正交试验法在SMA-16配合比设计中的应用

吴德军， 郭 平， 韩君良

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064;2.西安公路研究院，陕西西安 710054)

SMA(stone matrix asphalt，简称SMA)沥青混合料具有优良的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性能、抗滑性能等，得到了广泛的应用。SMA于20世纪60年代起源于德国，是在浇注式沥青混凝土的基础上为解决车辙问题而发展起来的新型材料。从 80年代起，SMA首先在北欧的瑞典、芬兰等国得到了广泛的应用;1990年SMA技术引入美国，1991—1994年间共铺筑了68条SMA路面。SMA技术在我国也得到了快速的应用:1993年北京首都机场高速公路、1996年机场东跑道加铺沥青面层以及八达岭高速公路京昌段的表面层设计都使用了SM A;河北、吉林、辽宁等地也相继铺筑了试验路段;2006年永咸高速公路是陕西省第一条大面积、全路段采用SMA沥青路面技术的高速公路。但是，使用的级配一般是在其它国家使用的级配的基础上依靠经验改造而来，而且现行的设计规范所设计的结果并不能保证其级配为最优的级配。一些研究人员对此进行了试探性的研究[1，2]，本文采用正交试验法进行凤永高速公路目标配合比优化设计。

1 正交试验设计

正交试验法是目前最流行、使用效果较好的优化设计方法，利用正交试验方法可以合理地安排各试验因素，利用较少的试验次数得到较好的试验结果。正交优化设计无疑是基于沥青混合料路用性能进行配合比设计的最佳选择。合理地、科学地进行正交试验设计，不仅可以获得高质量、高可靠性的试验数据及试验产品，而且在试验数据分析中，更有利于掌握试验对象之间的内在联系、最佳掺量及工艺[3]。

影响SMA-16沥青混合料路用性能的关键筛孔分别为16.0、13.2、4.75、0.075 mm，因此针对每种关键筛孔的影响因素，尽可能多地设置试验水平。目前，为了拌和楼拌和方便，料场一般生产0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 4档料，19.0mm的通过率为100%。

依据目前沥青混合料配合比设计的经验，选用混合水平正交试验表L12(33×102×52×71× 21×41)试验的方案，见表1所列。

表1 应用正交试验法设计的集料通过率 %

根据SMA路用性能的要求和SMA作用机理的研究结果，SMA-16沥青混合料配合比设计的思路如下:

(1)4.75mm以上的粗集料颗粒的比例应该在75%～85%之间，其中9.5 mm以上的占1/2左右，矿粉的用量在10%左右，0.075 mm筛孔的通过率在10%以上，粉胶比在1.8～2.0之间。

(2)为了较好地形成骨架嵌挤结构，SMA-16的2.36～4.75 mm粒径范围的用量不能超过3%。

(3)为了避免沥青流淌，加入木质素纤维，用量为沥青混合料的0.3%。

(4)要求沥青的针入度较小，软化点高，黏结性好，高温稳定性好。

(5)根据经验，本次室内试验采用的油石比为6.0%，空隙率控制在3%～4.5%，矿料间隙率不小于16.5%，沥青饱和度在70%～85%之间。

(6)在成型马歇尔试件时，分别采用双面击实75次和50次测定其马歇尔试件指标，研究其路用性能。

2 室内试验结果处理

2.1 马歇尔试件试验结果与分析

马歇尔成型试件试验结果[4]见表2所列。

试验结果分析如下:

(1)由表2可知，12个配合比中有11个配合比(除配合比6外)能满足VCADRC＞VCAm ix，这说明4.75 mm通过率控制在(26±2)%是合适的。

铺筑后的SMA-16路面，总是期望出现尽可能多粗集料的石-石嵌挤结构。由于4.75 mm的石料起到填充SM A-16的粗集料之间的空隙作用，如果含量过多，会撑开粗集料，从而不能形成接触或出现粗集料接触较少，这样就会造成混合料的动稳定度不够，铺筑的路面出现较为严重的车辙。如果4.75mm的含量过少，则细料很难充填粗集料留下的空隙，就会造成混合料的空隙率过大，耐疲劳和抗水损害性能会差。因此，在SMA配合比设计时，最重要的是要保证粗集料之间的石-石嵌挤作用和保证空隙率满足要求。当着重考虑车辙的要求时，把4.75mm的碎石含量控制在一定的范围显得非常重要。

4.75mm的通过率与VV、VMA、VCAm ix的关系如图1所示。

表2 马歇尔试件试验结果

图1 4.75mm的通过率与VV、VMA、VCAmix的关系

从图1可以看出，双面击实75次与双面击实50次的粗集料骨架间隙率相同，与击实次数无关。从图形的整体趋势来看，粗集料骨架间隙率VCAm ix随着4.75 mm的通过率的增大而增大。从表2还可以发现粗集料骨架松装间隙率VCADRC也随着 4.75 mm的通过率的增大而增大，但是其增大的幅度与粗集料骨架间隙率VCAmix相比较慢，因此在进行配合比设计时选择4.75 mm筛孔的通过率小于某一值，可以使VCADRC＞VCAmix，通过室内试验发现，这一值应该控制在28%较为合适，最多不能超过29%。

(2)矿料间隙率是衡量配合比优劣的一个非常重要的数据参数，因为它能够直接体现SMA混合料的低温性能和耐疲劳性能，用它可以检验沥青和矿粉的用量是否合适。因此，即使在其它指标都能够满足要求的前提下，矿料间隙率不满足要求，则这个级配也不能使用。对于SMA-16的矿料间隙率要求控制在不小于16.5%，从本次试验结果可以看出，除级配2击实75次、级配7和级配11不能够满足要求外，其它级配都能够满足要求。

从表2可以得出，双面击实75次比双面击实50次的矿料间隙率略小，平均小0.32%。从整体趋势来讲，随着4.75mm的通过率的增大，矿料间隙率减小。

(3)本次试验的空隙率控制在 3.0%～4.5%，除级配5、级配7、级配8不满足要求外，其它都能够满足要求。从图1可以看出，双面击实75次比双面击实50次的空隙率略小，平均小0.37%。双面击实75次时，在马歇尔试件表面并未发现明显的破碎现象。为进一步研究双面击实75次对于马歇尔试件的影响程度，进行了抽提试验[5]，其结果见表3所列。

表3 击实试验标准不同对试验结果的影响

从表3可以看出，各粒径的通过率相差不大，影响最大的是粒径为1.18mm的碎石通过率，降低了0.07%，对于SMA起着骨架作用的碎石的含量在误差范围内基本相同。

在施工过程中为了减少粗集料的压碎量，在选择粗集料时，往往会采用花岗岩、石英岩、片麻岩等比较坚硬的石料，因此在进行室内马歇尔成型试件时，双面击实75次，一般不会出现因为击实功过大而造成表面破碎的情况。通过本次室内试验，笔者认为实际施工现场的压实功往往较大，在进行室内试验时采用双面击实75次更能接近实际情况。在室内实验时提高击实功的主要目的是可以降低油石比，使SMA路面不易出现泛油现象。

(4)从试验结果可以看出，稳定度都能够满足规范要求的不小于8 kN，而流值不做要求。这说明只要满足粗集料的嵌挤要求，稳定度一般都能够满足要求，因此SMA的稳定度和流值可以不作为评价SMA配合比设计优略的指标[6，7]。

(5)由于SM A必须保证足够的沥青膜厚度，因此在进行SMA配合比设计时粉胶比是一个重要的参数，一般在1.8～2.0之间。通过室内试验发现粉胶比与油石比和合成级配中0.075mm筛孔的通过率有很强的相关性。当合成级配中0.075mm筛孔的通过率每增大0.1%时，粉胶比增大0.1～0.2;当油石比每增大0.1%时，粉胶比减少0.3～0.4。

2.2 路用性能试验结果分析

2.2.1 动稳定度试验结果分析

16.0mm的通过率分别控制在80%、85%、90%、95%进行动稳定度试验，其结果如图2a所示。

从图2a可以看出，动稳定度随着16.0 mm通过率的增大而增大，其通过率应该控制在90%以上。双面击实75次比双面击实50次的动稳定度明显偏大。

13.2mm的通过率分别控制在65%、70%、75%、80%进行动稳定度试验，其结果如图2b所示。

从图2b可以看出，动稳定度随着13.2 mm通过率的增大而减小，其通过率应该控制在70%以下。双面击实75次与双面击实50次的动稳定度大致相同。

9.5mm的通过率分别控制在45%、50%、55%、60%进行动稳定度试验，其结果如图2c所示。

从图2c可以看出，动稳定度随着9.5mm通过率的增大而减小，其通过率应该控制在50%以下。双面击实75次与双面击实50次的动稳定度大致相同。

因此，在进行SMA配合比设计时，为提高混合料的高温稳定性能应尽量提高16.0mm粒径集料的含量，控制13.2 mm、9.5 mm粒径集料的含量。

图2 通过率与动稳定度的关系

2.2.2 其它路用性能试验结果分析

本次室内试验对于每组配合比还进行了残留稳定度、冻融劈裂残留强度比、渗水、构造深度、低温弯曲试验破坏微应变等路用性能试验，其结果基本都能满足规范要求。

实践证明，对于SMA-16的配合比应重点控制合成级配中16.0、13.2、4.75、0.075mm的通过率[8，9]。

2.3 SMA-16最佳配合比的确定

根据表2马歇尔试验结果和以上分析的结果，可以得出本次SM A-16试验的最佳配合比，见表4所列。

表4 SM A-16的最佳配合比

3 结 论

(1)利用正交试验设计方法进行了SMA-16的配合比设计，并证明是有效的。

(2)提出了SMA-16的配合比设计的思路。

(3)在进行SMA-16配合比设计时，为了避免出现泛油现象，提高室内试验的击实功，从而降低油石比，建议采用双面击实75次。

(4)影响SMA-16沥青混合料路用性能的关键筛孔为16.0、13.2、4.75、0.075 mm;随着4.75 mm的通过率的增大，矿料间隙率减小; 4.75 mm的通过率应控制在24%～29%;粉胶比一般控制在1.8～2.0之间，通过室内试验发现粉胶比与油石比和合成级配中0.075mm筛孔的通过率有很强的相关性;当合成级配中0.075 mm筛孔的通过率每增大0.1%时，粉胶比增大0.1～0.2;当油石比每增大0.1%时，粉胶比减少0.3～0.4;动稳定度随着16.0 mm通过率的增大而增大。动稳定度随着13.2 mm通过率的增大而减小，其通过率应该控制在50%以下。

(5)得出了SMA-16最佳配合比。

[1] 刘忠根，张登良.均匀设计在SMA骨料级配设计中的应用[J].长安大学学报:自然科学版，2003，23(1):1-6.

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[6] 卢永贵.SMA设计方法及路用性能研究[D].西安:长安大学公路学院，2001.

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