sma路面配合比设计施工

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1、SMA路面配合比设计,主讲：张国辉,一、前言,沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是近年来在国际上出现的一种新型的沥青混合料,以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名。60年代中期始于德国,它是一种由沥青、纤维素稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料，它减小了沥青感温性，具有良好的表面功能和耐久性，高温抗车辙能力、低温抗裂能力、耐疲劳性能、水稳定性等路用性能得到大幅度提高。 在德国，SMA成为了最主要的沥青路面表面层结构类型。 我国首次试用SMA是1992年北京公路局建设“国门第一路”首都机场高速公路,二、SMA结构组成特点及路用性能特点,2.l SMA

2、的结构组成特点 SMA是由沥青玛蹄脂填充碎石骨架组成的骨架嵌挤密实结构混合料。它有以下特点: 1、SMA是一种间断级配的沥青混合料,以SMA-16为例,5mm以上的粗集料,主要是4.75m以上颗粒,粗集料颗粒的比例高达70-80%,其中9.5mm以上的占一半,矿粉用量达8-l3%,0.075mm筛的通过率一般高达10%,粉胶比远超出通常的1.2的限制值,由此形成间断级配,很少使用细集料。,2、为加入较多的沥青,一方面增加矿粉用量,同时,使用纤维作为稳定剂。 3、沥青结合料用量多,比普通混合料要高1%以上,粘结性要求高,应选用针入度小,软化点高,温度稳定性好的沥青。最好采用改性沥青,以改善高低温

3、抗变形性能及与矿料的粘附性。 4、SMA的配合比不能完全依靠马歇尔配合比设计方法,主要由体积指标确定,马歇尔试件成型双面击实50次（根据实际情况也可为75次）,目标空隙率3%-4%,稳定度和流值不是主要指标,沥青用量还可参考高温析漏试验确定。车辙试验是重要的设计手段。,5、SMA的材料要求:粗集料必须特别坚硬、表面相糙、针片状颗粒少,以便嵌挤良好；细集料一般不用天然砂；矿粉必须是磨细石灰石粉,最好不使用回收粉尘。 6、SMA的施工与普通沥青混凝土,拌和时间要适当延长,施工温度要提高,压实不得采用轮胎碾。 综合SMA的特点,可以归纳为三多一少：粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少,掺纤维增强

4、剂,材料要求高,使用性能全面提高。,2.2 SMA路用性能特点 1、优良的抗车辙能力。含较高百分率的破碎粗集料组成一个紧密嵌锁的骨架结构，帮助消散对下层的冲击力，抗车辙能力是普通沥青混凝土的1.5-4倍。 2、较好的抗滑性能。缺少中等尺寸集料可以产生一个较深的表面构造深度,增加抗滑性能和吸音性、减少雨天水雾现象,3、良好的耐久性能。较厚的沥青膜能减少氧化、水分渗透、沥青剥落和集料破碎,从而使面层有较长的使用寿命。 4、经济显著。由于SMA耐久性好,养护费用低,具有较高的经济效益,与传统沥青混凝土相比,SMA的使用寿命增加40%左右。,三、 SMA混合料设计,3.1 SMA配合比设计方法 SMA

5、配合比设计任务就是确定骨架和玛蹄脂部分各种材料的规格和比例,以便保证真正形成粗集料骨架。骨架间又恰到好处地填充玛蹄脂,玛蹄脂也能真正发挥使混合料成为整体的胶结作用。 下图是SMA混合料的各项体积指标示意,3.2 设计流程 SMA配合比设计流程图,材料选择,材料试验,以4.75mm筛孔为关键筛孔，选用通过率为 级配范围的中值、中值3%附近3个档次， 设计三个级配,选择初始沥青用量，做马歇尔试验,分析VCA、VMA，确定设计级配,设计级配变化沥青用量试验,对确定级配按照期望的设计空隙率确定沥青含量， 进行目标配合比设计检验：谢伦堡沥青析漏试验、 肯塔堡飞散试验、车辙试验、冻融劈裂试验TSR,确定配

6、合比,集料、矿粉、纤维稳定剂 沥青胶结料,不 合 格,不 合 格,对设计级配变化沥青用量制作马歇尔试件,3.3 SMA配合比设计步骤 3.3.1 SMA配合比设计具体步骤分为五个阶段： SMA材料选择； 根据粗集料骨架间隙率确定具有良好嵌挤作用的矿料级配； 确定所选择级配的最小矿料间隙率VMA及最小沥青用量； 选择最佳沥青用量OAC，确定混合料空隙率； 对SMA混合料性能进行评价。,3.4 选择材料 3.4.1沥青结合料 SMA沥青用量比一般的沥青混合料要高1%以上,粘结性要求高，希望选用针入度小，软化点高，温度稳定性好的沥青。 (l)规范要求，除已有成功经验证明使用非改性的沥青能符合使用要求

7、者外，SMA宜采用改性石油沥青，且采用比当地常用沥青更硬标号的沥青。 (2)改性沥青应符合我国沥青路面施工技术规范的技术要求,(3)为确定沥青混合料室内拌和与压实温度,应试验确定沥青结合料的粘度-温度关系。 (4)取样对沥青结合料进行检验,检验沥青结合料全项指标是否符合设计要求。 3.4.2 粗集料 用于SMA的粗集料应选择抗磨耗、耐磨光的坚硬致密、断面粗糙的石料。火成岩中的暗色岩如玄武岩、辉绿岩、辉长岩品质最好,鞍山岩、硬质花岗岩、正长岩、闪长岩、硅质硬砂岩也可选择。这些石料的磨光值PSV一般都可满足0.42以上的要求。当SMA用作中、下面层时,则无需对磨光值进行规定,采用硬质石灰岩也是可以

8、的。在选择粗集料时,还应侧重于以下指标: 资源特性指标（压碎值、洛杉矶磨耗值、坚固性）和统一特性（集料的棱角性、针片状颗粒含量、粘土含量等）,粗集料技术性质,3.4.3、细集料宜选择专门制砂机生产的机制砂。在有条件时,SMA混合料尽量采用与沥青粘附性强的石灰岩细集料。 细集料技术性质,3.4.4、SMA填料必须采用石灰岩等碱性岩石磨细的矿粉。为改善沥青结合料与集料的粘附性,可在矿粉中掺入一定数量的消石灰或水泥,但消石灰粉或水泥的用量不得大于矿粉总量的2%。一般不采用回收粉。 a.采用回收粉时, 用量不得大于矿粉总量的25%。应对回收粉的粒径范围与塑性指数（不得大于4%）进行检验,以确定其可利用

9、性。 b.集料料源选择，第一要选稳定的大型石料加工厂，不可选用多家料场，第二应选择有适合的破碎加工方法(包括筛分)。这样才能获得规格稳定一致的各级集料。各级集料粒径规格、形状、尺寸才能稳定可控,沥青混合料组合级配才能稳定。,c.在进行SMA混合料设计前,对各级集料要进行多次取代表性试样进行试验,检测其各种指标是否符合规范要求，是否稳定可控。 d.沥青与集料的规格与特性必须保持稳定，其中任何一项材料规格发生变化,都会影响到混合料的体积特性,必须重新进行混合料设计,对此必须引起高度重视。,3.4.5纤维稳定剂 配制SMA必须采用纤维稳定剂 ，它有加筋、分散、吸附及吸收沥青、稳定和增粘等作用，可以使

10、用木质素纤维或矿物纤维。木质素纤维的用量为混合料的0.3%,矿物纤维为0.4%,纤维掺加量的允许误差应不超过5%。选用的纤维应满足规范要求。一般选用木质素纤维。,3.5选择设计集料级配 3.5.1确定集料初始级配 选择的初试级配以规范标准级配范围为基础,调整各种矿料级配设计3组不同粗细的组成级配，以通过关键性筛孔(SMAl6、SMA13混合料为4.75mm,SMAl0混合料为2.36mm)通过率为特征变化点,三个不同通过率处于级配范围的中值、中值3%附近，三个级配0.075mm通过率均为l0%左右,选择三个集料级配目的是选择不同的沥青混合料的矿料间隙率VMA,以便满足VMA大于17%的要求,这

11、对于充分发挥粗集料的嵌挤作用是至关重要的。,SMA混合料矿料级配范围,三种试验级配确定后,分别测定各种规格集料的毛体积相对密度i与按捣实法测定组合粗集料的自然堆积密度s。从而确定各种试验级配混合物中粗集料组分的捣实状态下骨架间隙率VCADRC。 SMA混合料中粗集料颗粒之间接触的条件定义为压实混合料粗集料间隙率(VCAmix)小于捣实状态下骨架间隙率(VCADRC)。 粗集料捣实状态下骨架间隙率(VCADRC),可用下式计算： VCADRC =(1-s/ca)l00 式中: VCADRC粗集料骨架的捣实状态下松装间隙率； s 捣实状态下粗集料骨架的松方毛体积相对密度； ca粗集料骨架的合成毛体

12、积相对密度。,3.5.2选择初试沥青用量 初试沥青用量的选择，一是根据合成集料毛体积相对密度，二是根据以往成功路段的实践经验，三是参考析漏试验的结果。对于粗集料毛体积相对密度等于或小于2.75的情况,建议初试沥青用量在6.0%-6.5%范围内选择,当毛体积密度大于2.75时可以选择稍低标准要求的初试沥青用量。,3.5.3确定室内拌和与压实温度 沥青结合料加热到形成0.l70.02Pa.S粘度的温度为最佳拌和温度。 沥青结合料加热到形成0.280.03Pa.S粘度的温度为最佳压实温度。 上述温度是针对纯沥青而言,改性沥青的拌和与压实温度比纯沥青有所提高,并不遵从以上粘度关系。故应征求改性沥青供应

13、商的意见。如果仍按照上述粘度来确定改性沥青的拌和与压实温度,则温度显然太高,将危及改性沥青的品质。施工现场的拌和与压实温度视现场条件可在此基础上提高l5。,3.5.4制件进行马歇尔试验 按照确定的初试级配和初试沥青用量,对每一试组成型的马歇尔试件不得少于4-6个,在确定的击实温度下进行击实,按每面夯击50次（根据需要也可是75次）制成马歇尔试件。击实温度要严格控制。试件高度控制在(63.51.3)mm。 不同沥青用量条件下SMA混合料的最大理论相对密度由计算法得出，公式如下： t=(100+Pa+Px)/(100/se+Pa/a+Px/x) se矿料的有效相对密度； Pa沥青混合料的油石比，%

14、； a沥青的相对密度（25/25）,无量纲； Px纤维用量，以矿料的百分数计，%； x纤维稳定剂的密度。,试件冷却后由表干法测定毛体积相对密度,并按以下公式计算试件的粗集料间隙率VCAmix、空隙率VV、矿料间隙率VMA及沥青饱和度VFA。 VCAmix = l00 -(fPca /ca) VV= l00 (1-f /t) VMA = l00 -fPs/sb VFA = (VMA- VV)l00 / VMA 式中: Ps 总混合料中集料百分率,%； f 试件毛体积相对密度； t 混合料理论最大相对密度； sb 矿料的合成毛体积相对密度； ca 矿料中所有粗集料的合成毛体积相对密度。 对压实试件

15、进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度与流值。,3.5.5 试验结果分析 对3种试验级配混合料的体积参数进行评价：其中必须符合VCAmixVCADRC 及VMA17%的要求；当有一组以上的级配符合设计要求时，以粗集料骨架分界集料通过率大且VMA较大的级配为设计级配。,3.6 选择设计沥青用量 在设计级配确定后,可以变化沥青用量进行马歇尔试验,根据空隙率确定最佳沥青用量。 1、根据所选择的设计级配和初始沥青用量试验的空隙率结果，以0.2%-0.4%为间隔，调整3个不同的沥青用量制作马歇尔试件，计算空隙率等各项指标，一组试件不宜少于4-6个。 2、 根据试验结果,得出每一种沥青含量时混合料的马歇尔的特性

16、,包括VCA、VV、VMA、VFA以及马歇尔稳定度与流值。 3、 分别作出这些指标与沥青含量的关系曲线。 4、 在空隙率与沥青含量的关系曲线上,找出对应于期望的设计空隙率的沥青含量即为最佳沥青含量。并在此沥青含量从其余指标与沥青含量的关系曲线上找出相应的VMA、VFA、VCA与马歇尔稳定度值。如果这些数值均符合规范或设计要求,则此沥青含量即为设计沥青用量。,SMA混合料马歇尔试验技术要求,3.7 SMA混合料性能评价 对设计的SMA混合料性能评价,要做的检测是高温稳定性检验、水稳定检验、低温抗裂性能检验、渗水系数检验、谢伦堡析漏检验及肯特堡飞散试验等几项。 高温稳定性检验就是用车辙试验的动稳定度检验SMA混合料的高温抗车辙特性。试验温度为60,非改性沥青SMA的动稳定度要求l500次/mm,改性沥青SMA的动稳定度要求3000次/mm，动稳定度检验是为了避免路面发生高温车辙；