SMA混合料配合比设计总结讲解.pdf

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1、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

2、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

3、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

4、矿粉多 (812) ，沥青多 ( 油石比 55 65，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

5、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

6、 范围内。 32 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

7、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

8、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 5SBS ，95加德 士基质沥青改性的沥青，试验结果见表4

9、。 表 4 加德士 5SBS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135Pa.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

10、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510mm 、1016mm 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

11、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

12、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

13、 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 03，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% 185 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。 图 1 SMA目标配合比设计流程图 5 2 按现行

14、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 475 通过率分别为中值，中值3，其矿粉数量大致相同，使 0075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 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

15、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 材料选择 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

16、.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.

17、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 图表 9 工程级配设计范围 最大密度线 级配 级配 级配 0.075 0.

18、15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16 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475mm 的 集料筛除，分别测定475 以上粗集料的松方毛体积相对密度s，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

19、.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2725，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60，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VCA DRC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sb 2725 2725 2725 集料的合成表观相对密度sa 2814 2814 2814 集料的有效相对密度

20、 se 2782 2782 2782 粗集料的间隙率VCADRC 4713 4692 4656 粗集料骨架混合料的平均毛体积相对密度CA 2729 2730 2730 475mm 以上粗集料的松方毛体积相对密度s 1443 1449 1459 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 f 2368 2407 2423 最大理论相对密度 t 2520 2520 2520 空隙率 VV （% ）60 45 38 矿料间隙率 VMA （% ）183 170 164 VCAmix 3327 3476 3698 由表 11 可见， 3 种级配中

21、 VCAmix均能满足小于 VCA DRC的要 求，级配 3VMA17 ，故选择 475 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 60，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 (%) f t 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

22、.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 5.7SMA 配合比设计检验： 采用级配 2，沥青含量 62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 T0

23、730-2000 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 62沥青含量， 纤维 用量 03， SBS改性沥青，进行生产配合比设

24、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16 132 95 475 236 118 06 03 015 0075 孔 级 配 1 100 956 691 291 244 203 157 132 109 82 级 配 2 100 928 635 252 219 19 152 13 11 85 级 配 3 100 924 626 25 206 181 151 132 114 88 表 16 生产配合比抽提试验结果 筛孔16 132 95 475 236 118 06 03 015 0075 通过 率 （% ） 100 946 622 276 228 190 1

25、55 132 110 92 表 17 生产配合比马歇尔试验结果 沥青含量 (%)ftVV(%)VMA(%) VCAmix 62 2412 2519 42 175 368 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

26、.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

27、 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 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 T0719-1

28、993 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 工程级配设计范围 最大密度线 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1016：碎石 510： 碎石 03：矿粉 33：42：15：10，沥青含量 62，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

29、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 (%)ftVV(%)VMA(%) VCAmix 62 2412 2519 42 175 368 表 20 SMA-13 抽提试验结果 筛孔16 132 95 475 236 118 06 03 015 0075 通过 率 （% ） 100 946 622 276 228 190 155 132 110 92 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 T0

30、732-2000 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 009，路面构造深度达114，路面基本不 渗水，各项指标均满足设计指标技术要求。

31、 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60，其铺筑情况与62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 F402004 ) 公路沥青路面 施工技术规范中华人民共和国交通部发布