陳 雷，孫長軍，2，崔衛(wèi)平，秦麗娟

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團有限公司，唐山 063210；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

旋轉(zhuǎn)壓實法設計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)展投資集團有限公司，唐山 063210；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

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

旋轉(zhuǎn)壓實； 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用，特別是高等級路面鋪裝及鋼橋面鋪裝應用上。一些國家的相關統(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SMA技術，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，可以預見SMA級配將得到越來越多的應用。

1 Marshall設計法的局限性

目前，我國的SMA混合料設計均采用馬歇爾試驗設計方法。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)明和應用的，并由美國軍方的工程部隊改進和完善。經(jīng)過近70年的發(fā)展和應用，馬歇爾設計方法對瀝青混合料的設計和性能提高做出了巨大的貢獻。但是隨著SMA級配研究的不斷深入，馬歇爾設計方法由于具有一定的經(jīng)驗性質(zhì)，不能夠完全的指導SMA級配的設計，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試驗，由于擊實功較大，且粗集料數(shù)量多互相嵌擠，造成破碎情況比較嚴重。試驗表明，將擊實后的混合料燃燒，水洗，篩分，發(fā)現(xiàn)4.75mm通過率變化顯著，即擊實過程中，粗集料被擊碎成為較細的集料，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)，通過率的變化嚴重影響了混合料的質(zhì)量。

2）不能通過馬歇爾設計來預測SMA路面路用性能。目前，馬歇爾設計方法的技術指標主要是穩(wěn)定度、流值。相關資料表明，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，馬歇爾設計方法與路面的破壞與病害，如車轍、疲勞和裂縫并不相關，也就不能反映路面的實際服役性能。

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

相對于馬歇爾試驗的設計方法，旋轉(zhuǎn)壓實儀的設計方法具有如下優(yōu)點：

1）旋轉(zhuǎn)壓實儀成型可以有效地降低粗集料破碎情況，因為旋轉(zhuǎn)壓實儀具有一定旋轉(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)壓實儀已被證明是現(xiàn)行的能提供實際路面交通長期影響的最佳模擬試驗設備，旋轉(zhuǎn)壓實儀在壓實混合料的過程中，記錄了每一壓實轉(zhuǎn)數(shù)下的試件高度，并繪制出混合料的壓實曲線，從而可以對混合料的性能進行分析。

3）旋轉(zhuǎn)壓實儀很好地模擬了壓路機對路面的現(xiàn)場壓實過程，其設計的混合料與壓路機現(xiàn)場壓實混合料的特性有很好的相關性。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混合料密度與混合料的壓實特性，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（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堿性石料磨細得到的礦粉，親水系數(shù)為0.8，無團狀。

2.2 設備及試驗參數(shù)

旋轉(zhuǎn)壓實設備為美國TROXLER公司生產(chǎn)的4140B型旋轉(zhuǎn)壓實儀。具體工作參數(shù)如下：1）面板控制及液壓加載；2）壓實功：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，其中馬歇爾擊實采用雙面擊實50次，SGC方法依據(jù)當量軸次換算，選定旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)Nini＝9；Ndes＝125；Nmax＝205。

2.3 配合比設計

根據(jù)各礦料的篩分結(jié)果，經(jīng)圖解法設計調(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)壓實成型的試件，而瀝青飽和度（VFA）小于旋轉(zhuǎn)壓實試件。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結(jié)果在于毛體積密度的變化。毛體積密度隨著壓實功的變化而變化，壓實功越大，混合料越致密，毛體積密度越大，空隙率就越小，達到設計空隙率時所用的瀝青就越少。因此，旋轉(zhuǎn)壓實設計方法確定的SMA最佳油石比比馬歇爾設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＃級配進行旋轉(zhuǎn)壓實成型，對3＃級配進行馬歇爾成型，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)壓實成型的試件，而瀝青飽和度（VFA）與旋轉(zhuǎn)壓實試件相近。分析原因，我國規(guī)范中要求SMA級配在馬歇爾擊實成型時需要雙面擊實50次，這就可能存在壓實功不足的情況。美國規(guī)范AASHTO Designation：MP8－02中規(guī)定，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為108次，這也可能存在壓實功過大的情況。由圖3還可知，在達到設計空隙率時，108次旋轉(zhuǎn)壓實設計的級配要比馬歇爾方法設計的級配要粗；在相同油石比時，較粗的SMA級配必然要求更大的壓實功才能達到相同的空隙率。

綜上，壓實功合理選擇對SMA配合比設計有較大影響，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的對比來確定。

3 試驗段研究

試驗段選擇在鄂東長江大橋工程的上面層施工中，試驗段長500m。混合料級配選擇2＃級配，油石比為5.8%，聚酯纖維摻量為2.5‰。在試驗段攤鋪過程中，從現(xiàn)場取回熱混合料進行室內(nèi)試驗，包括旋轉(zhuǎn)壓實和馬歇爾擊實。隔天，從試驗段現(xiàn)場鉆心取樣。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗段測試結(jié)果

4 結(jié) 語

馬歇爾設計方法帶有經(jīng)驗性質(zhì)，針對SMA配合比設計有著不可避免的局限性，而采用SGC進行混合料配合比設計是今后發(fā)展的方向之一。從上述試驗中可知，合理的壓實功選擇對于SMA配合比設計有很大影響。SGC可以很好的模擬路面的壓實情況，但是照搬美國的標準設計SMA配合比仍不可取，需要適當降低壓實次數(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