SMA配合比设计(论文).doc

公路沥青玛蹄脂碎石混合料目标配合比设计

公路沥青玛蹄脂碎石混合料目标配合比设计

中铁二局五公司
摘要：
沥青马蹄脂碎石混合料，是一种新型的沥青混合料结构。是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉和少量的细集料组成的沥青马蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料。它是由足够的沥青结合料和具有相当劲度的沥青玛蹄脂胶浆填充在粗集料形成的石—石嵌挤结构的空隙中形成的。因此，它具有抗高温、低温稳定性，良好的水稳定性，良好的耐久性和表面功能（抗滑、车辙小、平整度高、噪音小、能见度好）。SMA路面耐久性好，故养护工作少，使用寿命长，综合经济效益和环境效益好。下面就我公司施工的陕西永咸高速公路SMA-16配合比设计为例，对整个配合比设计过程作一简要概述。
关键词 沥青玛蹄脂 目标 配合比 设计
SMA目标配合比设计的最终目的是优选矿料级配、确定最佳沥青用量，符合配合比设计技术标准和配合比设计检验要求，以此作为目标配合比，供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。
一、原材料的选用
1、集料
使用临潼韩峪石料厂生产的碎石，规格分别为：A料（19-9.5mm）、B料（9.5-4.75mm）、C料（4.75-2.36mm）。机制砂（2.36-0mm）、矿粉采用乾县五峰山西洼石料厂产石灰岩加工。各种材料技术性质试验结果如下
序号
技术指标
单位
试验值
规范值
1
毛体积相对密度
A料
-
2.742

2
B料
-
2.726

3
C料
-
2.719

4
机制砂
-
2.735

5
表观相对密度
A料
-
2.772
≥2.6
6
B料

2.746
≥2.6
7
C料

2.748
≥2.6
8
机制砂

2.735
≥2.6
9
压碎值
%
18.5
≤26
10
洛杉矶磨耗率
%
16.4
≤28
11
磨光值

42
≥36
12
吸水率
%
0.2
≤1
13
坚固性
%

14
针片状颗粒含量
大于9.5mm
%
4.6
≤12
小于9.5mm
%
6.3
≤18
15
小于0.075mm颗粒含量（水洗法）
%
0.2
≤1
16
软石含量
%
1.6
≤3
17
与沥青的粘附性等级
-
5
≥4
18
一个破碎面
%
100
≥100
19
2个或2个以上破碎面
%
94.6
≥90
20
矿矿粉

表观密度
t/m3
2.737
≥2.5
21
含水量
%
0.3
≤1
22
亲水系数
-
0.6
＜1
23
塑性指数
%
3.2
＜4
24
加热安定性
-
合格

2、沥青
SBS改性道路石油沥青，技术性质试验结果下表1。基质沥青为SK 90-A级道路石油沥青。技术性质试验结果见下表2。
SBS改性沥青技术性质试验结果
序号
技术指标
单位
试验值
规范值
1
针入度（25℃，100g,5s）
0.1mm
68
60-80
2
针入度指数PI

0.2
≥-0.4
3
延度（5℃，5cm/min）
cm
55
≥30
4
软化点（R＆B）
℃
58.5
≥55
5
运动粘度（135℃）
Pa·s
2.2
≤3
6
闪点
℃
265
≥230
7
溶解度
%
99.6
≥99
8
弹性恢复（25℃）
%
72
≥65
10
48h热贮存软化点差
℃
2.1
≤2.5
11
密度（15℃）
g/cm3
0.986
-
12

老化（163℃，5h）
质量变化
%
0.3
≤±1.0
针入度比
%
74
≥60
延度（5℃）
cm
32
≥20
3、木质素纤维：北京垦特莱公司生产，絮状。技术性质
试验结果见下表
木质素纤维技术性质试验结果汇总
项目
单位
试验值
规范值
纤维长度
mm
4.5
≤6
灰分含量
%
21
18±5
PH值
-
8.0
7.5±1.0
吸油率
-
大于
≥纤维质量的5倍
含水率
%
2.8
≤5
4、抗剥落剂：陕西公路研究所
二、矿料配合比例
1、矿料颗粒分析
以下结果是取不少于十次筛分结果的平均值作为最终确定矿料比例的筛分结果。
筛孔（mm）
通过方孔筛（mm）质量百分率（%）
规格（mm）
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
9.5-19.0
100
87.5
44.3
8.3
1.2
0.7
0

4.75-9.5

100
95.2
7.9
1.0
0.6
0

2.36-4.75

100
94.4
10.5
4.7
1.8
0.6
0

机制砂

100
92.3
50.7
34.3
22.8
16.5
6.8
矿粉

100
99.6
98.5
80.7
2、矿料配合比
通过电脑配料，得到以下比例
集料规格（mm）
19-9.5
9.5-4.75
4.75-2.36
机制砂
矿粉
配合比例上限（%）
49
25
7
8
11
配合比例中值（%）
48
28
4
9
11
配合比例下限（%）
48
31
0
10
11
3、确定初试级配：
由于混合料公称最大粒径大于13.2mm，故以设计矿料级配范围中4.75mm作为粗集料骨架的分界筛孔。
SMA-16混合料矿料级配范围
筛孔（mm）
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率(%)
100
90-
100

65-
85

45-
65

20-
32

15-
24

14-
22

12-
18

10-
15

9-
14

8-
12

初试级配
编号
各筛孔（mm）通过量（%）
19
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0.075
A
100
93.9
72.7
53.9
28.2
19.6
15.6
13.8
12.8
12.1
9.4
B
100
94.0
73.3
54.1
26.6
20.3
16.0
14.2
13.1
12.3
9.5
C
100
94.0
73.7
54.5
24.0
20.8
16.3
14.4
13.3
12.4
9.6
4、集料捣实状态下骨架间隙率
级配类型
粗集料的混合毛体积相对密度
ρca
粗集料在捣实状态下的相对密度ρs
水的密度ρw(g/cm3)
粗集料捣实间隙率(%)
平均值(%)
A（细）
2.737
1.635
0.997
40.3
40.3
1.633
0.997
40.3
B（中）
2.737
1.627
0.997
40.6
40.6
1.625
0.997
40.6
C（粗）
2.736
1.602
0.997
41.4
41.4
1.604
0.997
41.4
5、计算各组初试级配的松装间隙率
VCAmix=（1-ρmb×PCA/ρca）×100
Ρmb——初试油石比沥青混合料实测毛体积密度
PCA——粗集料的平均毛体积密度
级配A：ρ CA=(49×0.988×2.742+23×0.921×2.726+9×0.056×2.719)/( 49×0.988+23×0.921+9×0.056)=2.737
PCA=(1-0.299)×(100/106.4)=65.9%
VCAmix=(1-2.427×0.659/2.737)×100=41.6%
级配B：ρ CA=(49×0.988×2.742+25×0.921×2.726+7×0.056×2.719)/( 49×0.988+25×0.921+7×0.056)=2.737
PCA=(1-0.282)×(100/106.4)=67.5%
VCAmix=(1-2.416×0.675/2.737)×100=40.4%
级配A：ρ CA=(49×0.988×2.742+27×0.921×2.726+6×0.056×2.719)/( 49×0.988+27×0.921+6×0.056)=2.736
PCA=(1-0.264)×(100/106.4)=69.2%
VCAmix=(1-2.404×0.692/2.736)×100=39.2%
级配A 混合料的VCAmix=41.6%大于粗集料在捣实状态下的骨架间隙率为40.3% ,对粗集料的骨架已形成了干涉，不符合规范要求；
级配B 混合料的VCAmix=40.4%小于粗集料在捣实状态下的骨架间隙率为40.6% , 符合规范要求且形成骨架结构；
级配C混合料的VCAmix=39.2%远远小于粗集料在捣实状态下的骨架间隙率为41.4% ,约小于2.2%，说明在SMA沥青混合料中，粗集料骨架间隙率不能全部被细集料、沥青、设计空隙率之和所填满，混合料在施工过程中很容易产生离析，该级配也不合理。
结论：选择矿料级配B型为最佳
6、采用初试油石比制作马歇尔试件，计算体积指标
初试油石比采用6%，击实次数为双面各50次，拌和温度180℃，击实温度165℃，测定并计算各体积指标
各初试级配体积试验结果汇总
编号
VCADRC
γt
VCAmix
VMA

38.8
2.390
40.6
16.5

2
39.6
2.387
39.6
16.8

3
40.7
2.351
37.5
17.6

马歇尔试验指标
级配
毛体密度
理论密度
空隙率
沥青体积百分率
间隙率
饱和度
稳定度
流值
A
2.427
2.507
3.2
13.6
16.4
80.5
8.77
3.975
B
2.416
2.507
3.6
13.5
16.7
78.4
9.75
3.844
C
2.404
2.507
4.1
13.5
17.2
76.3
8.97
3.512
③按VCAmix＜VCADRC及VMA＞16.5%的规定，确定B号级配为设计级配。
三、确定沥青用量
以初试油石比，选定的最佳级配，以0.3%为间隔，调整三个不同的油石比作马歇尔试件，计算空隙率等各项指标。以空隙率为3.5%对应的油石比为最佳油石比。由于初试油石比为6.0%时空隙率为3.6%，故可将基准油石比定为6.1%，其余两个为5.8%、6.4%。
歇尔试验结果汇总
油石比 （%）
5.8
6.1
6.4

毛体积相对密度
2.388
2.400
2.402

稳定度 （KN）
9.40
10.92
12.62

流值 （mm）
1.37
1.22
1.46

空隙率 （%）
4.2
3.5
3.1

间隙率 （%）
16.0
16.1
16.2

集料骨架间隙率 （%）
5.0
3.0

按技术规范规定的确定最佳油石比的方法和步骤，最终确定的最佳油石比为6.1%，其混合料的矿料间隙率为16.1%，不小于规范规定值.
三、配合比检验
进行飞散和析漏试验，检测设计油石比的合理性，以及渗水、动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂试验等
最小油石比
油石比（%）
6.1
5.9
5.7
5.5
5.3
沥青混合料肯塔堡飞散损失（%）
3.1
4.2
5.9
7.8
14.3
根据肯塔堡飞散损失选定最小沥青用量（%）
5.55
最大油石比
油石比
沥青用量
析漏1
析漏2
平均值
标准要求
6.0
5.66
0.051
0.053
0.052
≤0.1
6.1
5.75
0.055
0.055
0.055
≤0.1
6.2
5.84
0.073
0.069
0.071
≤0.1
6.3
5.93
0.083
0.085
0.084
≤0.1
6.4
6.02
0.110
0.110
0.110
≤0.1
根据谢伦堡析漏试验按规定最大油石比（%）
6.22
所选出的最佳油石比符合最大最小油石比的要求（最大最小油石比试验后作图，由图中查得）。
配合比检验试验结果汇总
序号
项目名称
试验结果
规范值
1
动稳定度（次/mm）
5216
＞5000
2
水稳定性
残留稳定度（%）
87.6
≥80
3
冻融劈裂强度比（%）
86.9
≥80
4
低温弯曲破坏应变（με）
3150
≥2800
5
渗水性（mL/min）
10
≤80
由表中试验结果可看出，各项指标均符合规范要求。SMA-16目标配合比所选的矿料配合比为A:B:C:机制砂:矿粉=48：28：4：9：11，最佳油石比为6.1%。
沥青玛蹄脂碎石混合料配合比设计过程虽较为复杂、涉及的试验方法多，时间长，但只要严格按照上述几个设计过程，它又是有章可循的。通过以上的简述，但愿对从事沥青路面施工的人员有所帮助。
参考文献：
1.《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）
2.《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）
3.《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）
4.《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》中建标公路【2002】1号