無纖維SMA級配變化對穩定度及動穩定度影響的試驗研究

陳小周 王建偉

（1.江蘇省交通規劃設計院 南京 211100；2.東南大學交通學院 南京 210096）

瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）以其優良的抗車轍性能與抗滑性能而聞名于世。SMA結構組成的主要特點可歸納為“三多一少”，即粗集料、瀝青及填料多，細集料少。它是由瀝青和礦粉組成的豐富的瀝青瑪蹄脂來填充粗集料骨架間隙而形成的一種混合料，具有骨料間有效嵌擠、瀝青膜較厚、孔隙率較小、表面粗糙等特點，因而具有良好的高溫抗車轍能力，低溫抗開裂能力，中溫耐疲勞性能，水穩性及抗滑性能。20世紀90年代初SMA進入我國以來，我國的道路工作者對SMA混合料展開了卓有成效的研究，并開始了廣泛的工程應用［1］。筆者最近在研究無纖維SMA混合料的應用時，對于級配的變化對其穩定度及動穩定度的影響方面作了一些試驗研究［2－3］。

1 試驗材料

1.1 瀝青結合料

SMA混合料中瀝青的質量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要，要求有較高的粘度，尤其對于不加纖維的SMA混和料，更要求有較高的粘度以控制析漏，同時也要保證混合料有足夠的高溫穩定性和低溫韌性。本文采用優質SBS改性瀝青，其主要檢測指標見表1。

表1 SBS改性瀝青主要檢測指標

1.2 礦料

（1）粗集料。由于SMA是斷級配骨架密實型混合料，粗集料含量多，荷載主要由粗集料骨架靠嵌擠作用來完成，而嵌擠作用的好壞在很大程度上取決于集料的堅韌性、顆粒形狀和棱角性，因此要求粗集料質地堅硬、抗磨耗、表面粗糙、耐磨光、針片狀少、形狀接近立方體、軟石含量少。本研究采用優質玄武巖，破碎率100%，破碎面均為2個以上。

（2）細集料。細集料一般要求采用堅硬的人工砂，盡量不采用天然砂，要有一定的粗糙度，雖然SMA所用細集料少，但對此也不應忽視。采用的細集料由優質玄武巖軋制而成，滿足要求的各項指標。

（3）礦粉。礦粉是瀝青瑪蹄脂的重要組成部分，瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對粗細集料產生粘附作用，所以要求采用與瀝青有良好粘附性的石灰石磨細的礦粉。采用的礦粉0.15 mm篩孔通過率為100%，0.075mm篩孔通過率為97.5%。親水系數0.73，滿足要求。

2 級配與混合料的穩定度及動穩定度

穩定度是一個綜合性的強度指標，從某種程度上反映混合料強度的大小，但它的受力模式與實際路面有較大的出入，它沒有側限，表面受壓而實際受拉，試件是在三向應力（豎向受壓，兩水平向受拉）作用下破壞的，其強度的大小主要反映了混合料粘結力的大小。

瀝青混合料的動穩定度實際上反映了路面抵抗車輛荷載反復作用而產生永久變形的能力，它主要取決于2個方面：①礦料的組成，粗集料間能否形成骨架嵌擠結構，能否構成堅實的骨架至為關鍵。它是瀝青混合料強度公式中φ值的主要來源；②瀝青的性質和含量。它是瀝青混合料強度公式中c值的來源，它為混合料提供粘結力，起到阻礙混合料發生剪切變形的作用。有關研究資料表明，對于一般瀝青混合料的抗車轍能力，礦料級配的貢獻率占60%，而瀝青則占40%。而對于像SMA這樣的斷級配骨架密實型瀝青混合料，其強度和穩定性主要靠粗集料間相互嵌擠來提供，其礦料級配對高溫穩定性的貢獻更大。因此，礦料級配是否合理，骨料間能否有效嵌擠對混合料的高溫穩定性起主要作用。為了研究礦料級配對SMA混合料穩定度及動穩定度的影響，采用無纖維SMA－10設計過程中的幾組級配作為對比。各級配的組成見表2。

表2 各試驗級配

我國技術指南中對SMA所用粗集料的粒徑是根據集料的嵌擠作用判斷的，對SMA－13，SMA－16，SMA－20是指粒徑大于4.75mm 的集料，而對SMA－10是指大于2.36mm的集料。所以，SMA－10 的 關 鍵篩孔 為 2.36mm。參 照SMA－10的級配范圍，考慮不加纖維，故采用較細的級配，以達到降低集料間隙率，從而相應減少瀝青用量，以解決混合料析漏問題。以2.36mm通過率為變化點，該組級配只有A，D，F在級配范圍內，不過已處于上限，其余均已超出SMA－10的級配范圍，級配明顯偏細。A，B，C三級配礦粉用量為10%，D，E二級配礦粉用量為12%，F，G二級配礦粉用量為13%，油石比均為5.4%。

3 試驗結果及分析

按標準試驗方法制作馬歇爾試件及車轍板，然后進行馬歇爾試驗及車轍試驗，試驗數據見表3。

表3 各級配試驗結果

由表3可見：①隨著礦粉用量也即粉膠比的增大，穩定度與動穩定度均隨之增大；②隨著關鍵篩孔2.36mm通過量的增大，即級配逐漸變細，馬歇爾穩定度隨之增大，而動穩定度則隨之降低。馬歇爾穩定度與動穩定度隨級配的改變呈相反的變化趨勢，這與普通瀝青混合料尤其是與懸浮密實結構的I型混合料有著根本的不同。

其實這并不奇怪，原因是馬歇爾試驗的加載方式對SMA這種主要靠相互嵌擠的結構是不利的。馬歇爾試件表面上看來受壓，其實試件內部的破壞是受拉所致。SMA材料有70%左右是接近于單一粒徑的粗集料，在實際路面周圍有側限受壓時能產生相互嵌擠，但卻不耐拉。SMA受拉主要是依靠瀝青瑪蹄脂承受拉力，但在試驗溫度60℃時，瀝青變軟，粘度較低，勁度下降，瑪蹄脂對受拉不可能產生多大的抵抗，所以才出現這種看起來似乎矛盾的現象，即穩定度越大其動穩定度反而越小。

比如，對于級配A與C：A級配的穩定度為11.1kN，在本次試驗中最低，但其動穩定度卻是最高的，達5 274次／mm，這是由于其粗料多、細料少，骨架結構充分形成，嵌擠作用充分發揮所致；C級配的2.36mm通過量為34%，其馬歇爾穩定度為14.2kN，但其動穩定度只有3 214次／mm，較其他級配均小。實測結果顯示，C級配的VCAmix＞VCADRC，骨架嵌擠結構未能形成，粗集料間不能直接接觸，故其高溫穩定性能較其他的差。

另外，由于級配A空隙率及析漏均過大，級配C空隙率過小，油石比顯得偏大，骨架嵌擠結構未形成，故舍此二級配。B級配骨架嵌擠結構基本形成，但空隙率偏小，析漏偏大，不能完全滿足要求，故通過增加粗集料及礦粉，同時減少細集料對其調整而得D，E二級配。調整后級配的穩定度及動穩定度均明顯增大，空隙率已基本能滿足要求，析漏明顯好轉但稍偏大，故再次進行調整。通過增加礦粉同時減少細集料而再次調整得F，G二級配。此時F級配各試驗指標均滿足要求，而G級配各試驗指標也基本能滿足要求，只是VCAmix稍大于VCADRC，空隙率雖能滿足要求但稍小，故最終決定選用F級配。

F級配粗集料及礦粉含量均較多，其動穩定度較其他幾個級配均有明顯的改善，這說明粗集料含量較高的級配，適當增加礦粉，可提高其高溫穩定性。但F級配的穩定度明顯偏低。但這沒有關系，因為表征SMA強度的指標主要是其動穩定度，而不是穩定度。另外，由本次試驗所測流值的結果看不出什么規律，它不隨級配的變化而增大或減小，也不隨粉膠比的變化而呈現出什么規律。不過有一點，它比普通瀝青混合料的值明顯要大。普通瀝青混合料的流值一般在2～5 mm之間，而本次試驗的結果幾乎全在5mm以上，這表明此改性瀝青無纖維SMA－10混合料在高溫時有較好的韌性。

所以在SMA設計中，穩定度低并不意味著其高溫穩定性能差，穩定度高也并不意味著其高溫穩定性能好，有時可能恰好相反。也正因為如此，SMA的配合比設計與普通瀝青混合料不一樣，雖然它也要以馬歇爾試驗作為設計手段，但其重點是礦料各部分的級配，各體積指標及瀝青用量，而不是穩定度與流值。穩定度與流值并不作為接受或拒絕SMA混合料設計的唯一理由。這是與以穩定度和流值作為控制指標的普通瀝青混合料設計的最大區別之所在。SMA各體積指標主要有：空隙率（Va）、集料間隙率（VMA）、粗集料間隙率（VCA）及瀝青填隙率（VFA）。

4 指標檢驗

對最終所選的F級配進行全面的試驗驗證。各檢驗指標所得結果與建議要求見表4。

表4 指標檢驗結果

由表4可見，該級配的混合料試驗檢驗指標均滿足要求。它具有相當好的高溫穩定性，馬歇爾穩定度亦滿足要求。表面有較大的構造深度，滲水系數很小，基本上不滲水，各水穩性指標非常優良，故可有效地將路面的抗滑性與耐久性統一起來。又由于有豐厚的瀝青瑪蹄脂填充粗集料間隙，故又具有優良的抗裂性能，可將高溫抗車轍與低溫抗開裂統一起來，從而使其具有多方面的優異性能［4］。

5 結語

對于無纖維SMA而言，級配越細，馬歇爾穩定度越高，但其高溫穩定性反而越低；級配越粗，馬歇爾穩定度越低，但其高溫穩定性反而越高。關鍵篩孔2.36mm通過量相同的級配，在油石比相同的情況下，礦粉用量增大，其馬歇爾穩定度及動穩定度同時增大；但級配的變化和流值卻沒有直接的關系。因此，在工程實際中，可以通過增大粗骨料含量，適度增加礦粉用量，同時減少細集料來提高混合料的性能。

目前在歐美一些國家早已修筑成功了無纖維SMA，并且已在推廣應用。因此在修建瀝青路面時，考慮選用無纖維SMA無論在技術上還是在經濟上都是合理有效的。

［1］沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］陳小周.無纖維SMA－10路用性能試驗研究［J］.北方交通，2006（12）：27－29.

［3］余叔藩.SMA路面設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［4］曾 勇.SMA混合料級配變化對高溫穩定性的影響［J］.石油瀝青，1998（2）：31－32.