SMA沥青混合料配合比设计马氏指标分析

摘 要：结合合淮阜高速公路SMA-13上面层配合比各项试验数据，对SMA沥青混合料配合比设计时的各项体积指标进行分析，同时综合考虑混合料的路用性能，总结出了SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料配合比设计的时应注意的问题及配合比调整方案。

关键词：马歇尔指标；SMA沥青混合料；配合比

中图分类号：U41.217文献标识码：

1前 言

沥青玛蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt，简称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马蹄脂，填充间断级配的粗集料骨架间隙而形成的嵌挤型密实结构混合料。SMA路面结构不仅在高温、重载时车辙变形量低，而且低温性能良好。本文通过安徽省合淮阜高速公路SMA-13上面层配合比的设计和施工，认真分析了SMA-13沥青混合料的马歇尔指标、影响这些指标的因素，及各项指标对成品料性能的影响。

2 工程情况概述

2.1本工程为安徽省合淮阜高速公路HFLM-04标段，SMA-13用于路面上面层，层厚4cm。

2.2安徽省合淮阜高速公路沥青路面施工指导意见给出了工程设计级配见表1。

表1SMA-13矿料设计级配范围

筛孔

范围 通过下列筛孔（方孔筛mm）的质量百分比%

16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 03. 0.15 0.075

上限 100 100 70 34 26 24 20 16 15 12

下限 100 90 50 20 15 14 12 10 9 8

中值 100 95 60 27 20.5 19 16 13 12 10

2.3指导意见给出的SMA马歇尔试验配合比设计技术要求（表2）。

表2SMA-13混合料马歇尔设计技术标准

试验项目 单位 技术要求

马歇尔试件击实次数 两面各击75次

空隙率VV［1］ % 3～4.5

矿料间隙率VMA［1］ % ≮16.5

粗集料骨架间隙率VCAｍｉx % ≯VCADRC

沥青饱和度VFA % 75～85

稳定度 KN 宜≮6.0

2.4原材料。

粗集料:安徽省明光鹏飞石料厂生产玄武岩规格为：4.75～9.5mm、9.5～13.2mm。

细集料:安徽淮南八公山石料厂加工的机制砂规格为：0.075～2.36mm。

填料:安徽怀远水泥厂生产的石灰岩磨细矿粉。

沥青:浙江兰亭高科的SBS改性沥青，并掺加了0.4%(沥青质量百分比)的抗剥落剂。

纤维:北京肯特莱公司的木质素纤维。

2.5拌和设备为江苏无锡锡通的4000型沥青混凝土拌和站。

2.6根据原材料筛分结果，以4.75mm筛孔的通过率为依据，设计出了三条级配作为初试级配，分别位于规范范围的中值，及中值±3%左右，并绘制了泰勒标准级配曲线（图2.6.1）。

图2.6.1 沥青混合料矿料级配设计表

3马歇尔指标分析

3.1 马歇尔试件的击实次数

SMA是一种断级配密实混合料。它由大比例集料构成坚固的石石接触、相互嵌挤的骨架结构，并由丰富的沥青玛蹄脂填充粗集料骨架结构的空隙。沥青玛蹄脂为细集料、填料、沥青结合料与纤维稳定剂的混合料，细集料作为沥青玛蹄脂的组成部分，基本上不参与建构骨架的作用。这于常规沥青混合料按最大密实的成型原理是显著不同的。SMA的断级配的概念在于通过碎石（粗集料）间的直接接触和相互嵌挤来增强路面的强度和稳定性，而在普通AC密级配沥青混合料中，粗集料基本上处于悬浮状态，少有石料与石料的相互接触。

普通的AC类混合料配合比设计时，用同一种级配，同一个油石比进行马歇尔击实试验几次，测试件的毛体积密度，往往得到几个不同的结果，而且偏差较大；而采用SMA类混合料时，几次结果是不会有太大区别的。这正是因为当击实功到了一定程度，SMA石料的嵌挤作用便发挥出来，如果石料坚硬而不会被击碎，击实次数由50次增加到75次，至100次，对SMA马歇尔密度的增加是很微小的。

本项目SMA-13上面层原材料采用的是石质坚硬的玄武岩，不易压碎，这可由石料的压碎值和饱水抗压指标看出：实测压碎值为10.1%,饱水抗压强度为192MPa，目前压路机吨位大，尤其是SMA在高温状态下就碾压成型，压实功比较大,所以我们采用击实次数为75次进行马歇尔击实试验是比较合理的。

3.2空隙率（VV）

在诸多的沥青混合料设计参数中，最重要的两个参数为沥青含量和空隙率，而沥青含量又受沥青混合料空隙率控制。从本质上说，空隙率是混合料最重要的设计参数，它的大小直接影响沥青路面的耐水性、抗车辙性能和疲劳性能等路用性能，我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定SMA-13混合料空隙率严格控制在3%～4.5%范围内。影响空隙率的因素很多，不但有施工方面的因素，而且混合料设计中诸如温度、级配和沥青用量等都会对空隙率造成影响。 在分析空隙率这个指标前把SMA混合料的体积结构如图3.2.1所示。

图3.2.1 SMA混合料体积结构图

按照JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》提供的配合比设计程序，我们设计了初试级配图2.6.1，为了突破规范的关于只以VMA和VCAmix的体积指标作为评价级配合理与否的局限，分别对三个级配采用了三个不同的油石比进行了马歇尔标准击实试验，检测马歇尔试件的各项体积指标，并进行了混合料路用性能检验，检验结果见表3。

表3马歇尔指标检测情况表

A级配 油石比 试件密度 理论密度 VV VMA VFA VCAmix VCADRC 稳定度 动稳定度 残留强度比

5.8 2.493 2.610 4.5 16.6 73.0 42.4 41.0 7.26 6879 68.3

6.1 2.521 2.599 3.0 16.0 81.2 41.9 41.0 6.82 5932 77.8

6.4 2.536 2.588 2.0 15.7 87.2 41.7 41.0 5.17 4526 78.2

B级配 5.8 2.495 2.61627 4.6 16.8 72.4 39.1 41.3 10.22 9396 86.7

6.1 2.502 2.605 4.0 16.8 76.4 39.1 41.3 9.02 7351 94.4

6.4 2.516 2.594 3.0 16.6 81.9 39.0 41.3 8.73 6277 92.5

C级配 5.8 2.475 2.621 5.6 17.3 67.8 36.9 41.8 11.75 5665 83.6

6.1 2.488 2.610 4.7 17.1 72.7 36.7 41.8 11.33 4368 79.1

6.4 2.498 2.599 3.9 17.0 77.2 36.7 41.8 9.21 3879 70.2

⑴首先可以看出三种不同级配，空隙率都是随着油石比的增加而减小的。

⑵ 当VV＜3%时，混合料的动稳定度明显减小，沥青路面发生车辙的概率增大。但当VV≥8%时，沥青路面渗水率急剧增大，容易导致沥青路面早期水损害；当VV=8%～12%时，由于沥青混合料空隙虽多但尚未连通，渗进的水分停留于路面层内难以排除，路面空隙处于水饱和状态，容易发生沥青路面早期水损害；当VV≥15%时，由于路面空隙已连通，降水渗入路面后，能够迅速从横向排除。因此密实沥青混合料从高温抗车撤与防止路面渗水考虑，路面原位空隙率一般控制3%-7%的范围内，即设计空隙率一般为3%～4.5%。

⑶ 在同一油石比下，当级配变化时空隙率的变化是比较明显的，根据图2.6.1和表3的试验数据可绘制出图3.2.2，从图中明晰的看出矿料级配对空隙率的影响。

图3.2.2VV与4.75mm通过率的关系图

随着4.75mm筛孔通过率的增加即级配由粗变细，VV是不断减小的，而且基本呈线形递减 ,所以说当油石比一定的情况下级配是影响VV的主要指标。这就要求我们必须首先确定一个合适的级配，这就要看另一个马歇尔指标VCAmix了。

3.3 粗集料骨架间隙率VCAmix

粗集料骨架间隙率VCA是SMA嵌挤型混合料特有的指标，利用VCA可以判断是否是真正的起到了嵌挤作用，如果它是粗集料骨架部分以外的体积占试样总体积的百分率，仅由粗集料在捣实状态下测定的VCA称为VCA DRC，由压实SMA试件测定的VCA称为VCAmix。看其是否满足VCAmix＜VCA DRC,这也是SMA混合料的一个试金石。

由表3的结果可以看出A级配是不符合VCAmix＜VCA DRC 的条件的，这种情况下细集料把粗集料给撑开，根本形不成石石嵌挤的骨架结构，也就发挥不了SMA混合料的性能，因此可以把A级配剔除。

VCAmix对混合料的性能又有什么样的影响呢,参照表3中的试验数据可绘制图3.3.1、图3.3.2。

图3.3.1VCAmix与稳定度的关系图图3.3.2VCAmix与动稳定度关系图

由上图看出随着VCAmix的增加,稳定度是不断减小的，当VCAmix>41后，就很难保证稳定度还在合格范围内了（规范规定SMA混合料的稳定度>6KN），这一点也说明了A级配是不可取的。但是并不是说VCAmix越小越好，VCAmix太小将影响混合料的动稳定度，动稳定度是衡量路面车辙的指标，它小了修建的路面通车后就很容易产生车辙这种早期破坏现象，因此B级配较C级配要好的多。

3.4矿料间隙率VMA

在SMA中矿料间隙率是指压实沥青混合料试件中，除了矿料实体体积、被矿料吸收的沥青和纤维体积以外的部分占试件体积的百分数，即等于空气空隙体积百分率及未被集料吸收的沥青体积百分率之和。

SMA混合料矿料间隙率（VMA）在SMA混合料中要求大于16.5%，这是为了容纳足够的沥青和保证有一定空隙率提出的。保证一定的沥青含量可以改善沥青混和料的耐久性和低温抗裂性，VMA指标大小是矿料级配、沥青用量、矿料密度、矿料表面特性的综合体现。对沥青混合料而言，VMA 过小会出现沥青用量、空隙率较小，会导致沥青混合料水稳定性较差、沥青路用性能较差。如果VMA过大会导致沥青含量过大、剩余空隙较大，这就降低了混合料的高温稳定性。因此，应该将VMA控制在一定范围内。

通过图3.4.1来看一下VMA与油石比

的关系。可以看出当油石比为6.1%时，VMA是比较理想的，当油石比>6.1%后VMA便迅速下降，这说明我们设计的SMA-13在B级配下，油石比采用6.1%是比较合理的。

图3.4.1VMA与油石比关系图

3.5 饱和度VFA

VFA=（VMA-VV）/VMA×100%，从饱和度的公式中不难看出饱和度取决于矿料间

隙率VMA和混合料的空隙率VV，是反映沥青结合料填充到一定程度才能达到要求的空隙率的指标。根据级配B的试验结果，从图3.5.1得图3.5.2看一下VFA与油石比及VV的关系。

图3.5.1VFA与油石比关系图图3.5.2 VFA与VV关系图

此图3.5.1可以看出VFA随着油石比的增加而增加，但是油石比是由几个指标共同决定的，不能只看VFA便增加油石比，太大的油石比也不是件好事，极易降低混合料的高温稳定性，，这也可以从上表3中清晰的看出，当油石比增加到6.4%时，VFA达到了81.9，而动稳定度确有大幅度的降低。

这个图看出，VFA与VV是相互制约的，当空隙率增加到一定程度，饱和度便不合格了，因此配合比设计时应综合考虑这些指标。我们采用4.0%的目标空隙率，这时饱和度也是合格的。

4配合比结论

综合以上各项指标的分析，最终选定SMA-13沥青混合料的配合比如下：采用B级配，油石比为6.1%，纤维掺加量为沥青混合料质量的0.3%，此时各项体积指标满足设计要求，而且路用性能较好。通过观察及施工过程中检测，说明这种配合比下，混合料有合理的压实度，表面有一定的构造深度，又基本不渗水；施工过程中易于拌和加工，易碾压成型，还有较好的外观。

5 结束语

SMA沥青玛蹄脂碎石是一种高性能的沥青混合料，既有很强的高温抗车辙性能和低温抗裂性能，而且有很好的密水性和耐老化性能，表面有一定的构造深度，具有好的抗滑性能，在国内日益得到发展。但是在我国SMA路面的应用还处于起步阶段，由于经济条件的关系，各地的认可能力有差别，推广的程度也有较大的差距。而在一些地方所铺筑的SMA路面由于盲目推崇确不注重配合比设计及混合料性能检验，也有不少失败的例子。在以后我们应谨慎的推广，还要认真分析SMA配合比设计时的各项指标，并结合混合料性能检验，设计出合理又适用的配合比来指导施工。

参考文献：

[1]沈金安.改性沥青与SMA路面.北京：人民交通出版社， 1999.

[2]沈金安.SMA路面设计与铺筑.北京：人民交通出版社，2003-10-01 .

[3]交通部公路科学研究所.JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》.

[4]交通部公路科学研究所.JTJ 014-97《公路沥青路面设计规范》.

作者简介：李叶（1979―），女，工程师。2000 年7月毕业于洛阳工业高等专科学校贸易经济专业，现中铁十四局集团有限公司第一工程发展有限公司从事工程技术及管理工作。