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SMA混合料配合比设计总结
刘积军 山东省路桥集团有限公司第四分公司
摘  要：SMA是近年来使用较多的性能优越的沥青混合料，但其施工工艺要求较高，其配合比设计标准及方法也与普通的热拌沥青混合料有较大不同。本文结合工程实例，介绍其配合比设计标准及方法。
    关键词：沥青玛蹄脂碎石(SMA)；配合比设计；  
    1  工程概况
   菏关高速公路位于山东省菏泽市，是日照至南洋高速公路的一部分，南北走向的重要交通干道之一。路线全长60多公里，主线路面结构采用30cm石灰、粉煤灰土底基层+14cm水泥稳定碎石下基层+14cm柔性基层（大粒径沥青碎石混合料LSM-30）+8cmAC-25 C粗粒式+6cmAC-20C中粒式+4cmSMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料结构，桥面铺装采用6cmAC-20C+4cmSMA-13结构。
    2  SMA混合料性能及组成特点
    2．1   SMA混合料性能
    沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是一种由优质沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配粗集料骨架间隙组成的一体混合料，它的最基本组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两大部分，与我国现行规范规定的沥青混合料，如密级配沥青混合料(AC型)，)，密级配沥青碎石混合料（ATB），半开级配沥青碎石混合料(AM)，开级配沥青碎石混合料（ATPB），开级配排水式磨耗层沥青混合料(OGFC)相比，都表现出其优越性，SMA具有AC的空隙率小，水稳定性及耐久性好，AM、ATB的集料嵌挤作用好，高温抗车辙能力强，OGFC的抗滑性能好等各种特点，同时又克服了AC的高温稳定性能不足，AM及ATB的不耐抗裂、抗老化、抗水损害性能差的缺点，因而是一种比较理想的混合料结构。
    2．2  SMA结构特点
    2.2.1矿料是间断级配，粗集料占到70％以上，粗集料颗粒之间有良好的嵌挤作用，沥青混合料产生非常好的抵抗荷载变形的能力，即使在高温条件下，沥青玛蹄脂的粘度下降，对这种抵抗能力的影响也不会减小，因而有较强的高温抗车辙能力。
    2.2.2 SMA使用矿粉多(8％～12％)，沥青多(油石比5．5％～6．5％，比密级配沥青混合料大1％左右)，又使用纤维作稳定剂，由此组成的沥青玛蹄脂有较好的粘结作用，它的韧性和柔性使混合料有较好的低温抗裂性能。
   2.2.3 SMA混合料的内部空隙率很小(4％左右)，混合料渗水很少，几乎不渗水，水稳定性能较好。
    2.2.4 SMA要求采用坚硬、耐磨的石料，矿料为间断级配，粗集料含量高，路面压实后表面形成大的空隙，构造深度大，抗滑性能提高。
    2.2.5 SMA混合料内部被沥青玛蹄脂充分填充，空隙率小，沥青与空气接触少，因而沥青混合料的耐老化性能好。
由于SMA具有以上的结构特点，使其各种性能都大大提高，减少了维修和养护费用，延长使用寿命，尽管初期投资有所增加，但总体上仍将产生重大的经济效益。

    3  SMA-13配合比设计方法
    3．1  设计原则
    3.1.1 SMA混合料的配合比设计，遵循现行规范关于SMA混合料配合比设计的目标配合比、生产配合比及试拌试铺验证的三个阶段，确定矿料级配及最佳沥青用量。
    3.1.2 SMA配合比设计采用马歇尔试件体积设计方法：必须具有互相嵌挤紧密的粗集料骨架，马歇尔试件的VCAmix必须小于捣实状态下的粗集料骨架间隙率VCADRc；填充在SMA的粗集料骨架间隙中的沥青混合料应符合最小沥青用量的要求，马歇尔试件的空隙率必须在要求的范围内。
    3．2  设计标准
    3.2.1 SMA-13矿料级配采用间断级配，其级配范围应符合表1要求。
表1  SMA-13混合料矿料级配范围
筛孔(mm)
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
上限
100
100
75
34
26
24
20
16
15
12
下限
100
90
50
20
15
14
12
10
9
8
中值
100
95
62.5
27
20.5
19
16
13
12
10
    3.2.2 SMA配合比设计，应符合表2要求。
    3.2.3 SMA设计配合比检验，应符合表3各项指标的要求，试验方法按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)的规定进行。

  表2  SMA马歇尔试验配合比设计技术要求
试验项目
单位
技术要求
试验方法
不使用改性沥青
使用改性沥青
马歇尔试件尺寸
mm
∮101.6mm*63.5mm
T0702
马歇尔试件击实次数

两面击实75次
T0702
空隙率VV
%
4-4.5
T0705
矿料间隙率VMA,不小于
%
17.0
T0705
粗集料骨架间隙率VCAmix,不大于

VCAdrc
T0705
沥青饱和度VFA
%
75-85
T0705
稳定度,不小于
KN
5.5
6.0
T0709
流值
mm
2-5

T0709
表3  SMA配合比设计检验指标
检验项目
单位
技术要求
试验方法
不使用改性沥青
使用改性沥青
谢伦堡沥青析漏试验的结合料损失
%
不大于0.2
不大于0.1
T0732
肯塔堡飞散试验的混合料损失
%
不大于20
不大于15
T0733
车辙试验的动稳定度
次/mm
不小于1500
不小于3000
T0719
水稳定性残留稳定度试验
%
75以上
80以上
T0709
冻融劈裂试验残留强度比
%
75以上
80以上
T0729
渗水系数
Ml/min
小于80
T0730
构造深度
mm
0.8-1.5
T0731

4  材料
    4.1沥青结合料：全线SMA-13表层沥青采用5％SBS，95％加德士基质沥青改性的沥青，试验结果见表4。
  表4  加德士5％SBS改性沥青试验结果
试验项目
单位
技术要求
试验结果
试验方法
针入度(25℃,100g,5s)
0.1mm
30-60
53.2
T0604
针入度指数PI

≥0
0.27
T0604
延度(5℃,5cm/min)
cm
≥20
27.6
T0605
软化点,TR＆B
℃
≥60
76.2
T0606
运动粘度135℃
Pa.s
≤3
2.30
T0603
闪点(COC)
℃
≥230
330
T0611
溶解度
%
≥99
99.98
T0607
离析,48h软化点差
℃
≤2.5
0.6
T0606
弹性恢复(25℃)
%
≥70
89
T0605
TFOT(或RTFOT) 后残留物

质量变化
%
±1.0
0.10
T0610或T0609
针入度比(25℃)
%
≥65
79.8
T0604
延度(25℃)
cm
≥15
18.1
T0610
    4.2粗集料：SMA采用的粗集料应采用质地坚硬，表面粗糙，形状接近立方体，有良好的嵌挤能力的破碎集料，全线均采用山东章丘、沂水圈里产的玄武岩石料，规格为5～10mm、10～16mm其技术性能见表5。
表5  章丘玄武岩碎石技术性能
指标
技术要求
试验结果
试验方法
石料压碎值（%）
不大于26
6.5
T0316
洛杉矶磨耗损失（%）
不大于28
8.4
T0317
表观相对密度
不小于2.6
2.824
T0304
吸水率（%）
不大于2.0
1.16
T0304
与沥青粘附性
不小于4
5级
T0616
坚固性(%)
不大于12
0.8
T0314
针片状(%)
不大于15
14.6
T0312
水洗法小于0.075颗粒含量(%)
不大于1
0.6
T0310
软石含量(%)
不大于3
2
T0320
石料磨光值(PSV)
不小于40
45
T0321
具有一定破碎面的颗粒含量(%)
不小于100
100
T0346

      4.3细集料：采用章丘玄武岩轧制的机制砂，具有良好的棱角性和嵌挤功能，可以明显提高混合料的高温稳定性，试验结果见表6。
表6  SMA面层用细集料质量技术性能
指标
技术要求
试验结果
试验方法
表观相对密度
不小于2.5
2.810
T0328
坚固性(＞0.3mm部分)(%)
不小于12
14.5
T0340
砂当量(%)
不小于60
71.4
T0334
     4.4 填料：采用山东嘉祥石灰岩磨细的矿粉为了为了增强集料与沥青的粘附兴矿粉种掺加15%的生石灰粉，其技术性能见表7。
表7  SMA面层用矿粉技术性能   
指标
技术要求
试验结果
试验方法
表观相对密度
不小于2.5
2.711
T0352
含水量(%)
不大于1
0.8
T0103烘干法
粒度范围＜0.6
100
100
T0351
＜0.15
90-100
90.3
T0351
＜0.075
75-100
77.1
T0351
外观
无团粒结块
无团粒结块

亲水系数(%)
不大于1
0.88
T0353
       4.5 纤维稳定剂：采用日照宏祥产木质素纤维，用量为沥青混合料总量0．3％，其技术性能见表8。
    表8  木质素纤维质量技术性能
项目
单位
技术指标
试验结果
纤维长度,不大于
mm
6
小于6.0
灰分含量
%
18±5
20.86%
PH值

7.5±1.0
7.9
吸油率,不小于

纤维质量的5倍
5.48倍
含水率(以质量计),小于
%
5
4.03
5 目标配合比设计
  5.1 目标配合比设计，按图1步骤进行。

材料选择
材料试验
粗集料、细集料、矿粉
改性沥青
选择初始级配
测定粗集料的VCADRC
纤维稳定剂
以4.75mm通过率为关键性筛孔,选用中值及中值±3%3个档次,设计三组级配
选择初始沥青用量，制作马歇尔试件
分析VMA、VCA等，确定设计级配
对设计级配变化沥青用量制作马歇尔试件
进行马歇尔试验检验体积指标及力学指标
进行各种配合比设计检验，确定配合比
不合格
不合格
不合格

图1  SMA目标配合比设计流程图
    5．2 按现行试验规程规定的方法精确测定各种原材料的毛体积相对密度，矿粉为表观相对密度。试验结果见表9。
    5．3 设计初试级配：
    5.3.1 调整各种矿料比例设计3组不同粗细的初试级配，3组级配的4．75通过率分别为中值，中值±3％，其矿粉数量大致相同，使0．075通过率为10％左右，且合成级配应符合级配范围的要求。
    三组初试级配见表9

山东省菏关高速公路工程

沥青马蹄脂碎石SMA-13矿料级配设计计算表

筛孔(%)
10-16
(%)
5-10
(%)
3-5
(%)
0-3
(%)
矿粉(%)
合成
级配1
合成
级配2
合成
级配3
工程设计级配范围

中值
下限
上限

16
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100

13.2
81.1
100
100
100
100
93.8
93.8
93.8
95
90
100

9.5
1.4
87.5
100
100
100
61.8
62.2
62.6
62.5
50
75

4.75
0.6
2.1
96.7
99.7
100
23.1
26.0
29.0
27
20
34

2.36
0.6
1.0
1.2
78.1
100
20.0
22.3
24.6
20.5
15
26

1.18
0.6
1.0
1.2
56.4
100
17.4
19.1
20.7
19
14
24

0.6
0.6
1.0
1.2
34.9
100
14.8
15.9
16.9
16
12
20

0.3
0.6
1.0
1.2
24.7
99.2
13.5
14.2
15.0
13
10
16

0.15
0.6
1.0
1.2
15.6
90.5
11.6
12.0
12.4
12
9
15

0.075
0.5
0.8
0.8
5.7
76.0
8.8
9.0
9.1
10
8
12

配合比1
33
45
0
12
10
100

配合比2
33
42
0
15
10
100
优选

配合比3
33
39
0
18
10
100

482

3.193
2.754
2.016
1.472
1.077
0.795
0.582
0.426
0.312
0

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

SMA-13矿料级配设计曲线图

最大密度线

工程级配设计范围

级配３

级配１

级配２

0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16

图表9

 5.3.2 计算3种初试级配合成集料的毛体积相对密度、合成集料的表观相对密度、集料的有效相对密度，把每个合成级配中小于4．75mm的集料筛除，分别测定4．75以上粗集料的松方毛体积相对密度γs，计算出粗集料骨架的松装间隙率。试验结果见表10。
       为了发挥SMA混合料粗集料的石一石结构的嵌挤作用，在压实状态下沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCAmix必须小于或等于没有其他集料、结合料存在时的粗集料集合体在捣实状态下的间隙率VCADRC，3种级配粗集料的间隙率VCADRC和松方毛体积密度结果见表10。
    5.4 选择初试沥青含量，成型马歇尔试件，根据VMA和VCA确定设计级配。
    由于集料的合成毛体积相对密度为2．725，根据美国AASHTO规范建议并结合我国实际经验，选择初试沥青含量6．0％，拌和混合料成型马歇尔试件，击实次数为双面75次，按表干法测定试件的毛体积相对密度Pf，计算试件的空隙率VV、矿料间隙率VMA及粗集料骨架间隙率VCA。
    表10  粗集料的间隙率VCADRC和松方密度
技术指标
初试级配
级配1
级配2
级配3
集料的合成毛体积相对密度γsb
2．725
2．725
2．725
集料的合成表观相对密度γsa
2．814
2．814
2．814
集料的有效相对密度γse
2．782
2．782
2．782
粗集料的间隙率VCADRC
47．13
46．92
46．56
粗集料骨架混合料的平均毛体积相对密度γCA
2．729
2．730
2．730
4．75mm以上粗集料的松方毛体积相对密度γs
1．443
1．449
1．459
表11 SMA-13混合料体积指标
技术指标
初试级配
级配1
级配2
级配3
毛体积相对密度γf
2．368
2．407
2．423
最大理论相对密度γt
2．520
2．520
2．520
空隙率VV（%）
6．0
4．5
3．8
矿料间隙率VMA（%）
18．3
17．0
16．4
VCAmix
33．27
34．76
36．98
     由表11可见，3种级配中VCAmix均能满足小于VCADRC的要求，级配3VMA<17％，故选择4．75通过率较适合的级配2为设计级配。
    5.6 调整沥青用量成型马歇尔试件，根据空隙率VV确定设计沥青含量为6．0％，目标空隙率控制在4-4.5％之间(表12)。
 表12  SMA-13混合料体积指标
沥青含量(%)
γf
γt
VV(%)
VMA(%)
VCAmix
5.7
2.390
2.520
5.1
16.9
35.2
6.0
2.396
2.509
4.5
16.9
35.0
6.2
2.394
2.501
4.3
17.2
35.1
由于5.7%的沥青含量的混合料空隙率.间隙率不合格,6.0%沥青含量的混合料间隙率不合格,故选6.2%的沥青含量为最佳沥青含量
5.7 SMA配合比设计检验：
    采用级配2，沥青含量6．2％拌和SMA混合料，对其各项性能进行检验，结果见表13。
表13  SMA-13目标配合比设计检验结果
试验项目
技术要求
试验结果
试验方法
谢伦堡沥青析漏试验
不大于0.1
0.07
T0732-2000
车辙试验(次/mm)
不小于3000
4169
T0719-1993
肯塔堡飞散试验(%)
15
9
T0733-2000
低温弯曲试验
不小于3000
19526
TO715-1993
渗水试验(ml/min)
200
12.35
T0730-2000
冻融劈裂强度比(%)
80
91.36
T0729-2000
        6  生产配合比设计
    6.1 按目标配合比确定的矿料配合比上料，经拌和机(日工3000型)振动筛二次筛分后，取热料仓1＃(0～3mm)，2＃(3～5mm)， (11～18mm)材料进行筛分，结果见表l4。
    6.2 根据热料仓筛分结果，进行生产配合比设计，设计3组矿料级配，纤维0.3%、沥青含量6.2%，在拌和机上试拌进行抽提试验，试验结果见表15。分析试验结果，确定配合比为级配2
6.3 根据生产配合比确定的矿料级配，采用6．2％沥青含量，纤维用量0．3％， SBS改性沥青，进行生产配合比设计，抽提试验、马歇尔试验结果见表16，表17。
表15 抽提试验结果
筛孔
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
级配1
100
95．6
69．1
29．1
24．4
20．3
15．7
13．2
10．9
8．2
级配2
100
92．8
63．5
25．2
21．9
19
15．2
13
11
8．5
级配3
100
92．4
62．6
25
20．6
18．1
15．1
13．2
11．4
8．8
表16 生产配合比抽提试验结果
筛孔
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
通过率（%）
100
94．6
62．2
27．6
22．8
19．0
15．5
13．2
11．0
9．2
表17 生产配合比马歇尔试验结果
沥青含量(%)
γf
γt
VV(%)
VMA(%)
VCAmix
6．2
2．412
2．519
4．2
17．5
36．8

表14  SMA-13生产配合比设计矿料级配
SMA-13矿料级配设计计算表

筛孔(%)
12-18
(%)
5-12
(%)
3-5
(%)
0-3
(%)
矿粉(%)
合成
级配1
合成
级配2
合成
级配3
工程设计级配范围

中值
下限
上限

16
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100

13.2
83.0
99
100
100
100
94.7
94.9
94.4
95
90
100

9.5
5.6
81.6
100
100
100
64.0
64.7
62.5
62.5
50
75

4.75
0.9
8.3
80.0
100
100
28.2
28.2
28.0
27
20
34

2.36
0.5
0.3
9.7
91.2
100
23.1
23.1
23.1
20.5
15
26

1.18
0.1
0.2
7.0
64.3
100
19.5
19.5
19.5
19
14
24

0.6
0.1
0.2
4.7
41.0
100
16.5
16.5
16.5
16
12
20

0.3
0.1
0.2
3.7
31.8
99.0
15.1
15.1
15.1
13
10
16

0.15
0.1
0.2
3.1
23.2
91.2
13.2
13.2
13.2
12
9
15

0.075
0.1
0.2
2.2
10.9
77.3
10.0
10.0
10.0
10
8
12

配合比1
29
47
0
13
11
100

配合比2
28
48
0
13
11
100

配合比3
31
45
0
13
11
100

工程级配设计范围

最大密度线

     表18  SMA-13生产配合比设计检验结果
试验项目
技术要求
试验结果
试验方法
谢伦堡沥青析漏试验(%)
不大于0.1
0.07
T0732-2000
车辙试验(次/mm)
不小于3000
4169
T0719-1993
肯塔堡飞散试验(%)
15
9
T0733-2000
低温弯曲试验
不小于3000
19526
TO715-1993
渗水试验(ml/min)
200
12.35
T0730-2000
冻融劈裂强度比(%)
80
91.36
T0729-2000

    7  试验段混合料质量检验
    根据生产配合设计确定的矿料比例：碎石10～16：碎石5～10：碎石0～3：矿粉＝33：42：15：10，沥青含量6．2％，采用日工3000型沥青混合料拌和机生产，每盘拌和容量为3吨，拌和过程逐盘打印各个料仓的材料用量、矿料及沥青温度。试铺过程中，现场抽样按试验规程JTJ 052-2000进行抽提筛分、马歇尔试验及车辙试验、沥青析漏试验、水稳定性检验。(表19、表20、表21)。
    表19  SMA马歇尔试验结果
沥青含量(%)
γf
γt
VV(%)
VMA(%)
VCAmix
6．2
2．412
2．519
4．2
17．5
36．8
表20 SMA-13抽提试验结果
筛孔
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
通过率（%）
100
94．6
62．2
27．6
22．8
19．0
15．5
13．2
11．0
9．2
表21  SMA-13施工质量检验结果
    试验项目
技术要求
试验结果
试验方法
谢伦堡沥青析漏试验
不大于0.1
0.09
T0732-2000
车辙试验(次/mm)
不小于3000
4816
T0719-1993
路面空隙率(%)
4-6
5.2
T0924-95
沥青含量（%）
6.2
6.12
TO723-1993
渗水试验(ml/min)
不大于200
12.35
T0971-95
构造深度
不小于0.55
1.14
T0961-95
摆式摩擦
不小于45
65
T0964-95
压实度(%)
不小于98
99.2
T0924-95
    从检验结果看，矿料级配及油石比控制理想，车辙试验动稳定度达4816，沥青析漏为0．09％，路面构造深度达1．14，路面基本不渗水，各项指标均满足设计指标技术要求。
    从现场摊铺看有局部出现油斑，考虑到菏泽地区气候炎热，最终将沥青含量调至6．0％，其铺筑情况与6．2％的差别不大，现场空隙率在为5％左右。
    8  配合比设计结论
    通过三阶段的SMA配合比设计，可以得出结论，配合比符合我国及美国AASHTO关于SMA规范建议的标准，SMA混合料各项指标均符合要求，施工碾压成型后粗集料嵌挤作用良好，基本不渗水。说明得出的配合比是合适的，可作标准配合比在施工中使用。
参考文献
    [1]中华人民共和国行业标准．公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南[S]工中国工程建设标准化协会公路工程委员会发布，2002．
    [2]中华人民共和国行业标准．(JTG F40—2004 )公路沥青路面施工技术规范 中华人民共和国交通部发布