基于SGC法的SMA-13体积设计方法研究

李 景 李 洋 袁盛杰

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

沥青玛蹄脂碎石混合料(简称SMA)最早于1960年左右在欧洲使用，与密级配沥青混合料相比，SMA中粗集料占比在70%以上，粗集料能形成嵌挤的骨架结构，因此SMA具有良好的抵抗永久变形性能[1-2]。

尽管SMA本身具有良好的性能，但相关病害与设计方法息息相关。张肖宁[3]在Superpave法前提出了体积设计方法(CAVF法)，采用马歇尔击实仪确定4.75 mm以上集料最优的骨架间隙率，再以细集料进行填充，具有较小的空隙率与良好的路用性能。虽然对SMA成型对应的马歇尔击实次数有相关研究，但以此设计的道路普遍存在压实度超百的现象[4]，根本原因在于马歇尔击实标准与实际不符。沥青混合料的设计方法要求与当下施工机械建成的道路有着较高的相关性，而旋转压实(superpave gyratory conpactor,SGC)成型方法具备上述特点，并在实践中得到了验证[5]。

根据现有的研究成果，本文拟在体积设计法(CAVF法)的基础上，采用SGC成型方法改进粗集料骨架间隙率的确定方法，在泰波法的基础上通过优化粉胶比与纤维掺量进一步提高沥青混合料高温性能，并与规范中值级配进行比较。

1 试验方法

1.1 原材料

采用双龙牌改性沥青SBS改性沥青，粗集料采用湖北某石材厂生产的玄武岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，矿粉采用当地石灰岩碎石自行加工生产的石灰岩矿粉。

1.2 SGC试验方法研究

1.2.1CAVF法

CAVF设计法中粗、细集料与矿粉、沥青的比例通过式(1)、式(2)计算确定。

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc、qf、qp、qa为粗、细集料、矿粉及沥青的质量分数，%；ρsc、ρtf、ρtp、ρa为粗集料击实后的密度、细集料与矿粉的表观密度、沥青密度，g·cm-3；VCADRC、Vv为粗集料击实后的空隙率与压实沥青混合料的空隙率，%。

1.2.2旋转压实次数

已有研究表明，采用125次旋转压实次数设计沥青混合料可以使得混合料的指标满足规范要求，并且可充分利用常规机械[6]。因此以旋转压实次数为125次、达到拟定的试件高度指标进行控制。

1.2.3旋转压实竖向压力

沥青混合料的设计不仅要求混合料的密度与通车多年后设计交通量下最终的密度相等，还要求成型过程中模拟振动压路机的压实效果，粗集料在竖向压力作用下会被震碎。鉴于此，本文采用抽提试验检验压实后沥青混合料级配的变化情况，根据已有研究可知分形维数与集料整体的破碎程度有很好的相关性，整体破碎程度随着分形维数的增大而增大[7]，分形维数计算方法参考文献[8]。

ATB-30在旋转压实法下的破碎度在竖向压力500 kPa时级配变异性小[9]，因此本试验中拟选取竖向压力450，500，550，600，650 kPa，其中竖向压力为0代表原级配。每个压力方案制作5个平行试件。成型后对试件进行抽提试验，以分形维数检验级配的变化，试验结果见表1。

表1 不同竖向压力下筛分结果与分形维数

由表1可知，分形维数随着竖向压力的增加而增加，在竖向压力超过550 kPa时增幅变大，这是因为在较大的压力下，粗集料的破碎加剧，而当主骨架破坏后不利于沥青混合料的高温性能，因此取竖向压力为500 kPa。

1.2.4旋转角与旋转速率

根据高性能沥青路面(superpave)基础参考手册与ASTM D3387-11，SGC压实机旋转角取1.25°，旋转速率取30 r/min。

2 基于SGC法的SMA-13级配设计

2.1 粗集料级配

通过前文确定的SGC法压实后的粗集料骨架间隙率见表2。

表2 基于SGC法的粗集料骨架间隙率

由表2可知，随着4.75～9.5 mm档集料的占比增加，装填密度呈先增大后减小的趋势，装填空隙率呈先减小后增大的趋势，并在55∶45时取得最小的装填密度与装填空隙率。这是因为随着相对粒径较小的4.75～9.5 mm档集料占比增加，在压力作用下9.5～13.2 mm骨架间隙逐渐被填充密实，而随着4.75～9.5 mm档集料继续增加，逐渐撑开主骨料的骨架，形成干涉现象，因此根据SGC法的装填结果，9.5～13.2 mm与4.75～9.5 mm 2档集料的比例宜在45∶55～55∶45之间。

2.2 细集料级配

体积设计法中，细集料的级配采用泰波公式进行设计，其计算方法见式(3)。

(3)

式中：pi为各种规格集料的通过率，%；di为各种规格集料的粒径，mm；dmax为集料公称最大粒径，mm；n为指数，泰波认为n=0.3～0.5时，对应级配的混合料性能最优。

然而泰波公式设计的级配易导致0.075 mm筛孔以下通过率过高而影响沥青混合料的高温性能，因此还需采用动态剪切流变试验根据沥青胶浆的高温性能优选细集料级配。

2.2.1胶浆粉胶比

采用动态剪切流变试验测试的指标包括沥青胶浆的抗车辙因子、储能剪切模量，以及损失剪切模量，试验结果见表3。

表3 各粉胶比下的沥青胶浆性能

采用归一化数值评价不同粉胶比下性能的变化趋势。由表3可知，随着粉胶比的增加，抗车辙因子、储能剪切模量和损失剪切模量均表现出增大的趋势，沥青胶浆的高温性能随之提升，因此以指标测试结果最大的，即以粉胶比为2.0时的试验结果作为分母计算，归一化趋势曲线见图1。

图1 各粉胶比下的沥青胶浆性能变化趋势

由图1可知，而当粉胶比大于1.6时，沥青胶浆的高温性能与疲劳性能的增长趋势开始变缓，矿粉与沥青相互吸附使得沥青胶浆逐渐成为稳定的结构，因此粉胶比取1.6。

2.2.2纤维掺量

与矿粉的影响类似，增加纤维掺量未必会带来相应的性能提升与经济性，因此有必要优选合理的纤维掺量。不同纤维掺量动态剪切流变试验结果见表4。

表4 不同纤维掺量下的沥青胶浆性能

为了直观地评价纤维掺量对沥青胶浆性能的影响，在同一图表中观察测试指标随粉胶比的变化趋势，采用归一化数值表征变化趋势。

由表4可知，随着粉胶比的增加，抗车辙因子、储能剪切模量和损失剪切模量均表现出增大的趋势，沥青胶浆的高温性能随之提升，因此以指标测试结果最大的、纤维掺量为3%时的试验结果作为分母计算，归一化趋势曲线见图2。

图2 1.6粉胶比下的沥青胶浆性能变化趋势

由图2可知，当纤维掺量大于2%后，沥青胶浆的高温性能与疲劳性能增长趋势开始变缓，纤维与沥青胶浆结合可对沥青起到加筋与稳定的作用，因此随着纤维掺量的增加性能也随着提升，而达到稳定后性能的增幅开始趋缓，因此推荐纤维掺量为2%。

2.2.3细集料级配确定

另有研究指出，应用于沥青混合料时，当n取0.45时密度最大。根据干涉理论，细集料间隙应由沥青胶浆密实填充，沥青胶浆理论最大用量计算见式(4)～(5)。

(4)

(5)

式中：M为沥青胶浆理论最佳用量，%；VSGC为旋转压实后的细集料矿料间隙率，%；ρM为沥青胶浆理论最大密度，g/cm3；Vf为干捣法细集料矿料间隙率，%；ρFA为旋转压实后的细集料骨架密度，g/cm3；ρCAD为细集料合成表观密度，g/cm3。

对n值以0.05为步长研究0.35～0.55时不同级配对应的矿料间隙率与胶浆用量，试验结果见表5。

表5 不同细集料级配对应的间隙率与胶浆用量

2.3 SMA-13级配

综上所述，粗集料9.5～13.2 mm与4.75～9.5 mm 2档集料的级配为50∶50；n取0.45确定细集料级配，当细集料与沥青胶浆比取75∶25、粉胶比选1.6、纤维掺量取2%，目标空隙率取4%，SMA-13体积设计法级配见表6。

表6 SMA-13混合料矿料最优级配组成

3 性能验证与级配范围

将本文确定的级配与规范中值级配进行路用性能验证对比，试验包括马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲试验，试验结果见表7。

表7 2种级配沥青混合料的性能验证

由表7可知，本文确定的级配沥青用量更少，马歇尔稳定度、动稳定度与弯拉强度提升了13%，15%，5%。其中高温性能提升明显，而嵌挤的骨架对低温抗开裂性能的贡献较少，因此低温性能只略高于规范中值。

4 结论

1)本试验确定了SGC法确定集料间隙率的压力参数，提出旋转压实次数为125次，竖向压力取500 kPa，旋转角为1.25°，旋转速率为30 r/min。

2)基于SGC法提出了SMA-13的体积设计方法。通过旋转压实确定了9.5～13.2 mm与4.75～9.5 mm 2档集料的比例宜为45∶55～55∶45。

3)为提高沥青胶浆的高温性能采用动态剪切流变试验优选纤维掺量，粉胶比宜取1.6，纤维掺量宜取2%。

4)根据泰波公式与旋转压实后的细集料间隙率与理论砂浆用量确定了n为0.45对应的细集料级配。SMA-13体积设计法的级配相比于规范中值级配沥青用量更少，马歇尔稳定度、动稳定度与弯拉强度提升了13%，15%，5%。

5)采用SGC方法设计SMA与实际施工的拟合度更高，因此本文的SMA-13体积设计方法可供实际参考使用。