SMA粗集料合理级配组成设计研究

【前言】SMA粗集料合理级配组成设计研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。【Abstract】In view of the fact that the characteristics of coarse aggregate skeleton exert important influence on the performance of SMA mixture， the gradation design research and the VCA characteristics of SMA coarse aggregate were studied in de...

【摘 要】鉴于粗集料骨架特性对于sma混合料路用性能的重要影响，采用室内试验，针对SMA粗集料级配组成进行试验设计，针对SMA粗集料VCA特性进行了深入研究。试验结果表明，对于SMA混合料，若要进一步增强SMA的高温稳定性能，可采用间断级配，其中，9.5～4.75mm集料在粗集料中的比例约为35%～42%；由X1（19～16mm）和X4（9.5～4.75mm）两组粒径构成的骨架结构最密实。若想获得较大的粗集料骨架空隙率，以便能填入更多的沥青，则应选用单一粒径的粗集料；若无特殊的设计要求，推荐SMA的粗集料配比组成，应根据方便施工和节约成本的原则确定，也可采用SMA级配范围里的中值级配。

【关键词】道路工程；沥青路面；SMA混合料；粗集料VCA；级配设计；间断级配

The Reasonable Gradation Design Research on Coarse Aggregate of SMA

Zhao Rui，Cui Qian

（Guizhou Lu Tong Highway Engineering Supervision Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550001）

【Abstract】In view of the fact that the characteristics of coarse aggregate skeleton exert important influence on the performance of SMA mixture， the gradation design research and the VCA characteristics of SMA coarse aggregate were studied in depths. The experimental results show that in order to enhance the high temperature stability of SMA， the mixture can be composed by gap graded which 9.5～4.75mm aggregate in the ratio of 35% to 42% approximately. In this situation， the following two groups of particle，X1 （19～16mm） and X4 （9.5～4.75mm）， can compose the most dense skeleton structure. To get a larger coarse aggregate porosity for the purpose of filling more asphalt， you should use a single particle of coarse aggregate. If without special design requirements， the ration should be based on the principle of convenient construction and cost savings， may also be adopted in the median range of gradation.

【Key words】Road engineering；Asphalt pavement；SMA mixture；VCA of coarse aggregate；Gradation design；Gap graded

1. 引言

（1）沥青玛蹄脂碎石混合料（以下简称SMA）是一种间断级配的沥青混合料，其混合料组成呈“三多一少”，即粗集料多、矿粉多、沥青多，细集料少。粗集料相互嵌挤，形成骨架结构，由“沥青+矿粉+纤维”形成的玛蹄脂胶浆填充粗集料空隙，SMA的沥青膜较一般AC型混合料厚，因而具有较好的耐久性。加之粗集料相互嵌挤形成的骨架结构，混合料又具有良好的抗车辙性能，因而SMA是一种高低温和耐久性均较优的高性能沥青混合料，多用于高速公路抗滑表层。SMA最先由德国人于上世纪五六十年明和使用，并获得了成功。上世纪90年代末才开始引入中国。SMA混合料组成设计最为关键的是粗集料的组成设计，由于SMA为间断级配，2.36mm～4.75mm之间的集料极少（几乎没有），粗集料的设计以及骨架空隙率的设计显得尤为重要。因此，本文专门针对SMA的粗集料组成设计进行了试验研究。

（2）研究和实践表明，采用集料的有效密度指标计算的混合料理论最大密度也许更接近真实值。因此，本文中若非特别注明，所使用的沥青混合料最大密度均为集料有效密度计算值。关于集料有效密度的试验方法见相关试验规程。粗集料是SMA混合料的重要组成部分（文中所说粗集料特指4.75mm以上的集料），它对SMA的结构有重大影响。本文选用SMA-16级配为研究对象。

2. 粗集料的单因素振实试验

（1）集料级配组成试验属配方试验，它有一个约束条件，即诸因素相对组成比例之和为100%，当仅有双组分时其实为单因素试验。本文在试验中将粗集料分为四个粒级，分别为19mm～16mm、16mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm和9.5mm～4.75mm。对最大粒级和次大粒级按不同比例进行组合，以VCA最小作为目标函数，可得前二粒级组的最优组合比例，固定其比例关系不变与下一粒级再行组合并优化，最终得到诸粒级的最优组成比例。粗集料级配优化试验方案及试验结果分析见表1。

（2）从表1中得到玄武岩粗集料的最优配比为：19～16mm：16～13.2mm：13.2～9.5mm：9.5～4.75mm = 5.4：30.6：24：40。若分别以4.75mm通过率18%、25%、32%（作为上限、中值、下限级配）来分配粗集料中各组成成分的比例，则最优级配组成分别为4.43： 25.09： 19.68： 32.80（%）； 4.05：22.95：18.0：30（%）；3.67：20.81：16.32：27.20（%）。如按照规范中的级配范围取上限、中值、下限三种级配计算，粗集料中各粒组的用量比例分别为10：35：0：5（%）；5：25：22.5：23.5（%）；0：15：15：42（%）。对比可知，规范中粗集料部分的级配范围不是按照最密实骨架原则设计的，而是以颗粒“粗”（大粒径粗集料用量多）、“细”（小粒径粗集料用量多）来划分的。规范中SMA-16中值级配的粗集料相对比例与表1中的最密实级配基本相近，从这个意义上说，SMA-16的粗集料中值级配相对密实，上、下限级配的组成偏向于单一粒径。

（3）总体说来，单一粒级集料的VCA明显比多粒级集料的大，事实上，上述现象是集料紧装密度与次粒级集料含量以及级配组成的关系的反映。紧装密度大的集料其VCA必然小。如果忽略粒级数对VCA的系统影响，则可得到次粒级集料含量p与VCA的相关方程：

VCA（%）= 0.0004p2-0.0226p + 38.669

图1 玄武岩ZX、花岗岩LH和玄武岩*LX的VCA测试结果

（4）对于上式，r = 0.8138；各回归项的T值分别为：二次项，3.88；一次项，-2.235；常数项，166.091。常数项的回归效果最显著，相对于常数项，p 的变化对VCA的影响甚小，在试验范围内，p对VCA的最大影响幅值也不超过3%。

（5）对于某种特定的集料，当最大粒径一定，VCA就基本确定，试图通过调整级配而使VCA发生大的改变几乎是不可能的，但是，却可以获得粗骨架密度最大、VCA最小的级配，其比例大致为：大粒级粗集料：次粒级粗集料≈（75：25）～（71：29）。

（6）第四组试验结果反映了细集料含量对粗集料骨架结构的影响，并可通过粗集料间隙率VCA和合成级配的空隙率表征。4.75～2.36mm细集料能够极显著地增大粗集料的VCA，对粗集料骨架结构具有强烈的撑持作用。在细集料含量不大于15%时，合成级配的空隙率随细集料增多而呈线性减小，细集料含量大于15%之后，空隙率变化不大。可见，细集料在填充骨架间隙的同时也能破坏粗集料骨架结构，为此，应尽量减少4.75～2.36mm细集料的用量。

3. SMA粗集料全范围级配组合试验

为了深入研究级配组成对粗集料骨架的影响，在较大试验范围内寻找粗集料间隙率VCA的变化规律，需考虑四个因素：19.0mm～16.0mm、16.0mm～13.2mm、13.2mm～9.5mm、9.5mm～4.75mm粒级，下文分别以X1、X2、X3、X4表示，X1、X2、X3、X4的数值则代表各自在粗集料中的含量。根据各档粗集料含量的不同，一共考虑了16种级配组合（粗集料级配配方均匀设计试验方案见表2）。

4. 关于VCA测试方法的改进

VCA是一个有一定波动性的随机变量，将受到诸如试验方法、功能、容器大小等试验条件的影响。此外，密实后粗集料试件体积的测量误差也是一个很大的试验误差源。经多次尝试、比较和改进，决定在均匀设计试验中采用加配重干振实的密实方法：试验取配重为2500克（配重增至3000克时，粗集料有破碎现象――破碎率大于2%），每次试验振动时间为2分钟（VCA随振动时间呈乘幂函数衰减，当振动时间大于1.8分钟以后，VCA趋于稳定，故取试验振动时间为2分钟），在这一试验条件下，粗集料破碎率均小于0.5%。

5. 试验结果分析

（1）用上述试验方法，对3种岩石的粗集料进行了VCA试验研究，这3种岩石为张家口玄武岩、辽宁花岗岩、辽宁玄武岩（以下分别以ZX、LH、LX符号表示），试验结果见图1。对于张家口玄武岩、辽宁花岗岩，每种级配的VCA平行试验误差都很小，所有平行试验VCA值相差不超过0.5%，试验结果再现性很强，表明上述试验方法有较高精度。从图1中发现：虽然不同岩性的集料的几何形状和表面物理性质存在较大差异，但是它们的VCA线形随试验序数的变化趋势完全一致，如果将张家口玄武岩的VCA曲线向上平移2%，三种集料的VCA曲线几乎重合。这一现象表明，集料的几何形状和级配组成对VCA有系统影响。

（2）综合以上分析结果，有理由认为：为得到密实骨架，可以取9.5mm～4.75mm集料含量为37%左右，并尽量减少13.2mm～9.5mm粒级的含量，而对19mm～16mm和16mm～13.2mm粒级含量的限制较少。

（3）为了进一步精确分析各级粗集料用量对VCA的影响，用多元非线性回归方法进行分析（用前进法进行逐步回归）。回归方程用下