万方数据第14卷第2期 中国公路学报Vol. 14No. 22001年4月China Journal of Highway and TransportApr 2001文宋幼粤1001-7372(2001)02-0013-05SMA混合料路用性能研究张争奇, 草润浦,张登良(长安大学公路学院, 陕西西安710064)摘要:通过系统试验研究,对沥青玛蹄脂碎石混合料SMA的设计方法、路用性能等与普通密级配沥青泥凝土进行比较和分析,并研究了粗细集料用量、不同纤维品种对SMA混合料性能的影响。关健词:SMA t&合科;路用性能;纤维;设计方法中圈分类号:U414文献标识码:ASt udy-of stone mastic asphalt performanceZHANG Zheng-qi, QIN Run-pu, ZHANG Deng-liang( School of Highway, Chang'an University. Xi'an 710064, China)Abstract: Systematical tests are carried out to study the effect of quantity of coarse and fineaggregate and different fibres on the SMA performance, the performance and the design methodsare analyzed and compared between SMA and HMA as well in this paper.Key words; stone mastic asphalt; performance; fibre; design methods SMA是由沥青、矿粉和纤维等组成的沥青玛蹄表1沥*试验指标脂来填充粗骨料骨架间隙的一种新型棍合料,该棍针人度廷度合料具有骨架间嵌挤强、沥青膜厚、空隙率小、表面沥青名称密度Z5r 15C10C华粗糙等特点,因而具有良好的高温抗车辙能力、低温兰练-90095>1007245.80. 989抗裂能力、耐疲劳性、水稳性及抗滑性能。SMA从2。世纪60年代中期开始在德国应用,到了80年试验采用玄武岩,而不同纤维品种,对SM A性能影代,SMA混合料在欧洲许多国家得到了广泛的应用响试验中SMA混合料采用花岗岩。两种石料都采并传到世界各国,得到了广泛的肯定。近年来,中国用落锤式破碎机加工,顺粒立方体形状较好,强度的道路工作者对SMA混合料也开展了卓有成效的高,硬度大,有较好的耐磨性。坟料采用磨细石灰石研究,并有了初步的应用。笔者就SMA的设计方矿粉,0.075 mm通过量为95%,法、路用性能与普通密级配沥青混凝土性能作比较1.3纤维和分析,并研究了粗细集料用量、不同纤维品种对 一种是吉林产松散木质素纤维(记为纤维1),SMA混合料性能的影响.净纤维珍加It为矿料混合料总重的。.3%;另一种1试验用材料为甘肃产矿物纤维(记为纤维2),净纤维扮加t为矿料混合料总重的0. 45。为比较纤维的作用,增1.1沥青材料加一种水选改性石棉纤维和德国V IATOP66粒状本试验用沥青材料采用兰炼90号沥青, 其主要木质素纤维,位状纤维是按纤维与沥青的比例2:1技术指标见表1.(重量比)制成,上述两种纤维作网篮试验,以比较对1.2集料与坟料沥青的吸附作用(表2),对SMA混合料和普通密级配沥青混凝土对比 从表2可以看出,就对沥青的吸附作用而言,国 收藕日期:2000-07-31作考蔺介张争奇(1967-).男,映西扶风人,长安大学讲师工学博士.中国公表2网篮滴漏试验结果(析漏损失%)沮度纤维150C160C170C180'C190 (200 CVIATOP660.60.81.41.9212.3吉林产木质素纤维000000水选改性石相纤维00!0- 20.30.350.45甘众产矿物纤维0.20.40.70.91. 21-4产松散木质素纤维最好,水选改性石棉纤维效果也不错。而对目前较流行的德国产VIATOP66,试验效果反而不好,该产品是按纤维与沥青的重量比2:1预拌而成,但预拌降低了纤维的表面吸附性能,因而比纯松散木质素纤维的吸附作用低。目前很多资料都认为VIATOP66是首选,但从网篮试验中比较可以看出,国产松散木质素纤维的使用效果比粒状的VIATOP66好(当然要解决好松散纤维喜水性,即要预防在潮湿气候条件下松散纤维贮存时间过长会结团的问题),所以笔者认为不要对国外进口的纤维盲目崇拜,国产纤维应该在中国SMA混合料的应用中发挥重要作用。2混合料级配研究采用SMA-16及AC-16工作比较。对 SAM结构,4. 75 mm通过率是个关键指标,它关系到SMA混合料中粗集料能否形成嵌挤结构。德国规范4.75 mm通过率在30%-40环之间,美国最初为34%左右,后来为25%-35%之间。怎样设计SMA混合料,世界各国都有不同规定,其中美国联邦公路总署(FHWA)和国家沥青路面协会(NAPA)技术工作集团提出了较为系统完整的SMA混合料设计方法,该方法分为两个步骤:①保证粗集料骨架的形成;②具有足够的沥青结合料和沥青玛蹄脂填充骨架空隙。为了保证SM A混合料中的粗集料相互嵌挤以形成骨架,要求在压实状态下沥青馄合料中的粗集料骨架空隙VCA.;:必须等于或小于没有其它集料和结合料存在时的粗集料集合体在捣实状态下的间隙率VCAmc,如果做不到这一点,粗集料的嵌挤作用就不能形成。从图1可以看出:在沥青混合料中,在最大粒径一定的情况下,随着4.75 mm通过最的增大,粗集料间隙率增大(图1数据为由本研究SMA三种级配计算而得)。VMA影响沥青用量和玛蹄脂数量,为了保证足够的沥青和玛蹄脂,矿料间晾率须大于17 %。在试验中发现,同样沥青用量下,万方数据路学报2001年4.75 mm通过量与VMA<矿料间隙率)的关系如图2所示。图2表明,4.75 mm通过率与混合料的VMA密切相关,也影响着粗集料嵌挤作用的形成情况。而且,随着4.75 mm通过率的增加、即细集料的增加,矿料间隙率VMA将逐步趋于常数,只有当4.75 mm通过率小于30%时,VMA才开始增加,粗集料才相互接触,形成嵌挤结构。.矛 ̄气甘‘江,汇霎叮加30 泌]020 30 40 50 60通过翎%475mm通过事厂%即4.75 mm通过R图2 4.75 mm通过率与VCA的关系与VMA的关系 以上说明4. 75 mm通过量是决定SMA性能的关键。为验证其结论并考虑中国已铺筑的SMA路面的级祝取用情况,采用4.75 mm通过率分别为35 0 o (SMA-16 I)、30 0 o (SMA-16 I)、25% (SMAI)作比较。各种类型沥青混合料矿料级配类型如表3所示。级配曲线如图3所示,其中SMA馄合料的级配是参考了北京通顺路、美国SMA建议级配及德国规范,并经初步试验,考察空隙率,对初选级配进行调整后所得的级配值。表3矿质混合料级配取用值 混合料试验与结果分析3.1试件成型由前述4种级配, 按JTJ-93(T 0703-93)方法成型30 cm X3 0 cm X5 cm板及30 cm X3 0 cm X6 cm一月卜AC 16- I-SMA16-I- SMA16-11岁、峪刊卜SMA 16-III刘月0 00750】,0.30 0.60 1.18 2.36 4 75 9 50 13.20 16 00筛孔尺demo 图3矿料级配万方数据第2期张争奇,等:SMA A合料路用性能研究板,前者作为侧试车辙动稳定度用,后者按需要切割单一粒径的粗集料,在荷载作用过程中,粗料相对于成4 cm X 4 cm X 20 cm棱柱体试件VA备疲劳试验使细料更易产生较大的错位变形,就是说SM A结构用,成型时棍合料碾压温度为120-140 C ,的抗压强度高,而抗拉强度小,因而马歇尔稳定度一3.2马歇尔试验结果及分析般比较低。另一方面,SM A混合料的沥青用量比普 对于密级配沥青混凝土AC-16工,配合比设计通密级配沥青混凝土要大得多,也是导致马歇尔稳采用《沥青路面施工技术规范》QTJ 032-94)中有关定度变小的一个因素。条文进行,其试验结果见表4,(2)SMA 1 (4.75 mm通过最为35)是按马歇裹4 AC-161混合料马歇尔试验结果尔方法设计的,从表5中可知,各混合料虽满足马歇级砚类吸袖石比r%a定度/%拢值)0. Imm空峨率/%VAAIK尔设计标准,但其压实状态下沥青混合料中的粗集料4-011.5826.85.763.5骨架空隙VCA二大于没有其它集料、结合料存在时峨.513.5232.14.3?2.7的粗集料集合体在捣实状态下的间隙率VCAmc,按AC-1615.010.9632.83.478.6照美国联邦公路总署(FHWA)和国家沥青路面协会5.510.3139.62.385.8(NAPA)技术工作集团提出的“SMA混合料设计方6.010.0550.91.989.6法”.SMA I混合料中矿料没有形成嵌挤骨架结构, 对于SMA-16 I混合料是根据中国现行规范也就不能称为真正的SMA。本研究的性能试验也表《公路改性沥青施工技术规范》(JTJ 036-98)的所附明SMAI混合料各方面性能较差。这就表明马歇尔SMA设计方法进行设计的,沥青用量是结合马歇尔设计方法在设计SMA结构的局限性。同时说明4.75试验和流淌试验综合确定的,试验结果见表5。表5mm通过t对SMA性能的影响,从本试验结果来列出了固定纤维用量下(VIATOP66)不同SMA馄看,本研究所用矿料的粗/细料比例不应小于70合料(4.75 mm通过率分别为350a,30%,25%)马30,否则矿料不会形成骨架结构。(3 )SMA-16 1混合料的马歇尔试验结果(表7)歇尔指标,同时也列出了粗集料间隙率VCA.;,和与密级配混合料AC-16 I马歇尔试验结果(表4)比VCAnnc,以作比较。同时对SMA-16 1,也进行了不较发现,密级配沥青棍凝土马歇尔稳定度随着沥青同纤维的对比试验,试验结果见表6。用量的变化,出现明显的峰值,而SMA混合料的马表5 SMA-16混合料的马歇尔试验结果歇尔稳定度随沥青用量变化不明显。原因是在一定组配倪定度VCA},VCAurzc的沥青用最下,沥青已较为完全地裹覆了矿料,沥青奥姐油石比/% /kN /。0d.t1 1Smm空硫率VFAVMA/% /%/%/% /% 用量再增大,所增加的沥青多呈自由沥青,所以在较SM人16.27.2642.32_8吕2.817.143.541.3宽的沥青用量范围内对矿料与矿料之间的粘附力影SMAI6.16.3033.13-581.317.239.141.9响不大,也就是说,沥青用量的变化对SMA结构抗SMAI5.96.2044.53.778.317.434. 942.2拉特性无大的影响。表6不同纤维马歇尔试验结果 (4)从表6和图4中可看出,挤加木质素纤维的SMA混合料的马歇尔稳定度要高于接加矿物纤维沥*用t556.06.5的SMA混合料的马歇尔稳定度。这说明木质素纤纤维纤绘1纤维2纤维1}弓r三任乙盯,.n,,,一王在1纤维2维的吸附及“加筋”作用要优于矿物纤维。马吸尔倪定度MS/kN7. 236.517.056. 286.426.58以上分析可知,马歇尔试验方法不适用于评价 流值F(./0. 1 mm35. 634. 232.431.639.836.3SMA混合料,这是由SMA结构特性所决定的。对空晾率/%3. 73.63.23.32.92.7SMA混合料有决定意由试验结果可以看出: 义的,应该是体积指之乏(1)比较表4和表5可知,SMA的马歇尔稳定 刘标,而不是马歇尔稳定侧母度比普通的密级配沥青混凝土要小得多,其原因是度。在本论文中,暂且场组因为马歇尔试验的荷载方式对SMA材料是不利不论SMA是否形成嵌少的。马歇尔试验表面上看来是受压,其实试件内部的挤结构,对三种SMAtf内含显/%破坏是受拉。而SMA结构主要依靠沥青玛蹄脂所混合料的路用性能作圈4不同奸维对SMA混合料提供的钻附力起抗拉作用,且SMA材料大部分是对比试脸。马氏.定度的形响 中国公路学报2001年表7 SMA-16混合料的马歇尔试验结果级配类v!69石比/%{趁定度/4N I沈值/0.1-1空喊率/%}VFA/0/,6.89 I 36行SMA混合料配合比设计时,要严格控制4. 75 mm筛孔通过量。另外,VMA与4.75 mm通过量的关系表明,4.75 mm的通过盈不宜超过30%。否则,VMA明一似-泪一川一848们」料SMA-161}一05 0 65.4712 3一.99 1 32.}439 4沥青混合料性能试验结果及分析4.1沥青混台料高温抗车辙试验车辙试验采用日本三井公司生产的车辙试脸 级配类型仪,试验温度60'C,试件放人恒温室养生6h。表8,9为沥青混合料车辙试验结果。表8不同级配沥有混凝土车辙试验结果 级况类if IAC16-川SMA16-[ISM人16-州SMAlfi- II动毯定度/次mm- I 826{1 265}1 898}2 459表9不同纤维对混合料动德定度试验结果纤维品种 动旅定度/次 SMA结构混合料的动稳定度明显由表8可知,大于AC密级配沥青混凝土。这是由于在AC的组成中,细集料以下的部分大体上占到一半,细集料已经把粗集料撑开,粗集料实际上是悬浮在沥青砂浆中,彼此互相并未紧密接触,属于悬浮一密实结构,此类结构的抗剪强度主要取决于材料的内粘聚力,而在高温条件下,材料的内粘聚力会变小,很容易产生水久变形,造成车辙、拥包等。而SMA的组成中,粗集料占到70以上,混合料中粗集料相互之间的接触面(或支排点)多,细集料较少,玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的空隙,形成所谓的骨架一密实结构,抗剪强度主要取决于由于矿料嵌挤摩擦而形成的内摩阻力。内摩阻力受温度的影响小,因而有较强的高温抗车辙能力。由此说明对于沥青混合料高温稳定性而言,SMA混合料表现出较好的高温稳定性。 SMA的高温稳定性受到矿料最大粒径、粗/细集料比例的影响。由表8还可看出,随着4.75二筛孔通过量的的减小,沥青混合料动稳定度随着提高,也可看出当4. 75 mm通过量超过30%时,其高温稳定性受到一定的影响,这再次说明在SMA混合料中,当4.75 mm通过量超过30写时,SMA的粗料接触被细料撑开,这也就不能称之为SMA了。因此在进刘」川6.79 I 40.2会过小,也必然导致沥青用量偏小。由表9可知,对于同级配下的SMA混合料,采用木质素纤维混合料的动稳定度较采用矿物纤维有明显提高。4.2混合料疲劳特性试验结果及分析用弯曲疲劳试验评价SMA混合料的抗疲劳特 性,并用疲劳方程表征。结果如表10及表11所示。表10不同级配沥*混合料浦劳试验结果 c/or0.4戒劳次致9861 2313 2685 0131 1261 6984 3627 3451 5521 9826 219回归方怪0. 3AC-16 I0. 20.150.40.3“_ - f Kl 1a/aISMA-16 I0.20.150.40.3A',-K( 1 c/a I,“了一K( %saa}/ ^纤维以木质素)2 230纤纽艺(矿物)SMA-16 I0.20.150.410 5191 9532 5687 61211 4200.3SMA-1610.20. 15N7-K( %aaf) ,表11不同纤维沥青混合料疲劳试验结果响一04一03一02奸维昌种咬劳次数!回归方程纤维1 1 36582Nf一‘(AX5 6199 5191 1101 4814 5136 910K= 165. 1 -2.13(木质盆纤维)0.150.4纤维2 (矿物纤维)0.30. 20.15Nf=K(nOfK=162. 1.1. 99 由表10可以看出,当筛孔通过率为25%左右时,SMA棍合料的疲劳性能表现最好,而当筛孔通过率达到30%或35写时,其疲劳性能均有所下降。这说明4.75 mm筛孔通过量对SMA混合料抗疲劳性能影响也较大。从表n可以看出,采用木质素纤维的SMA混合料的抗菠劳性能要优于矿物纤万方数据万方数据第2期张争奇,等:SMA泥合料洛用性能研究维。性有很大的不同,马歇尔试验方法作用特性不能体4.3混合料抗滑试验结果及分析现出SMA混合料的优势,也不能反映路面的实际混合料摩擦系数及构造深度试验结果见表12,130 受力特性。现行规范用马歇尔法设计SMA混合料表12混合料康擦系数测定结果 有待改进。体积指标VMA和VCA是决定SM A结*I0ATIkC0 黔 BPN AC -517 6 I I SMA6-6 1 6 I I SMA6-8 I 61 I SMA6-916.构的关键。(2)与密级配沥青混凝土相比, SMA在高温稳定性、抗疲劳性及抗滑性等路用性能方面表现出较衰13不同沥*混合料的构造深度大的优势。级配类塑 AC-i6SMA-16 1 I SMA-16 1 I SMA-16 1(3)4.75 mm的筛孔通过率对SMA混合料的构造裸度/mm0. 72 1 1.0 1 1.52性能影响显著,随着4.75 mm的通过率的减小,从表12,13可以看出, SMA混合料的摩擦系数SM A的高温稳定性、抗疲劳性及抗滑性均提高,在及构造深度比密级配沥青混合料的大;而随着4.75配合比设计中应严格控制其通过率,应在25写一mm通过量的减小,SMA混合料的摩擦系数和构造30%之间选择。深度逐渐增大,由此可见4. 75 mm通过量对SMA (4)木质素纤维用于SMA混合料较矿物纤维混合料的抗滑性能的影响也较大。在SMA结构中,具有明显的优越性。由于粗集料占多数,而细集料占很少一部分,用参考文献SMA馄合料铺筑的路面表层,极易获得理想的库擦系数和构造深度,从而具有比密级配沥青混合料更[lj曾勇. SMA混合料级配变化对高盔检定性的影响好的抗滑性。CJ7.石油沥青.1998,12(2);20-23.川沈金安.改性沥青及SMA路面〔M],北京:人民交通出S结语版社,1999.阁余叔落. SMA路面技术在美国的发展CJ1.公路,1998.(1)与普通馄凝土相比, SMA混合料的结构特44(10):21-23.(上接第12页)计算结果准确。最大值时,考虑各层材料都为弹性情况时,重锤心处弯沉与荷载同时达到最大值,而考虑面层材料为粘参考文献弹材料时,落锤中心处的弯沉达到最大值的时间滞张肖宁.实脸粘弹原理[M].哈尔滨哈尔缤船加工程后,并且最大弯沉值偏大,当荷载变成零后,各点具学院出版社.1990.有残余变形。这体现了粘弹材料本身的特点,更加符钟阳,王哲人,郭大智.求解多层弹性半空间轴对称问厄的传递矩阵法Dl.土木工程学报.1992.25(6)合路面材料的实际特性,因此,本文的方法可以应用37-43.于车辙预估中。r「.L九JJ朱照宏,王乘纲,郭大智路面力学计算〔M〕.北京:人6结语民交通出版杜,1985.FLd飞J徐光辉,等.路面结构动力系统响应问题的求解〔J1.哈 (1)推导了多层粘弹性半空间轴对称问题在轴尔滨建筑大学学报.1999.32(1):99-103.对称动荷载作用下,层间安全接触情况的解析解,符LL亡,」.DURBIN F. Numerical inversion of laplace transfor-合路面的实际受力特性和材料本身的特性。ms. an efficient improvement to dub-, and abate's(2)用传递矩阵法求解动荷载作用下多层粘弹 method[J]. The Computer Journl. 1973, 17 (4): 371-376.性半空间轴对称问题,无论层次多少,最后都归结为求解二元一次代数方程组,因而使间题大大简化。[6]王拼禄,史荣昌.矩阵理论〔M 7.北京国防工业出版社,1988.(3)采用不同于其它文献介绍的方法,引人精度 匡伊文W.层状介质中的弹性波〔MI.北京科学出版社、更高的DURBIN F方法实现LAPLACE逆变换,1966.