SMA配合比解析

SMA配合比设计我国对SMA的研究起步较晚，经验也不算丰富。在参考国外的方法，和我国自己设计的一些著名的工程经验，其配合比设计流程如下图：材料选择材料试验纤维稳定剂粗集料、细集料、矿粉沥青及改性沥青选择初次级配以4.75mm(公称最大粒径9.5mm时，为2.36mm)，通过率为关键性筛孔，选用中值及中值4%及S型4个档次设定初级料的VCADRC选择初试沥青用量，制作马歇尔试件分析VMA,VCA等，确定设计级配对设计级配变化沥青用量制作马歇尔试件分析VV,VFA等，确定最佳沥青用量进行马歇尔试验，检验稳定度，流值进行各种配合比设计检验，确定配合比不合格不合格不合格图 配合比设计流程图4.1 SMA混合料设计要求4.1.1集料最大粒径与层厚集料最大粒径（Maximum size of aggregate）指集料的100%都要求通过的最小的标准筛孔尺寸。集料的公称最大粒径(Normal maximum size of aggregate)指集料可能全部通过或允许有少量不通过（一般容许筛余不超过10%）的最小标准筛孔尺寸。通常比集料最大粒径小一个粒径。影响公称最大粒径的选择的最主要因素是粒径和压实厚度的匹配。铺筑SMA的压实厚度不得小于集料公称最大粒径的2.5倍。公称最大粒径是16mm，即是SMA-16。因此，根据规范要求的适用的厚度是3040mm之间。在实验时我们选择30mm。4.1.2空隙率空隙率是设计中最重要的设计指标。空隙率低于3%的SMA路面出现永久变形的概率要高些。根据规范的要求空隙率在3%4 %,选择3%。表4-1 设计要求指标指 标规范要求设计要求粒径（ mm ）16空隙率（% ）343层厚（mm）3040304.2 矿料级配设计对任何一种混合料，矿料级配都是最重要的因素。如下表是我国规范给出的不同粒径的SMA矿料级配建议范围：表4-2 我国规范的SMA矿料级配建议范围 筛孔尺寸(mm)规格26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-19100901007292628240551830132212201016914813812SMA-1610090l006585456520321524142212181015914812SMA-1310090l00507520341526142412201016915812SMA-1010090100286020 32142612221018916813初试矿料级配的配合比设计步骤：（1）以4.75mm(公称最大粒径9.5mm时，为2.36mm)通过率为关键性筛孔，选用中值及中值4%，还包括一个S型级配曲线，共4个档次。级配乙是中值，级配丁是S型曲线，甲、乙、丙、丁四个级配4.75mm的筛孔通过率分别为30%、26%、22%、28%。表4-3 选择的几组初试级配 筛孔 （mm）0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216.19范围SMA-168129 14101512181422152420324565658590100100级配甲Pi10131417202430577797100Ai90878683807670432330ai31334627202030级配乙Pi1011.512.5151819.526557595100Ai9088.587.5858280.574452550ai1.512.531.56.529202050级配丙Pi10121314161822557492100Ai90888786848278452680ai21122433191880级配丁Pi1091113141528607695100Ai90918987868572402450ai122111332161950注：Pi：过百分率，%；Ai：累计筛余百分率，%；ai：分计筛余百分率，%。各个矿料级配和上下限的级配曲线如下：（2）根据试验规程公路工程集料试验规程测得各个筛孔的毛体积相对密度和表观相对密度，原始数据如表4-4。表4-4 毛体积密度和表观密度测定数据筛孔尺寸矿粉0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216毛体积相对密度b2.7272.6092.6092.7272.7332.6332.5922.5792.6762.635表观相对密度a2.6292.6992.7222.752.746合成毛体积相对密度sb级配甲2.619级配乙2.614级配丙2.616级配丁2.604合成表观相对密度sa级配甲2.705级配乙2.703级配丙2.706级配丁2.697（3）计算集料的有效相对密度se（4）计算粗集料的毛体积平均相对密度CA（5）测定大于4.75mm的粗集料松方毛体积密度S、干捣实空隙率VCADRC（6）测定沥青a和纤维稳定剂的密度x 为了充分发挥SMA混合料粗集料的石-石结构的嵌挤作用，在压实状态下沥青混合料中粗集料骨架间隙率VCAMIX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捣实状态下的间隙率VCADRC。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。4.3 SMA的体积结构参数4.3.1粗集料骨架间隙率VCA粗集料骨架间隙率是指粗集料实体之外的空间体积占整个试件体积的百分率，用于评价按照嵌挤原则设计的骨架型沥青混合料的体积特征，主要用于SMA混合料或OGFC混合料的组成设计。（1）捣实状态下粗集料骨架间隙率VCADRC捣实状态下粗集料骨架间隙率是将4.75mm(或2.36mm)以上的干燥粗集料按照规定条件在容量筒中捣实，所形成的粗集料骨架实体以外的空间体积占容量简体积的百分率，按式(4-1)计算。 （4-1）式中：VCADRC捣实状态下粗集料骨架间隙率，%； 捣实法测定的粗集料骨架的松方毛体积密度，g/cm3； 粗集料的平均毛体积密度，g/cm3。（2）沥青混合料试件的粗集料间隙率VCAmix压实沥青混合料试件内粗集料骨架以外的体积占整个试件体积的百分率，按式(4-2)计算。对于SMA-16和SMA-13，粗集料通常是指粒径4.75mm的粗集料；对于SMA-10粗集料是指粒径2.36mm的粗集料。 （4-2）式中：VCAmix沥青混合料粗集料骨架间隙率，%；Pca沥青混合料中粒径4.75mm(或2.36mm)的粗集料比例，%；粗集料的平均毛体积密度，g/cm3；沥青混合料实测毛体积密度，g/cm3；水的密度，约为1g/cm3。SMA是按照骨架嵌挤原则设计的，为了充分发挥SMA中粗集料石-石骨架的嵌挤作用，在压实状态下，沥青混合料中的粗集料间隙率VCAmix必须满足式(4-3)的要求。粗集料骨架间隙率VCADRC能否大于沥青混合料骨架间隙率VCAmix是检验粗集料能否形成嵌挤骨架的关键。当不能满足式(4-3)的条件时，混合料的粗集料骨架实际上是被所填充沥青玛蹄脂撑开了，表明在混合料中或者沥青玛蹄脂过多、或者粗集料骨架间隙过小。所以，粗集料间隙率VCAmix实际上控制了SMA混合料中沥青玛蹄脂的总体积。 VCAmixVCADRC （4-3 ）式中：VCAmix压实状态下沥青混合料中的粗集料间隙率，%；VCADRC捣实状态下粗集料骨架间隙率，%。4.3.2马歇尔试件的体积参数（1）混合料理论最大相对密度t (4-4)式中：Pa沥青混合料的油石比，%；Px纤维用量，以矿料质量的百分数计，%；se矿料的有效相对密度，无纲量；a沥青的相对密度（25/25），无纲量；x纤维稳定剂的密度，g/cm3，由供货商提供或是由比重瓶法实测得到。（2）空隙率VVVV= (4-5)（3）混合料的矿料间隙率VMAVMA= (4-6)（4）混合料有效沥青的饱和度（有效沥青含量占VMA的体积比例）VFAVFA= (4-7)式中：f测定的试件的毛体积相对密度，无纲量；t沥青混合料的最大理论相对密度，无纲量；Ps各种矿料占沥青混合料总质量的百分数之和，即Ps=100-Pb，%；sb矿料的合成毛体积相对密度。4.4 SMA混合料配合比设计4.4.1马歇尔试验规范要求表4-5 SMA混合料的物理力学性能指标和技术要求技术指标技术要求使用非改性沥青使用改性沥青配合比设计马歇尔试验指标马歇尔试件击实次数两面各击实50次空隙率VV(%)341矿料间隙率VMA(%) 集料的最大公称尺寸(mm)9.517.513.217.01616.51916.0混合料粗集料间隙率VCAmix，(%)粗集料骨架间隙率VCADRC沥青饱和度VFA(%)75851马歇尔稳定度(kN) 5.56.0流值(0.1mm)20502050配合比设计检验指标谢伦堡沥青析漏量(%) 0.200.10肯塔堡飞散损失量(20)(%) 2015车辙试验的动稳定度(次/mm) 1 5003 000水稳定性检验残留稳定度(%) 7580冻融劈裂强度比(%) 7580渗 水 系 数 (mL/mix) 80注：1对于高温稳定性要求较高的重交通路段或炎热地区，设计空隙率取高限，也可放宽到4.5%；VFA允许放宽到70%。4.4.2选择初试级配（1）计算每组级配集料的合成毛体积相对密度sb合成表观相对密度sa（2）测定粗集料骨架部分的集料间隙率VACDRC、粗集料平均相对密度s（3）计算合成矿料的有效相对密度sese=C=0.0332X-0.2936X+0.9339 (4-8)x=式中：se矿料的有效相对密度；C合成矿料的沥青吸收系数，可以按矿料的合成吸水率求出；x合成矿料的吸水率，%；sb矿料合成毛体积相对密度，无纲量；sa矿料合成表观相对密度，无纲量。（4）将四个级配的选择一个经验的油石比作成马歇尔试件各四个进行马歇尔试验，通过马歇尔体积参数、稳定度和流值来选择最佳设计级配。表4-6表是各个级配的马歇尔体积参数实测数据。 表4-6 SMA混合料马歇尔试验数据级配4.75mm通过率（%）试件密度f(g/cm3)理论最大密度t(g/cm3)空隙率VV(%)矿料间隙率VMA(%)捣实状态下的粗集料间隙率VCADRC (%)稳定度MS（kN）流值FL（0.1mm）混合料粗集料间隙率VCAMIX沥青有效饱和度VFA（%）甲302.3752.4493.014.4537.406.126.036.3979乙262.3642.4463.414.6838.405.050.033.0477丙222.3422.4484.315.5439.135.636.229.2072丁282.3642.4393.114.5939.705.840.834.8879从4组初试级配的试验结果中选择设计级配时必须符合VCAMIXVCADRC及VMA17%（有些情况可以使其降低到16.5%）这两个最主要的要求，当有一组以上级配同时符合要求时，以粗集料骨架分界集料通过率较大且VMA较大的级配为设计级配，从而得出满足的一组级配是：丙组。4.4.3 确定最佳沥青用量按确定的最佳级配-级配丙，再根据经验和查资料选择一个恰当的油石比，由于在初试级配是使用6.0%的油石比，但是在试验过程中发现VV偏大，因此有必要调整初试油石比为5.8%。改变沥青含量分别按0.20.4变化的幅度来选择油石比6.2%、5.8%、5.4%。按照这三个油石比做12个马歇尔试件，9个用来测稳定度和流值，其他三个用来测理论最大相对密度，由此可以根据空隙率要求确定最佳沥青用量马歇尔试验的结果必须符合SMA混合料的实际技术要求。 表4-7 不同油石比SMA混合料马歇尔试验数据油石比（%）理论最大密度t(g/cm3)实测密度f（g/cm3）稳定度MS(kN)流值FL(0.1mm)矿料间隙率VMA（%）沥青饱和度VFA（%）混合料粗集料间隙率VCAmix（%）空隙率VV（%）5.42.4642.3636.057.014.672.029.44.15.82.4512.3755.621.014.478.631.23.16.22.4392.3764.518.014.882.732.52.6马歇尔试验结果曲线如下图所示： 图 马歇尔实验结果曲根据试验结果，由期望的设计空隙率3%，可以确定OAC=5.7%作为最佳油石比。此油石比也满足规范的要求。4.5 SMA配合比设计检验SMA目标配合比设计完成后，进行设计的检验，其技术标准如下表：表4-8 配合比设计检验技术要求各 项 指 标不使用改性沥青改性沥青配合比设计检验指标谢伦堡沥青析漏量(%) 0.200.10肯塔堡飞散损失量(20)(%) 2015车辙试验的动稳定度(次/mm) 10003000水稳定性检验残留稳定度(%) 7580冻融劈裂强度比(%) 7580渗水系数(mL/mix) 804.5.1高温稳定性检验即车辙试验。SMA用于路面的表面层，直接与荷载接触，又暴露在大气中，所以是最重要的层次。所以车辙试验必须进行的验证，是非常重要的。它不仅要求有良好的高温稳定性，低温抗裂性，还要求有良好的抗滑性能，以满足道路路面各种使用性能的需求。车辙实验对使用改性沥青结合料的SMA混合料，建议动稳定度达到3000次/mm6000次/mm:对于不使用改性沥青结合料的SMA混合料，要求动稳定度达到1500次/mm6000次/mm。另外，对于沥青混合料，动稳定度也不是越大越好，一般认为，大于6000次/mm 的混合料有可能发脆。所以有时也对上限做了限制。但这也是对配合比设计用的新拌混合料而言的，如果是在现场取样，动稳定度要大得多，则完全有可能超过6000次/mm。所以是不适用的。表4-9 SMA混合料车辙实验数据试验项目试验结果平均值动稳定度（次/mm）35223738348042124.5.2水稳定性检验评价的试验方法进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验（1）浸水马歇尔试验是将马歇尔试件放在60水中浸泡48小时后进行马歇尔实验，和在60的水中浸泡0.5小时的马歇尔试验值进行比较，则可以得出残留稳定度。试验数据见表410。表4-10 SMA混合料浸水马歇尔实验数据试验项目试验条件试验结果稳定度（kN）残留稳定度（%）平均值（%）5.7%（1）0.5h浸水后48h浸水后9.57883.690.05.7%（2）0.5h浸水后48h浸水后8.538.2796.95.7%（3）0.5h浸水后48h浸水后8.958.0289.6（2）冻融劈裂试验 试件在脱摸后在室温下养生96h，才能进行试验。试件分成不冻融及冻融的两组，冻融试件需先进行真空饱水，用 0.09MPa气压下的真空抽吸5min15min，测定饱水率在55%80%范围内，负压吸水10mL封住，试件在-182下冰冻16h以上，取出后在60水中浸泡24h，随之在25水中与不经过冻融组的一起浸泡2h后，进行劈裂试验。表4-11 SMA混合料冻融劈裂实验数据油石比（%）试件组数试件高度（mm）PT（kN）未冻融试件RT1（MPa）试件高度（mm）PT（kN）冻融试件RT2（MPa）劈裂强度比TRS（%）测定值平均5.7162.564.740.47662.504.630.46697.999.7263.894.200.41363.364.310.427103.4364.324.850.47464.524.760.46397.74.5.3谢伦堡析漏试验按规范规定的谢伦堡析漏试验方法进行试验，试验温度 185（相当于拌和站出料温度）。试验步骤如下：（1）据配合比拌和沥青混合料，一组试件分别拌四份，每份1kg；（2）洗净800mL烧杯，烘干，称取烧杯的质量m0；（3）将1kg拌和好的沥青混合料倒入烧杯中，称取烧杯及混合料的总质量m1；（4）在烧杯上加盖玻璃板盖片，放入1702烘箱中，持续60min1min；（5）取出烧杯，不加任何冲击或振动，将混合料向下扣倒在玻璃板上，称取烧杯及粘附在烧杯上的沥青混合料、细集料、玛蹄脂等的总质量m2。 （6）根据下列公式计算m，精确至0.1：测得试验数据如下：表4-12析漏试验数据试件组数m0(g)m1(g)m2(g)m(%)11431139.2143.80.080.12142.21138.4143.50.123143.41138.7144.40.104.5.4 肯塔堡飞散试验沥青混合料的飞散试验，是西班牙肯塔堡大学为排水性开级配沥青混合料而开发的一种试验方法。现在经过许多国家的应用，已经扩展到用来确定沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）、排水性大孔隙沥青混合料（OGFC）、抗滑表层混合料、沥青碎石或乳化沥青碎石混合料等路面的表面层是否会发生集料飞散的通用试验方法。这些结构的路面往往表面构造深度较大，粗集料外露。孔隙内经常有水，在交通荷载的反复作用下，由于集料与沥青的粘结力不足而容易引起集料的脱落、掉粒、飞散、并成为坑槽的路面损失，是常见的一种严重的沥青路面破坏现象。为了防止这种破坏，在配合比设计时，辅以飞散试验进行检验是必要的。 沥青混合料的集料飞散性能是指由于沥青用量或粘结性不足，在交通荷载作用下，集料在路面表面脱落而散失是性质，以马歇尔试件在洛杉矶试验机中旋转撞击规定的次数，沥青混合料试件散落材料的数量百分率表示。它也可在低温或浸水条件下进行试验。在浸水中试验，其目的是考察试件在热水中膨胀和沥青老化，对集料和沥青粘结力下降的影响，散落数量百分率，以评价沥青混合料的水稳定性。在低温的飞散试验，是用来评价冬季及春融季节的路面松散是有效的方法。主要的试验步骤如下：根据实际配比，采用标准击实法成型马歇尔试件，一般双面击实50次，量测试件的直径和高度，将试件放入恒温水浴中养生；对标准飞散试验，在20水浴中养生2h ，逐个取出试件称量m0：立即将试件放入洛杉矶磨耗试验机中，盖好盖子，一次只能试验一个试件：按洛杉矶试验方法，不放入钢球，开动试验机，以3033 r/mix的速度旋转300转：打开试验机盖子，取出试件及碎块，称取残留质量；当试件已经粉碎时，称取最大一块残留试件的混合料质量m1，沥青混合料的飞散损失率按下式计算：试验测的的数据如下表：表4-13飞散试验试件组数mo(g)m1(g)S(%)11171.111075.475.6121166.61104.45.3331158.91089.16.02以下是进行了水稳定性试验的结果和规范的对比：表4-14水稳定性实验数据油石比动稳定度（次/mm）沥青析漏（%）肯塔堡飞散（%）残留稳定度（%）稳定度（MS）流值（mm）5.7%37380.15.6190.09.023.84规范要求30000.1208080从表上可以看出试验结果满足设计规范要求。4.6 试验结果分析4.6.1 原因分析 在进行试验的整个过程中存在以下一些问题：（1）在测定集料的表观相对密度和毛体积相对密度时，由于实验仪器的不完善，导致实验数据的精确度不高。（2）由于使用的集料质量不好，含有大量的针片状。这对本次试验有很大的影响。因为在配合比设计的过程中，进行马歇尔试