无纤维SMA级配变化对稳定度及动稳定度影响的试验研究

陈小周 王建伟

（1.江苏省交通规划设计院 南京 211100；2.东南大学交通学院 南京 210096）

沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）以其优良的抗车辙性能与抗滑性能而闻名于世。SMA结构组成的主要特点可归纳为“三多一少”，即粗集料、沥青及填料多，细集料少。它是由沥青和矿粉组成的丰富的沥青玛蹄脂来填充粗集料骨架间隙而形成的一种混合料，具有骨料间有效嵌挤、沥青膜较厚、孔隙率较小、表面粗糙等特点，因而具有良好的高温抗车辙能力，低温抗开裂能力，中温耐疲劳性能，水稳性及抗滑性能。20世纪90年代初SMA进入我国以来，我国的道路工作者对SMA混合料展开了卓有成效的研究，并开始了广泛的工程应用［1］。笔者最近在研究无纤维SMA混合料的应用时，对于级配的变化对其稳定度及动稳定度的影响方面作了一些试验研究［2－3］。

1 试验材料

1.1 沥青结合料

SMA混合料中沥青的质量必须满足沥青玛蹄脂的需要，要求有较高的粘度，尤其对于不加纤维的SMA混和料，更要求有较高的粘度以控制析漏，同时也要保证混合料有足够的高温稳定性和低温韧性。本文采用优质SBS改性沥青，其主要检测指标见表1。

表1 SBS改性沥青主要检测指标

1.2 矿料

（1）粗集料。由于SMA是断级配骨架密实型混合料，粗集料含量多，荷载主要由粗集料骨架靠嵌挤作用来完成，而嵌挤作用的好坏在很大程度上取决于集料的坚韧性、颗粒形状和棱角性，因此要求粗集料质地坚硬、抗磨耗、表面粗糙、耐磨光、针片状少、形状接近立方体、软石含量少。本研究采用优质玄武岩，破碎率100%，破碎面均为2个以上。

（2）细集料。细集料一般要求采用坚硬的人工砂，尽量不采用天然砂，要有一定的粗糙度，虽然SMA所用细集料少，但对此也不应忽视。采用的细集料由优质玄武岩轧制而成，满足要求的各项指标。

（3）矿粉。矿粉是沥青玛蹄脂的重要组成部分，沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对粗细集料产生粘附作用，所以要求采用与沥青有良好粘附性的石灰石磨细的矿粉。采用的矿粉0.15 mm筛孔通过率为100%，0.075mm筛孔通过率为97.5%。亲水系数0.73，满足要求。

2 级配与混合料的稳定度及动稳定度

稳定度是一个综合性的强度指标，从某种程度上反映混合料强度的大小，但它的受力模式与实际路面有较大的出入，它没有侧限，表面受压而实际受拉，试件是在三向应力（竖向受压，两水平向受拉）作用下破坏的，其强度的大小主要反映了混合料粘结力的大小。

沥青混合料的动稳定度实际上反映了路面抵抗车辆荷载反复作用而产生永久变形的能力，它主要取决于2个方面：①矿料的组成，粗集料间能否形成骨架嵌挤结构，能否构成坚实的骨架至为关键。它是沥青混合料强度公式中φ值的主要来源；②沥青的性质和含量。它是沥青混合料强度公式中c值的来源，它为混合料提供粘结力，起到阻碍混合料发生剪切变形的作用。有关研究资料表明，对于一般沥青混合料的抗车辙能力，矿料级配的贡献率占60%，而沥青则占40%。而对于像SMA这样的断级配骨架密实型沥青混合料，其强度和稳定性主要靠粗集料间相互嵌挤来提供，其矿料级配对高温稳定性的贡献更大。因此，矿料级配是否合理，骨料间能否有效嵌挤对混合料的高温稳定性起主要作用。为了研究矿料级配对SMA混合料稳定度及动稳定度的影响，采用无纤维SMA－10设计过程中的几组级配作为对比。各级配的组成见表2。

表2 各试验级配

我国技术指南中对SMA所用粗集料的粒径是根据集料的嵌挤作用判断的，对SMA－13，SMA－16，SMA－20是指粒径大于4.75mm 的集料，而对SMA－10是指大于2.36mm的集料。所以，SMA－10 的 关 键筛孔 为 2.36mm。参 照SMA－10的级配范围，考虑不加纤维，故采用较细的级配，以达到降低集料间隙率，从而相应减少沥青用量，以解决混合料析漏问题。以2.36mm通过率为变化点，该组级配只有A，D，F在级配范围内，不过已处于上限，其余均已超出SMA－10的级配范围，级配明显偏细。A，B，C三级配矿粉用量为10%，D，E二级配矿粉用量为12%，F，G二级配矿粉用量为13%，油石比均为5.4%。

3 试验结果及分析

按标准试验方法制作马歇尔试件及车辙板，然后进行马歇尔试验及车辙试验，试验数据见表3。

表3 各级配试验结果

由表3可见：①随着矿粉用量也即粉胶比的增大，稳定度与动稳定度均随之增大；②随着关键筛孔2.36mm通过量的增大，即级配逐渐变细，马歇尔稳定度随之增大，而动稳定度则随之降低。马歇尔稳定度与动稳定度随级配的改变呈相反的变化趋势，这与普通沥青混合料尤其是与悬浮密实结构的I型混合料有着根本的不同。

其实这并不奇怪，原因是马歇尔试验的加载方式对SMA这种主要靠相互嵌挤的结构是不利的。马歇尔试件表面上看来受压，其实试件内部的破坏是受拉所致。SMA材料有70%左右是接近于单一粒径的粗集料，在实际路面周围有侧限受压时能产生相互嵌挤，但却不耐拉。SMA受拉主要是依靠沥青玛蹄脂承受拉力，但在试验温度60℃时，沥青变软，粘度较低，劲度下降，玛蹄脂对受拉不可能产生多大的抵抗，所以才出现这种看起来似乎矛盾的现象，即稳定度越大其动稳定度反而越小。

比如，对于级配A与C：A级配的稳定度为11.1kN，在本次试验中最低，但其动稳定度却是最高的，达5 274次／mm，这是由于其粗料多、细料少，骨架结构充分形成，嵌挤作用充分发挥所致；C级配的2.36mm通过量为34%，其马歇尔稳定度为14.2kN，但其动稳定度只有3 214次／mm，较其他级配均小。实测结果显示，C级配的VCAmix＞VCADRC，骨架嵌挤结构未能形成，粗集料间不能直接接触，故其高温稳定性能较其他的差。

另外，由于级配A空隙率及析漏均过大，级配C空隙率过小，油石比显得偏大，骨架嵌挤结构未形成，故舍此二级配。B级配骨架嵌挤结构基本形成，但空隙率偏小，析漏偏大，不能完全满足要求，故通过增加粗集料及矿粉，同时减少细集料对其调整而得D，E二级配。调整后级配的稳定度及动稳定度均明显增大，空隙率已基本能满足要求，析漏明显好转但稍偏大，故再次进行调整。通过增加矿粉同时减少细集料而再次调整得F，G二级配。此时F级配各试验指标均满足要求，而G级配各试验指标也基本能满足要求，只是VCAmix稍大于VCADRC，空隙率虽能满足要求但稍小，故最终决定选用F级配。

F级配粗集料及矿粉含量均较多，其动稳定度较其他几个级配均有明显的改善，这说明粗集料含量较高的级配，适当增加矿粉，可提高其高温稳定性。但F级配的稳定度明显偏低。但这没有关系，因为表征SMA强度的指标主要是其动稳定度，而不是稳定度。另外，由本次试验所测流值的结果看不出什么规律，它不随级配的变化而增大或减小，也不随粉胶比的变化而呈现出什么规律。不过有一点，它比普通沥青混合料的值明显要大。普通沥青混合料的流值一般在2～5 mm之间，而本次试验的结果几乎全在5mm以上，这表明此改性沥青无纤维SMA－10混合料在高温时有较好的韧性。

所以在SMA设计中，稳定度低并不意味着其高温稳定性能差，稳定度高也并不意味着其高温稳定性能好，有时可能恰好相反。也正因为如此，SMA的配合比设计与普通沥青混合料不一样，虽然它也要以马歇尔试验作为设计手段，但其重点是矿料各部分的级配，各体积指标及沥青用量，而不是稳定度与流值。稳定度与流值并不作为接受或拒绝SMA混合料设计的唯一理由。这是与以稳定度和流值作为控制指标的普通沥青混合料设计的最大区别之所在。SMA各体积指标主要有：空隙率（Va）、集料间隙率（VMA）、粗集料间隙率（VCA）及沥青填隙率（VFA）。

4 指标检验

对最终所选的F级配进行全面的试验验证。各检验指标所得结果与建议要求见表4。

表4 指标检验结果

由表4可见，该级配的混合料试验检验指标均满足要求。它具有相当好的高温稳定性，马歇尔稳定度亦满足要求。表面有较大的构造深度，渗水系数很小，基本上不渗水，各水稳性指标非常优良，故可有效地将路面的抗滑性与耐久性统一起来。又由于有丰厚的沥青玛蹄脂填充粗集料间隙，故又具有优良的抗裂性能，可将高温抗车辙与低温抗开裂统一起来，从而使其具有多方面的优异性能［4］。

5 结语

对于无纤维SMA而言，级配越细，马歇尔稳定度越高，但其高温稳定性反而越低；级配越粗，马歇尔稳定度越低，但其高温稳定性反而越高。关键筛孔2.36mm通过量相同的级配，在油石比相同的情况下，矿粉用量增大，其马歇尔稳定度及动稳定度同时增大；但级配的变化和流值却没有直接的关系。因此，在工程实际中，可以通过增大粗骨料含量，适度增加矿粉用量，同时减少细集料来提高混合料的性能。

目前在欧美一些国家早已修筑成功了无纤维SMA，并且已在推广应用。因此在修建沥青路面时，考虑选用无纤维SMA无论在技术上还是在经济上都是合理有效的。

［1］沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］陈小周.无纤维SMA－10路用性能试验研究［J］.北方交通，2006（12）：27－29.

［3］余叔藩.SMA路面设计与施工［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［4］曾 勇.SMA混合料级配变化对高温稳定性的影响［J］.石油沥青，1998（2）：31－32.