基于SGC法的SMA-13體積設計方法研究

李 景 李 洋 袁盛杰

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(簡稱SMA)最早于1960年左右在歐洲使用，與密級配瀝青混合料相比，SMA中粗集料占比在70%以上，粗集料能形成嵌擠的骨架結構，因此SMA具有良好的抵抗永久變形性能[1-2]。

盡管SMA本身具有良好的性能，但相關病害與設計方法息息相關。張肖寧[3]在Superpave法前提出了體積設計方法(CAVF法)，采用馬歇爾擊實儀確定4.75 mm以上集料最優的骨架間隙率，再以細集料進行填充，具有較小的空隙率與良好的路用性能。雖然對SMA成型對應的馬歇爾擊實次數有相關研究，但以此設計的道路普遍存在壓實度超百的現象[4]，根本原因在于馬歇爾擊實標準與實際不符。瀝青混合料的設計方法要求與當下施工機械建成的道路有著較高的相關性，而旋轉壓實(superpave gyratory conpactor,SGC)成型方法具備上述特點，并在實踐中得到了驗證[5]。

根據現有的研究成果，本文擬在體積設計法(CAVF法)的基礎上，采用SGC成型方法改進粗集料骨架間隙率的確定方法，在泰波法的基礎上通過優化粉膠比與纖維摻量進一步提高瀝青混合料高溫性能，并與規范中值級配進行比較。

1 試驗方法

1.1 原材料

采用雙龍牌改性瀝青SBS改性瀝青，粗集料采用湖北某石材廠生產的玄武巖碎石，細集料采用石灰巖機制砂，礦粉采用當地石灰巖碎石自行加工生產的石灰巖礦粉。

1.2 SGC試驗方法研究

1.2.1CAVF法

CAVF設計法中粗、細集料與礦粉、瀝青的比例通過式(1)、式(2)計算確定。

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc、qf、qp、qa為粗、細集料、礦粉及瀝青的質量分數，%；ρsc、ρtf、ρtp、ρa為粗集料擊實后的密度、細集料與礦粉的表觀密度、瀝青密度，g·cm-3；VCADRC、Vv為粗集料擊實后的空隙率與壓實瀝青混合料的空隙率，%。

1.2.2旋轉壓實次數

已有研究表明，采用125次旋轉壓實次數設計瀝青混合料可以使得混合料的指標滿足規范要求，并且可充分利用常規機械[6]。因此以旋轉壓實次數為125次、達到擬定的試件高度指標進行控制。

1.2.3旋轉壓實豎向壓力

瀝青混合料的設計不僅要求混合料的密度與通車多年后設計交通量下最終的密度相等，還要求成型過程中模擬振動壓路機的壓實效果，粗集料在豎向壓力作用下會被震碎。鑒于此，本文采用抽提試驗檢驗壓實后瀝青混合料級配的變化情況，根據已有研究可知分形維數與集料整體的破碎程度有很好的相關性，整體破碎程度隨著分形維數的增大而增大[7]，分形維數計算方法參考文獻[8]。

ATB-30在旋轉壓實法下的破碎度在豎向壓力500 kPa時級配變異性小[9]，因此本試驗中擬選取豎向壓力450，500，550，600，650 kPa，其中豎向壓力為0代表原級配。每個壓力方案制作5個平行試件。成型后對試件進行抽提試驗，以分形維數檢驗級配的變化，試驗結果見表1。

表1 不同豎向壓力下篩分結果與分形維數

由表1可知，分形維數隨著豎向壓力的增加而增加，在豎向壓力超過550 kPa時增幅變大，這是因為在較大的壓力下，粗集料的破碎加劇，而當主骨架破壞后不利于瀝青混合料的高溫性能，因此取豎向壓力為500 kPa。

1.2.4旋轉角與旋轉速率

根據高性能瀝青路面(superpave)基礎參考手冊與ASTM D3387-11，SGC壓實機旋轉角取1.25°，旋轉速率取30 r/min。

2 基于SGC法的SMA-13級配設計

2.1 粗集料級配

通過前文確定的SGC法壓實后的粗集料骨架間隙率見表2。

表2 基于SGC法的粗集料骨架間隙率

由表2可知，隨著4.75～9.5 mm檔集料的占比增加，裝填密度呈先增大后減小的趨勢，裝填空隙率呈先減小后增大的趨勢，并在55∶45時取得最小的裝填密度與裝填空隙率。這是因為隨著相對粒徑較小的4.75～9.5 mm檔集料占比增加，在壓力作用下9.5～13.2 mm骨架間隙逐漸被填充密實，而隨著4.75～9.5 mm檔集料繼續增加，逐漸撐開主骨料的骨架，形成干涉現象，因此根據SGC法的裝填結果，9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的比例宜在45∶55～55∶45之間。

2.2 細集料級配

體積設計法中，細集料的級配采用泰波公式進行設計，其計算方法見式(3)。

(3)

式中：pi為各種規格集料的通過率，%；di為各種規格集料的粒徑，mm；dmax為集料公稱最大粒徑，mm；n為指數，泰波認為n=0.3～0.5時，對應級配的混合料性能最優。

然而泰波公式設計的級配易導致0.075 mm篩孔以下通過率過高而影響瀝青混合料的高溫性能，因此還需采用動態剪切流變試驗根據瀝青膠漿的高溫性能優選細集料級配。

2.2.1膠漿粉膠比

采用動態剪切流變試驗測試的指標包括瀝青膠漿的抗車轍因子、儲能剪切模量，以及損失剪切模量，試驗結果見表3。

表3 各粉膠比下的瀝青膠漿性能

采用歸一化數值評價不同粉膠比下性能的變化趨勢。由表3可知，隨著粉膠比的增加，抗車轍因子、儲能剪切模量和損失剪切模量均表現出增大的趨勢，瀝青膠漿的高溫性能隨之提升，因此以指標測試結果最大的，即以粉膠比為2.0時的試驗結果作為分母計算，歸一化趨勢曲線見圖1。

圖1 各粉膠比下的瀝青膠漿性能變化趨勢

由圖1可知，而當粉膠比大于1.6時，瀝青膠漿的高溫性能與疲勞性能的增長趨勢開始變緩，礦粉與瀝青相互吸附使得瀝青膠漿逐漸成為穩定的結構，因此粉膠比取1.6。

2.2.2纖維摻量

與礦粉的影響類似，增加纖維摻量未必會帶來相應的性能提升與經濟性，因此有必要優選合理的纖維摻量。不同纖維摻量動態剪切流變試驗結果見表4。

表4 不同纖維摻量下的瀝青膠漿性能

為了直觀地評價纖維摻量對瀝青膠漿性能的影響，在同一圖表中觀察測試指標隨粉膠比的變化趨勢，采用歸一化數值表征變化趨勢。

由表4可知，隨著粉膠比的增加，抗車轍因子、儲能剪切模量和損失剪切模量均表現出增大的趨勢，瀝青膠漿的高溫性能隨之提升，因此以指標測試結果最大的、纖維摻量為3%時的試驗結果作為分母計算，歸一化趨勢曲線見圖2。

圖2 1.6粉膠比下的瀝青膠漿性能變化趨勢

由圖2可知，當纖維摻量大于2%后，瀝青膠漿的高溫性能與疲勞性能增長趨勢開始變緩，纖維與瀝青膠漿結合可對瀝青起到加筋與穩定的作用，因此隨著纖維摻量的增加性能也隨著提升，而達到穩定后性能的增幅開始趨緩，因此推薦纖維摻量為2%。

2.2.3細集料級配確定

另有研究指出，應用于瀝青混合料時，當n取0.45時密度最大。根據干涉理論，細集料間隙應由瀝青膠漿密實填充，瀝青膠漿理論最大用量計算見式(4)～(5)。

(4)

(5)

式中：M為瀝青膠漿理論最佳用量，%；VSGC為旋轉壓實后的細集料礦料間隙率，%；ρM為瀝青膠漿理論最大密度，g/cm3；Vf為干搗法細集料礦料間隙率，%；ρFA為旋轉壓實后的細集料骨架密度，g/cm3；ρCAD為細集料合成表觀密度，g/cm3。

對n值以0.05為步長研究0.35～0.55時不同級配對應的礦料間隙率與膠漿用量，試驗結果見表5。

表5 不同細集料級配對應的間隙率與膠漿用量

2.3 SMA-13級配

綜上所述，粗集料9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的級配為50∶50；n取0.45確定細集料級配，當細集料與瀝青膠漿比取75∶25、粉膠比選1.6、纖維摻量取2%，目標空隙率取4%，SMA-13體積設計法級配見表6。

表6 SMA-13混合料礦料最優級配組成

3 性能驗證與級配范圍

將本文確定的級配與規范中值級配進行路用性能驗證對比，試驗包括馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗，試驗結果見表7。

表7 2種級配瀝青混合料的性能驗證

由表7可知，本文確定的級配瀝青用量更少，馬歇爾穩定度、動穩定度與彎拉強度提升了13%，15%，5%。其中高溫性能提升明顯，而嵌擠的骨架對低溫抗開裂性能的貢獻較少，因此低溫性能只略高于規范中值。

4 結論

1)本試驗確定了SGC法確定集料間隙率的壓力參數，提出旋轉壓實次數為125次，豎向壓力取500 kPa，旋轉角為1.25°，旋轉速率為30 r/min。

2)基于SGC法提出了SMA-13的體積設計方法。通過旋轉壓實確定了9.5～13.2 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料的比例宜為45∶55～55∶45。

3)為提高瀝青膠漿的高溫性能采用動態剪切流變試驗優選纖維摻量，粉膠比宜取1.6，纖維摻量宜取2%。

4)根據泰波公式與旋轉壓實后的細集料間隙率與理論砂漿用量確定了n為0.45對應的細集料級配。SMA-13體積設計法的級配相比于規范中值級配瀝青用量更少，馬歇爾穩定度、動穩定度與彎拉強度提升了13%，15%，5%。

5)采用SGC方法設計SMA與實際施工的擬合度更高，因此本文的SMA-13體積設計方法可供實際參考使用。