吳德軍， 郭 平， 韓君良

(1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064;2.西安公路研究院，陜西西安 710054)

SMA(stone matrix asphalt，簡稱SMA)瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能、耐疲勞性能、水穩(wěn)定性能、抗滑性能等，得到了廣泛的應(yīng)用。SMA于20世紀(jì)60年代起源于德國，是在澆注式瀝青混凝土的基礎(chǔ)上為解決車轍問題而發(fā)展起來的新型材料。從 80年代起，SMA首先在北歐的瑞典、芬蘭等國得到了廣泛的應(yīng)用;1990年SMA技術(shù)引入美國，1991—1994年間共鋪筑了68條SMA路面。SMA技術(shù)在我國也得到了快速的應(yīng)用:1993年北京首都機場高速公路、1996年機場東跑道加鋪瀝青面層以及八達(dá)嶺高速公路京昌段的表面層設(shè)計都使用了SM A;河北、吉林、遼寧等地也相繼鋪筑了試驗路段;2006年永咸高速公路是陜西省第一條大面積、全路段采用SMA瀝青路面技術(shù)的高速公路。但是，使用的級配一般是在其它國家使用的級配的基礎(chǔ)上依靠經(jīng)驗改造而來，而且現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范所設(shè)計的結(jié)果并不能保證其級配為最優(yōu)的級配。一些研究人員對此進行了試探性的研究[1，2]，本文采用正交試驗法進行鳳永高速公路目標(biāo)配合比優(yōu)化設(shè)計。

1 正交試驗設(shè)計

正交試驗法是目前最流行、使用效果較好的優(yōu)化設(shè)計方法，利用正交試驗方法可以合理地安排各試驗因素，利用較少的試驗次數(shù)得到較好的試驗結(jié)果。正交優(yōu)化設(shè)計無疑是基于瀝青混合料路用性能進行配合比設(shè)計的最佳選擇。合理地、科學(xué)地進行正交試驗設(shè)計，不僅可以獲得高質(zhì)量、高可靠性的試驗數(shù)據(jù)及試驗產(chǎn)品，而且在試驗數(shù)據(jù)分析中，更有利于掌握試驗對象之間的內(nèi)在聯(lián)系、最佳摻量及工藝[3]。

影響SMA-16瀝青混合料路用性能的關(guān)鍵篩孔分別為16.0、13.2、4.75、0.075 mm，因此針對每種關(guān)鍵篩孔的影響因素，盡可能多地設(shè)置試驗水平。目前，為了拌和樓拌和方便，料場一般生產(chǎn)0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 4檔料，19.0mm的通過率為100%。

依據(jù)目前瀝青混合料配合比設(shè)計的經(jīng)驗，選用混合水平正交試驗表L12(33×102×52×71× 21×41)試驗的方案，見表1所列。

表1 應(yīng)用正交試驗法設(shè)計的集料通過率 %

根據(jù)SMA路用性能的要求和SMA作用機理的研究結(jié)果，SMA-16瀝青混合料配合比設(shè)計的思路如下:

(1)4.75mm以上的粗集料顆粒的比例應(yīng)該在75%～85%之間，其中9.5 mm以上的占1/2左右，礦粉的用量在10%左右，0.075 mm篩孔的通過率在10%以上，粉膠比在1.8～2.0之間。

(2)為了較好地形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，SMA-16的2.36～4.75 mm粒徑范圍的用量不能超過3%。

(3)為了避免瀝青流淌，加入木質(zhì)素纖維，用量為瀝青混合料的0.3%。

(4)要求瀝青的針入度較小，軟化點高，黏結(jié)性好，高溫穩(wěn)定性好。

(5)根據(jù)經(jīng)驗，本次室內(nèi)試驗采用的油石比為6.0%，空隙率控制在3%～4.5%，礦料間隙率不小于16.5%，瀝青飽和度在70%～85%之間。

(6)在成型馬歇爾試件時，分別采用雙面擊實75次和50次測定其馬歇爾試件指標(biāo)，研究其路用性能。

2 室內(nèi)試驗結(jié)果處理

2.1 馬歇爾試件試驗結(jié)果與分析

馬歇爾成型試件試驗結(jié)果[4]見表2所列。

試驗結(jié)果分析如下:

(1)由表2可知，12個配合比中有11個配合比(除配合比6外)能滿足VCADRC＞VCAm ix，這說明4.75 mm通過率控制在(26±2)%是合適的。

鋪筑后的SMA-16路面，總是期望出現(xiàn)盡可能多粗集料的石-石嵌擠結(jié)構(gòu)。由于4.75 mm的石料起到填充SM A-16的粗集料之間的空隙作用，如果含量過多，會撐開粗集料，從而不能形成接觸或出現(xiàn)粗集料接觸較少，這樣就會造成混合料的動穩(wěn)定度不夠，鋪筑的路面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的車轍。如果4.75mm的含量過少，則細(xì)料很難充填粗集料留下的空隙，就會造成混合料的空隙率過大，耐疲勞和抗水損害性能會差。因此，在SMA配合比設(shè)計時，最重要的是要保證粗集料之間的石-石嵌擠作用和保證空隙率滿足要求。當(dāng)著重考慮車轍的要求時，把4.75mm的碎石含量控制在一定的范圍顯得非常重要。

4.75mm的通過率與VV、VMA、VCAm ix的關(guān)系如圖1所示。

表2 馬歇爾試件試驗結(jié)果

圖1 4.75mm的通過率與VV、VMA、VCAmix的關(guān)系

從圖1可以看出，雙面擊實75次與雙面擊實50次的粗集料骨架間隙率相同，與擊實次數(shù)無關(guān)。從圖形的整體趨勢來看，粗集料骨架間隙率VCAm ix隨著4.75 mm的通過率的增大而增大。從表2還可以發(fā)現(xiàn)粗集料骨架松裝間隙率VCADRC也隨著 4.75 mm的通過率的增大而增大，但是其增大的幅度與粗集料骨架間隙率VCAmix相比較慢，因此在進行配合比設(shè)計時選擇4.75 mm篩孔的通過率小于某一值，可以使VCADRC＞VCAmix，通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，這一值應(yīng)該控制在28%較為合適，最多不能超過29%。

(2)礦料間隙率是衡量配合比優(yōu)劣的一個非常重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，因為它能夠直接體現(xiàn)SMA混合料的低溫性能和耐疲勞性能，用它可以檢驗瀝青和礦粉的用量是否合適。因此，即使在其它指標(biāo)都能夠滿足要求的前提下，礦料間隙率不滿足要求，則這個級配也不能使用。對于SMA-16的礦料間隙率要求控制在不小于16.5%，從本次試驗結(jié)果可以看出，除級配2擊實75次、級配7和級配11不能夠滿足要求外，其它級配都能夠滿足要求。

從表2可以得出，雙面擊實75次比雙面擊實50次的礦料間隙率略小，平均小0.32%。從整體趨勢來講，隨著4.75mm的通過率的增大，礦料間隙率減小。

(3)本次試驗的空隙率控制在 3.0%～4.5%，除級配5、級配7、級配8不滿足要求外，其它都能夠滿足要求。從圖1可以看出，雙面擊實75次比雙面擊實50次的空隙率略小，平均小0.37%。雙面擊實75次時，在馬歇爾試件表面并未發(fā)現(xiàn)明顯的破碎現(xiàn)象。為進一步研究雙面擊實75次對于馬歇爾試件的影響程度，進行了抽提試驗[5]，其結(jié)果見表3所列。

表3 擊實試驗標(biāo)準(zhǔn)不同對試驗結(jié)果的影響

從表3可以看出，各粒徑的通過率相差不大，影響最大的是粒徑為1.18mm的碎石通過率，降低了0.07%，對于SMA起著骨架作用的碎石的含量在誤差范圍內(nèi)基本相同。

在施工過程中為了減少粗集料的壓碎量，在選擇粗集料時，往往會采用花崗巖、石英巖、片麻巖等比較堅硬的石料，因此在進行室內(nèi)馬歇爾成型試件時，雙面擊實75次，一般不會出現(xiàn)因為擊實功過大而造成表面破碎的情況。通過本次室內(nèi)試驗，筆者認(rèn)為實際施工現(xiàn)場的壓實功往往較大，在進行室內(nèi)試驗時采用雙面擊實75次更能接近實際情況。在室內(nèi)實驗時提高擊實功的主要目的是可以降低油石比，使SMA路面不易出現(xiàn)泛油現(xiàn)象。

(4)從試驗結(jié)果可以看出，穩(wěn)定度都能夠滿足規(guī)范要求的不小于8 kN，而流值不做要求。這說明只要滿足粗集料的嵌擠要求，穩(wěn)定度一般都能夠滿足要求，因此SMA的穩(wěn)定度和流值可以不作為評價SMA配合比設(shè)計優(yōu)略的指標(biāo)[6，7]。

(5)由于SM A必須保證足夠的瀝青膜厚度，因此在進行SMA配合比設(shè)計時粉膠比是一個重要的參數(shù)，一般在1.8～2.0之間。通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)粉膠比與油石比和合成級配中0.075mm篩孔的通過率有很強的相關(guān)性。當(dāng)合成級配中0.075mm篩孔的通過率每增大0.1%時，粉膠比增大0.1～0.2;當(dāng)油石比每增大0.1%時，粉膠比減少0.3～0.4。

2.2 路用性能試驗結(jié)果分析

2.2.1 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果分析

16.0mm的通過率分別控制在80%、85%、90%、95%進行動穩(wěn)定度試驗，其結(jié)果如圖2a所示。

從圖2a可以看出，動穩(wěn)定度隨著16.0 mm通過率的增大而增大，其通過率應(yīng)該控制在90%以上。雙面擊實75次比雙面擊實50次的動穩(wěn)定度明顯偏大。

13.2mm的通過率分別控制在65%、70%、75%、80%進行動穩(wěn)定度試驗，其結(jié)果如圖2b所示。

從圖2b可以看出，動穩(wěn)定度隨著13.2 mm通過率的增大而減小，其通過率應(yīng)該控制在70%以下。雙面擊實75次與雙面擊實50次的動穩(wěn)定度大致相同。

9.5mm的通過率分別控制在45%、50%、55%、60%進行動穩(wěn)定度試驗，其結(jié)果如圖2c所示。

從圖2c可以看出，動穩(wěn)定度隨著9.5mm通過率的增大而減小，其通過率應(yīng)該控制在50%以下。雙面擊實75次與雙面擊實50次的動穩(wěn)定度大致相同。

因此，在進行SMA配合比設(shè)計時，為提高混合料的高溫穩(wěn)定性能應(yīng)盡量提高16.0mm粒徑集料的含量，控制13.2 mm、9.5 mm粒徑集料的含量。

圖2 通過率與動穩(wěn)定度的關(guān)系

2.2.2 其它路用性能試驗結(jié)果分析

本次室內(nèi)試驗對于每組配合比還進行了殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強度比、滲水、構(gòu)造深度、低溫彎曲試驗破壞微應(yīng)變等路用性能試驗，其結(jié)果基本都能滿足規(guī)范要求。

實踐證明，對于SMA-16的配合比應(yīng)重點控制合成級配中16.0、13.2、4.75、0.075mm的通過率[8，9]。

2.3 SMA-16最佳配合比的確定

根據(jù)表2馬歇爾試驗結(jié)果和以上分析的結(jié)果，可以得出本次SM A-16試驗的最佳配合比，見表4所列。

表4 SM A-16的最佳配合比

3 結(jié) 論

(1)利用正交試驗設(shè)計方法進行了SMA-16的配合比設(shè)計，并證明是有效的。

(2)提出了SMA-16的配合比設(shè)計的思路。

(3)在進行SMA-16配合比設(shè)計時，為了避免出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，提高室內(nèi)試驗的擊實功，從而降低油石比，建議采用雙面擊實75次。

(4)影響SMA-16瀝青混合料路用性能的關(guān)鍵篩孔為16.0、13.2、4.75、0.075 mm;隨著4.75 mm的通過率的增大，礦料間隙率減小; 4.75 mm的通過率應(yīng)控制在24%～29%;粉膠比一般控制在1.8～2.0之間，通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)粉膠比與油石比和合成級配中0.075mm篩孔的通過率有很強的相關(guān)性;當(dāng)合成級配中0.075 mm篩孔的通過率每增大0.1%時，粉膠比增大0.1～0.2;當(dāng)油石比每增大0.1%時，粉膠比減少0.3～0.4;動穩(wěn)定度隨著16.0 mm通過率的增大而增大。動穩(wěn)定度隨著13.2 mm通過率的增大而減小，其通過率應(yīng)該控制在50%以下。

(5)得出了SMA-16最佳配合比。

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