是石灰岩破碎的石粉 使用时 表面干燥 能从矿粉仓中自由流动 矿粉的塑 性指数不大于 4 矿 粉的性质必须符合 AASHTO M 17 的要 求 其 中0 075m r n 通 过率必须大于70 2 1 4 沥青结合料 沥青必须符合 AA SHTOM22 6 表 2 或 AA SHTO MP I的要求 在大多数地区 要 使用比通 常的 标 号硬一级的 沥青等 级 SMA 有采用较硬沥青等级的趋势 2 1 5 稳定剂 稳定剂 可以采用木质素纤维 矿物纤维 或沥青改性剂 其用量 对木质素纤维通常 为混合料总量 的0 3 对矿物纤维通 常为 混合料总量的 0 4 聚合物改性剂的用量 按照供应商的要求及以往的经验确定 纤维 外加剂的用量误差在 士1 0 以内 2 2 选择初试级配 选择的初试级配必 须符合表 3的要求 以 4 7 5m m 通过率为特征变化点 改变三个 不 同通过率 2 2 2 5 2 8 三个级配均固 定矿粉数量 0 07 5m m 通过率为 1 0 左右 计算相应的材料配比 所配制 的三个初试级 配的合成级配必须在要求的级配范围内 表 3sMA 级配范围 筛 孔 m m 通过率 选择的三个集料级配的目的是选择三个 不同的沥青混合料的集料间隙率 V例叭 以 便满足 VMA 大于1 7 的要求 满足 V M叭 大于1 7 的要求对于充分 发挥粗集料的嵌 挤作用是至关重要的 但是对某些集料 有 时无论如何配合 也达 不 到 VM人 的这个要 求 这可能是由于集料过度破碎的原因 如果 这样的话 就只能更换另一种集料试验 合成级配的平均毛体积相对密度 G 功 由 各种材料的毛体积相对密度和配比按下式求 得 G 100 尸 P P 尸 井 二二 吮二二 十 十 二井 G 1 G Z G 3 仔 1 100 85一 95 7 5 2 0一2 8 16 一24 1 2一1 6 1 2一1 5 8一1 0 0 5 7 5 3 6 6 0 3 0 八 一l 尸 1 9 4200 0 07 5 式中 P p Z p p 为各种材料的配 比 其和为 100 相 应 的毛体积相 对密度为 G l G Z G 3 G 2 3 测 定 粗集 料部 分的集料间隙率 VC A朋c 为了充分发挥SMA混合料的粗集料 的 石 一 石结构的嵌挤作用 在 压实状态下沥青 混合料中的粗集料部分的间隙率 VCA 必须 等于或小于 没有其他集料 结合料存在 时的 粗集料集合体在松散状态下 的 捣实状态下 的间隙率 v CAD R 如果做不 到这一点 粗集 料的嵌挤作用就不能形成 因此这是一个鉴 别粗集料能否实现嵌挤的基本条件 粗集料的松容重和单纯粗集料的集料间 隙率 v CA c 按照 A A SHTO T 1 9方法 或 A STMC29 方法测定 2 4 选择初试沥青用量 NA PA和FHWA 规定SMA的最小沥青 用量为6 相当于油石比为6 4 不过同 时规定 当 粗集料的毛体积相对密度大于 2 7 5时 只 要VMA大于1 7 沥青用量容 许低于此要求 对粗 集料毛体积相对 密度等于或小于 2 7 5 的情况 为了防止在现场拌和的生产过 程 中 不致于低于此标准 建议初试沥青用量 5期 美国的 SMA配合比设 计 方法 在6 0 一6 5 范围 内选择 当毛体积相 对密度大于2 75 时 可以选择稍低于标准要 求的初试沥青用量 2 5 进行马歇尔试验 根据 丫MA 和 vCA 确定设计级配 按照确定的初试级配和初试沥青用量 拌和 马歇尔试件 试件数量为每组 4 个 3组 试件共计1 2个 一组 4 个试件中 1 个用 于 测定理论最大相 对密度 A A SH TOT Z的 方 法 3 个进行马歇尔试验 压实成型温度按 照AA S HTOT 245 确定 尤其要注意使用改 性沥青时 必须改变成型温度 采用 马歇 尔击实成型时 击实次数为双 面50次 如果使用 搓揉成型机 SG C时搓揉 次数为 1 0 0 次 注意马歇尔击实次数不能超 过5 0次 搓揉次数不能超过10 0次 对SMA 混合料来说 过度的击实和 搓揉都将使粗集 料破碎 从而造成不利影响 还会导致试验失 真 试件冷却后 按 AA SHTOTl 的方法 测定马歇尔试件的毛体 积相对密度G 该 方法规定试件密度采用表干法测 定 同时按 AA S HTOT20 9 方法测定松 散沥青混合料 的最大相对密度 G一 利用 G 和 G一可以 计算试件的空隙率 V V 矿 料 间隙率 VMA 及粗集料间隙率 VCA 沥青饱和度 V 石 A v v 一 卜 髯 X 2 VMA 式中 p 沥青混 合 料 中除沥青结 合料以 外的矿料部分的比例 p以 沥青混合料 中粗 集料 的比例 即大于 4 75m m 的颗粒含量 G