旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法設(shè)計SMA配合比的可行性研究

陳 雷，孫長軍，2，崔衛(wèi)平，秦麗娟

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，唐山 063210；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法設(shè)計SMA配合比的可行性研究

陳 雷1，孫長軍1，2，崔衛(wèi)平1，秦麗娟1

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，唐山 063210；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

分析了SMA混合料設(shè)計的局限性，對旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法設(shè)計SMA混合料的可行性進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，合理的壓實(shí)功選擇對于SMA配合比設(shè)計有很大影響。SGC可以很好的模擬路面的壓實(shí)情況，但是照搬美國的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計SMA配合比仍不可取，需要適當(dāng)降低壓實(shí)次數(shù)以符合我國國情，100次較為合理。

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)； SMA； 可行性研究

SMA（Stone Mastic Asphalt）是一種間斷級配的瀝青混合，與傳統(tǒng)的密級配不同，它的級配結(jié)構(gòu)主要是由粗集料組成，4.75mm以下的細(xì)集料通過率一般小于30%，形成骨架后，再由瀝青瑪蹄脂填充空隙。瀝青瑪蹄脂是由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量的細(xì)集料組成的粘聚力很高的膠凝狀物，它的填充使得粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有著更優(yōu)良的抗車轍性能和抗滑性能。

由于這種級配結(jié)構(gòu)骨架穩(wěn)定，路用性能優(yōu)異，SMA在我國得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是高等級路面鋪裝及鋼橋面鋪裝應(yīng)用上。一些國家的相關(guān)統(tǒng)計表明：取相同的原材料，僅僅在級配上不同。經(jīng)過一段時間的服役，SMA路面可以使路面的服務(wù)壽命延長20%～30%。美國作為高速公路發(fā)展的第一大國，于1991年從歐洲引進(jìn)SMA技術(shù)，到目前已有超過28個州采用SMA結(jié)構(gòu)形式。截止2012年底，我國已經(jīng)躍居高速公路里程世界第二位，可以預(yù)見SMA級配將得到越來越多的應(yīng)用。

1 Marshall設(shè)計法的局限性

目前，我國的SMA混合料設(shè)計均采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計方法。馬歇爾法是Bruce Marshall于第二次世界大戰(zhàn)期間在密西西比州發(fā)明和應(yīng)用的，并由美國軍方的工程部隊改進(jìn)和完善。經(jīng)過近70年的發(fā)展和應(yīng)用，馬歇爾設(shè)計方法對瀝青混合料的設(shè)計和性能提高做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是隨著SMA級配研究的不斷深入，馬歇爾設(shè)計方法由于具有一定的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，不能夠完全的指導(dǎo)SMA級配的設(shè)計，逐漸顯示出以下的局限性：

1）馬歇爾成型方法對SMA試件性能有重大影響。SMA級配中粗集料比較多，4.75mm篩孔通過率為70%以上，而馬歇爾成型方法擊實(shí)試驗(yàn)，由于擊實(shí)功較大，且粗集料數(shù)量多互相嵌擠，造成破碎情況比較嚴(yán)重。試驗(yàn)表明，將擊實(shí)后的混合料燃燒，水洗，篩分，發(fā)現(xiàn)4.75mm通過率變化顯著，即擊實(shí)過程中，粗集料被擊碎成為較細(xì)的集料，集料的棱角變差，而4.75mm的通過率是SMA級配中最重要的參數(shù)，通過率的變化嚴(yán)重影響了混合料的質(zhì)量。

2）不能通過馬歇爾設(shè)計來預(yù)測SMA路面路用性能。目前，馬歇爾設(shè)計方法的技術(shù)指標(biāo)主要是穩(wěn)定度、流值。相關(guān)資料表明，馬歇爾穩(wěn)定度、流值等不能反映熱拌瀝青混合料的抗剪切能力，僅僅停留在確定最佳瀝青用量的作用上。從而，馬歇爾設(shè)計方法與路面的破壞與病害，如車轍、疲勞和裂縫并不相關(guān)，也就不能反映路面的實(shí)際服役性能。

3）試件成型方法不能模擬行車壓實(shí)。馬歇爾設(shè)計方法中試件成型采用擊實(shí)方法，不能模擬壓路機(jī)和行車的旋轉(zhuǎn)碾壓作用。馬歇爾擊實(shí)方法對混合料強(qiáng)行壓密，粗集料不能移位從而破碎，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，混合料在振動壓路機(jī)作用下發(fā)生諧振，摩阻力減小，混合料嵌擠、壓密，集料破碎較少。

相對于馬歇爾試驗(yàn)的設(shè)計方法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的設(shè)計方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型可以有效地降低粗集料破碎情況，因?yàn)樾D(zhuǎn)壓實(shí)儀具有一定旋轉(zhuǎn)傾角，對混合料有一定的揉搓作用，允許SMA混合料的骨料相互移動，因此空隙可以迅速被填充。

2）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀已被證明是現(xiàn)行的能提供實(shí)際路面交通長期影響的最佳模擬試驗(yàn)設(shè)備，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀在壓實(shí)混合料的過程中，記錄了每一壓實(shí)轉(zhuǎn)數(shù)下的試件高度，并繪制出混合料的壓實(shí)曲線，從而可以對混合料的性能進(jìn)行分析。

3）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀很好地模擬了壓路機(jī)對路面的現(xiàn)場壓實(shí)過程，其設(shè)計的混合料與壓路機(jī)現(xiàn)場壓實(shí)混合料的特性有很好的相關(guān)性。試件成型的輸出結(jié)果可以用于監(jiān)測試件制備過程中的壓實(shí)混合料密度與混合料的壓實(shí)特性，也可用于瀝青混合料生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場控制。

2 SGC與Marshall設(shè)計法對比研究

2.1 原材料

瀝青采用PG76－22型SBS改性瀝青，針入度53（0.1mm，25℃，100g，5s），延度38cm （5cm／min，5℃），軟化點(diǎn)（環(huán)球法）80 ℃；集料分為1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）、3＃料 （2.36～4.75mm）、4＃料（0～2.36mm）四檔石料。1＃，2＃，3＃集料采用玄武巖，4＃采用石灰?guī)r。礦粉采用石灰?guī)r堿性石料磨細(xì)得到的礦粉，親水系數(shù)為0.8，無團(tuán)狀。

2.2 設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備為美國TROXLER公司生產(chǎn)的4140B型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀。具體工作參數(shù)如下：1）面板控制及液壓加載；2）壓實(shí)功：200～1 000kPa，可調(diào)；3）旋轉(zhuǎn)角：1.25°±0.02°，可調(diào)；4）旋轉(zhuǎn)速度：（30±0.5）r／min，固定；5）旋轉(zhuǎn)次數(shù)：1～999次，可調(diào)；6）模具直徑：150mm。

針對馬歇爾方法與SGC方法比較，其中馬歇爾擊實(shí)采用雙面擊實(shí)50次，SGC方法依據(jù)當(dāng)量軸次換算，選定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)Nini＝9；Ndes＝125；Nmax＝205。

2.3 配合比設(shè)計

根據(jù)各礦料的篩分結(jié)果，經(jīng)圖解法設(shè)計調(diào)整后，確定混合料三組合成級配，分別控制4.75mm通過率為25%，28%，31%。級配曲線如圖1所示。

2.4 結(jié)果與討論

選取2＃級配，并選用5.6%，5.8%，6.0%，3個油石比測定設(shè)計級配的瀝青混合料體積性能，其結(jié)果見圖2。

由圖2可知，在級配相同的情況下，馬歇爾擊實(shí)成型的試件的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、粗集料松裝間隙率（VCADRC）要大于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件，而瀝青飽和度（VFA）小于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件。分析原因，在計算瀝青混合料空隙率時，其值主要由最大理論密度與毛體積密度兩個值來確定。在試驗(yàn)條件下，級配與油石比是不變的，因此，最大理論密度也是不變的。那么造成這樣的試驗(yàn)結(jié)果在于毛體積密度的變化。毛體積密度隨著壓實(shí)功的變化而變化，壓實(shí)功越大，混合料越致密，毛體積密度越大，空隙率就越小，達(dá)到設(shè)計空隙率時所用的瀝青就越少。因此，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計方法確定的SMA最佳油石比比馬歇爾設(shè)計方法確定的最佳油石比小。

選取1＃和3＃級配，并選用5.6%，5.8%，6.0%，3個油石比對1＃級配進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，對3＃級配進(jìn)行馬歇爾成型，其結(jié)果見圖3所示。

由圖3可知，在油石比相同，級配不同時，馬歇爾擊實(shí)成型的試件的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、粗集料松裝間隙率（VCADRC）要略大于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件，而瀝青飽和度（VFA）與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件相近。分析原因，我國規(guī)范中要求SMA級配在馬歇爾擊實(shí)成型時需要雙面擊實(shí)50次，這就可能存在壓實(shí)功不足的情況。美國規(guī)范AASHTO Designation：MP8－02中規(guī)定，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為108次，這也可能存在壓實(shí)功過大的情況。由圖3還可知，在達(dá)到設(shè)計空隙率時，108次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計的級配要比馬歇爾方法設(shè)計的級配要粗；在相同油石比時，較粗的SMA級配必然要求更大的壓實(shí)功才能達(dá)到相同的空隙率。

綜上，壓實(shí)功合理選擇對SMA配合比設(shè)計有較大影響，SGC的合理旋轉(zhuǎn)次數(shù)需要通過二者成型SMA混合料體積性能指標(biāo)的對比來確定。

3 試驗(yàn)段研究

試驗(yàn)段選擇在鄂東長江大橋工程的上面層施工中，試驗(yàn)段長500m?；旌狭霞壟溥x擇2＃級配，油石比為5.8%，聚酯纖維摻量為2.5‰。在試驗(yàn)段攤鋪過程中，從現(xiàn)場取回?zé)峄旌狭线M(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)。隔天，從試驗(yàn)段現(xiàn)場鉆心取樣。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)段測試結(jié)果

4 結(jié) 語

馬歇爾設(shè)計方法帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，針對SMA配合比設(shè)計有著不可避免的局限性，而采用SGC進(jìn)行混合料配合比設(shè)計是今后發(fā)展的方向之一。從上述試驗(yàn)中可知，合理的壓實(shí)功選擇對于SMA配合比設(shè)計有很大影響。SGC可以很好的模擬路面的壓實(shí)情況，但是照搬美國的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計SMA配合比仍不可取，需要適當(dāng)降低壓實(shí)次數(shù)以符合我國國情。

［1］AASHTO MP 8.2001，Standard Specification for Designing Stone Matrix Asphalt（SMA）［S］.

［2］AASHTO Designation：PP41－02，Standard Practice for Designing Stone Matrix Asphalt（SMA）［S］.

［3］Paul J Mark.AASHTO Lead State Guideline on Superpave Implementation［M］.1998

Feasibility Research on Superpave Gyratory Compactor Method Design Mix of Stone Mastic Asphalt

CHEN Lei1，SUN Chang－jun1，2，CUI Wei－ping1，QIN Li－juan1
（1.Caofeidian Development Investment Group Co，Ltd，Tangshan 063210，China；2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The limitation of the SMA mixture designing methods in china was analyzed，then the Superpave Gyratory Compactor（SGC）method for SMA mixture where designing applicable and feasibility is analyzed，and SGC method is introduced to promote the application in SMA mixture design.It is found that the compaction work determined by the SGC design procedure is remarkably increased compared to that by Marshall design when the number of gyrations is 100.It is recommended that the number of gyrations should be decreased instead of 100when SGC is used to design SMA mixture in China.

superpave gyratory compactor； SMA； feasibilityresearch

10.3963／j.issn.1674－6066.2013.02.009

2013－02－20.

陳 雷（1979－），工程師.E－mail：wuyejinglei＠126.com