集料特性對SMA瀝青混合料中VMA指標(biāo)的影響研究

馬慶偉+郭平+向萌萌+張娟

關(guān)鍵詞：SMA瀝青混合料；VMA指標(biāo)；相對密度；吸水率

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

SMA中粗集料的含量較多，粗集料之間的嵌擠作用使SMA有較好的高溫穩(wěn)定性。而嵌擠作用的好壞主要取決于集料的顆粒形狀、棱角性和集料的堅韌性。這些特性是形成SMA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。本文從理論上分析了集料特性對瀝青混合料中VMA值的影響規(guī)律，并根據(jù)室內(nèi)試驗，進(jìn)一步研究了VMA隨集料特性變化時的增減規(guī)律[12]。

1 集料對VMA值影響的理論分析研究

1.1 表面紋理粗糙度

集料的表面紋理會影響到SMA混合料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。表面紋理越粗糙，其比表面積越大，在一定程度上增加了瀝青與集料之間的接觸面積，使集料和瀝青之間的粘附力增強(qiáng)，瀝青膜不易從集料的表面脫落；

表面紋理越粗糙，其內(nèi)摩擦力也越大，瀝青混合料的VMA隨之增加。反之，集料表面越光滑，內(nèi)摩擦力越小，容易壓實，瀝青混合料的VMA隨之減小。但是當(dāng)集料表面過分粗糙時，會表現(xiàn)出表面孔隙率過大，使瀝青用量增加，導(dǎo)致混合料的成本增加。測量集料表面紋理的粗糙度很困難，中國規(guī)范中沒有粗糙度的定量指標(biāo)，目前主要是通過對瀝青混合料的性能試驗如馬歇爾試驗和車轍試驗來間接進(jìn)行評價的。

1.2 棱角性

對于粗集料來說，其棱角性越大，碎石表面的破碎面越大，混合料的VMA也隨之增大[3]。細(xì)集料的棱角性對混合料的VMA影響也較大，破碎度較大的細(xì)集料一般會增大混合料的VMA值。

1.3 針片狀含量

針片狀含量是粗集料的一個非常重要的指標(biāo)，它與粗集料的破損狀況關(guān)系密切。針片狀含量高的粗集料在室內(nèi)試驗和施工過程中，其級配和各項指標(biāo)表現(xiàn)差異較大。在混合料室內(nèi)試驗的壓實過程中，針片狀顆粒會橫臥在相鄰的粗集料之上，導(dǎo)致混合料不能充分壓實，使得混合料的空隙率偏大，進(jìn)而導(dǎo)致VMA值增大。

1.4 磨耗值

洛杉磯磨耗值（LA）是粗集料堅韌性的重要指標(biāo)，中國規(guī)范中規(guī)定，高速公路和一級公路的粗集料LA的技術(shù)要求不大于28%。盡管規(guī)范規(guī)定了LA不大于28%，但是不等于說只要LA小于28%就可以用于SMA路面，因為集料在試件擊實過程中有被壓碎的可能，而且LA和SMA混合料的其他指標(biāo)要求也有關(guān)系。沈金安在《SMA路面設(shè)計與鋪筑》一書中指出，如果LA小于20%，滿足SMA混合料中最小VMA的要求就不困難，如果LA大于40%，肯定無法達(dá)到SMA混合料中最小VMA的要求[4]。

1.5 集料密度和吸水率

一般來講，粗集料密度越大，VMA指標(biāo)要求越好滿足。但是密度過大就意味集料過于致密，以致集料內(nèi)部空隙過小，無法吸收瀝青，導(dǎo)致混合料瀝青膜過薄，對混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性有不利影響。由于細(xì)集料毛體積密度測試比較復(fù)雜，人為因素干擾較大，因此《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)定細(xì)集料毛體積密度可以不測，可采用細(xì)集料表觀密度來代替[5]。

吸水率是反映集料內(nèi)部孔隙率和質(zhì)量的重要指標(biāo)。集料的吸水率越高，其內(nèi)部孔隙率越大，在混合料拌和及使用過程中，集料會吸收一部分瀝青，導(dǎo)致瀝青有效含量降低，混合料VMA值減小。此外，集料吸水率高可能導(dǎo)致瀝青混合料變干以及粘聚力減小，降低混合料的性能，使被吸收的瀝青僅起到填充集料內(nèi)部孔隙的作用，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費。

2 集料對VMA值影響的室內(nèi)試驗研究

2.1 原材料及混合料級配選擇

瀝青采用SBS（IC）改性瀝青；粗集料（>4.75 mm）采用輝綠巖質(zhì)碎石；細(xì)集料（<4.75 mm）采用石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂；礦粉采用石灰?guī)r質(zhì)礦粉。各項原材料滿足《公路瀝青路面施工規(guī)范》（JTG F40—2004）要求[6]。混合料采用SMA-13級配，9.5～16 mm∶4.75～9.5 mm∶0～2.36 mm∶礦粉=44%∶33%∶13%∶10%。油石比為5.9%，加入木質(zhì)素纖維，摻量為混合料總質(zhì)量的0.3%。

2.2 集料針片狀含量對VMA值的影響

本節(jié)選用針片狀含量為12%、15%和20%的三種粗集料，混合料其他條件同2.1節(jié)，分別采用雙面擊實50次和75次成型馬歇爾試件。

（1） 當(dāng)擊實50次時，隨粗集料針片狀含量的增大，VMA不斷增加，如圖1所示。究其原因，針片狀含量高會使骨架結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)[5]，在馬歇爾儀擊實成型時，扁平、細(xì)長顆粒橫臥，阻礙壓實而造成混合料VMA增大。當(dāng)擊實75次時，VMA隨粗集料針片狀含量的增大而減小，扁平、細(xì)長顆粒被擊碎，如圖2所示。在實際施工中，扁平顆粒會被壓斷、壓碎，使混合料的VMA值降低。說明擊實75次的試驗結(jié)果與實際工程更接近。因此，本研究采用雙面擊實75次。

（2） 規(guī)范中要求粗集料的針片狀含量不大于15%。本試驗中，當(dāng)針片狀含量為15%時，混合料VMA值僅為15.8%。即使在針片狀含量為12%時，VMA值也僅達(dá)到16.2%，不滿足規(guī)范最小值16.5%的要求。

2.3 集料磨耗值對VMA值的影響

（1） 雖然兩種石料的強(qiáng)度、壓碎值等指標(biāo)相近，但實際堅硬程度差別很大。從表3中的洛杉磯磨耗值可以看出，輝綠巖比石灰?guī)r堅硬。在進(jìn)行馬歇爾試驗時，使用輝綠巖的SMA混合料的VMA值更高。

（2） 施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定洛杉磯磨耗值應(yīng)不大于28%，兩種集料均滿足要求。但磨耗值為15.3的石灰?guī)r，其混合料VMA值僅為16.3%，不滿足規(guī)范要求。當(dāng)采用磨耗值為10.2%的輝綠巖時，VMA值才滿足規(guī)范要求。

2.4 集料密度和吸水率對VMA值的影響研究

本節(jié)選取不同吸水率的集料：片麻巖、輝綠巖、結(jié)晶灰?guī)r、閃長巖、蛇紋巖、綠片巖、輝長巖等7種集料，通過馬歇爾擊實試驗研究集料吸水率對SMA瀝青混合料VMA值的影響。7種集料的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。endprint

（1） VMA值隨著石料吸水率的增大而減小，如圖3所示。當(dāng)石料吸水率從0.5%增大到1.5%時，VMA值降低了10.59%，可見吸水率對VMA值影響明顯。當(dāng)吸水率小于1%時，隨著吸水率的減小，VMA值逐漸提高，但增長幅度緩慢，直到吸水率為0.4%時，才達(dá)到17%。說明現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在實際工程中較難達(dá)到。吸水率大于1%時，VMA值下降明顯，說明石料吸水率一旦大于1%時，VMA值衰減速度會加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。

升速度緩慢，當(dāng)石料密度達(dá)到3時，VMA值才達(dá)到17%，也進(jìn)一步說明現(xiàn)行規(guī)范中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在此建議對于VMA值的要求應(yīng)根據(jù)所處地的氣候條件、交通量大小及路用性能的不同區(qū)別對待。

當(dāng)石料密度小于2.75時，混合料間隙率下降速度明顯加快，說明石料密度過小時，石料吸水率增大，相應(yīng)的混合料間隙率較難滿足性能的要求。建議用于SMA路面的粗集料表觀相對密度不應(yīng)小于2.7，同時也應(yīng)注意石料密度不宜過高。當(dāng)石料密度大于3時，石料內(nèi)部過于致密，石料表面粗糙度不好，路面易產(chǎn)生高溫車轍；石料無法粘附更多瀝青，導(dǎo)致混合料瀝青膜過薄，抗疲勞性能較差。

3 結(jié) 語

（1） 粗集料的表面紋理越粗糙，其內(nèi)摩擦力也越大，瀝青混合料的VMA值隨之增加；其棱角性越大，碎石表面的破碎面越大，混合料的VMA值也越大。

（2） 當(dāng)用于SMA路面的粗集料表觀相對密度小于2.7時，對混合料的間隙率尤為不利，同時也應(yīng)注意石料密度不應(yīng)大于3，在分析石料密度對VMA值的影響時一定要考慮石料吸水率的作用，只有兩者綜合考慮才能初步判斷混合料間隙率的合格與否。

（3） 石料吸水率大于1%時VMA值衰減速度加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。綜合考慮建議用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保證路面質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宜咯，袁中山.SMA混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，32（1）：711.

[2] 裴建中，徐 麗，張久鵬，等.溫拌瀝青混合料馬歇爾變溫?fù)魧嵐υO(shè)計方法[J].交通運輸工程學(xué)報，2011，11（4）：19，16.

[3] 林繡賢.HMA和SMA的集料組成和VMA的關(guān)系[J].上海公路，2003，1：68.

[4] 沈金安. 改性瀝青與SMA路面[M]. 北京：人民交通出版社， 1999.

[5] JTG E20—2011，公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[6] JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術(shù)[S].

[7] 林繡賢.再論HMA的礦料間隙率SMA[J].上海公路， 2005（4）：49.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint

（1） VMA值隨著石料吸水率的增大而減小，如圖3所示。當(dāng)石料吸水率從0.5%增大到1.5%時，VMA值降低了10.59%，可見吸水率對VMA值影響明顯。當(dāng)吸水率小于1%時，隨著吸水率的減小，VMA值逐漸提高，但增長幅度緩慢，直到吸水率為0.4%時，才達(dá)到17%。說明現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在實際工程中較難達(dá)到。吸水率大于1%時，VMA值下降明顯，說明石料吸水率一旦大于1%時，VMA值衰減速度會加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。

升速度緩慢，當(dāng)石料密度達(dá)到3時，VMA值才達(dá)到17%，也進(jìn)一步說明現(xiàn)行規(guī)范中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在此建議對于VMA值的要求應(yīng)根據(jù)所處地的氣候條件、交通量大小及路用性能的不同區(qū)別對待。

當(dāng)石料密度小于2.75時，混合料間隙率下降速度明顯加快，說明石料密度過小時，石料吸水率增大，相應(yīng)的混合料間隙率較難滿足性能的要求。建議用于SMA路面的粗集料表觀相對密度不應(yīng)小于2.7，同時也應(yīng)注意石料密度不宜過高。當(dāng)石料密度大于3時，石料內(nèi)部過于致密，石料表面粗糙度不好，路面易產(chǎn)生高溫車轍；石料無法粘附更多瀝青，導(dǎo)致混合料瀝青膜過薄，抗疲勞性能較差。

3 結(jié) 語

（1） 粗集料的表面紋理越粗糙，其內(nèi)摩擦力也越大，瀝青混合料的VMA值隨之增加；其棱角性越大，碎石表面的破碎面越大，混合料的VMA值也越大。

（2） 當(dāng)用于SMA路面的粗集料表觀相對密度小于2.7時，對混合料的間隙率尤為不利，同時也應(yīng)注意石料密度不應(yīng)大于3，在分析石料密度對VMA值的影響時一定要考慮石料吸水率的作用，只有兩者綜合考慮才能初步判斷混合料間隙率的合格與否。

（3） 石料吸水率大于1%時VMA值衰減速度加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。綜合考慮建議用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保證路面質(zhì)量。

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[7] 林繡賢.再論HMA的礦料間隙率SMA[J].上海公路， 2005（4）：49.

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（1） VMA值隨著石料吸水率的增大而減小，如圖3所示。當(dāng)石料吸水率從0.5%增大到1.5%時，VMA值降低了10.59%，可見吸水率對VMA值影響明顯。當(dāng)吸水率小于1%時，隨著吸水率的減小，VMA值逐漸提高，但增長幅度緩慢，直到吸水率為0.4%時，才達(dá)到17%。說明現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在實際工程中較難達(dá)到。吸水率大于1%時，VMA值下降明顯，說明石料吸水率一旦大于1%時，VMA值衰減速度會加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。

升速度緩慢，當(dāng)石料密度達(dá)到3時，VMA值才達(dá)到17%，也進(jìn)一步說明現(xiàn)行規(guī)范中對VMA值不小于17%的要求過嚴(yán)，在此建議對于VMA值的要求應(yīng)根據(jù)所處地的氣候條件、交通量大小及路用性能的不同區(qū)別對待。

當(dāng)石料密度小于2.75時，混合料間隙率下降速度明顯加快，說明石料密度過小時，石料吸水率增大，相應(yīng)的混合料間隙率較難滿足性能的要求。建議用于SMA路面的粗集料表觀相對密度不應(yīng)小于2.7，同時也應(yīng)注意石料密度不宜過高。當(dāng)石料密度大于3時，石料內(nèi)部過于致密，石料表面粗糙度不好，路面易產(chǎn)生高溫車轍；石料無法粘附更多瀝青，導(dǎo)致混合料瀝青膜過薄，抗疲勞性能較差。

3 結(jié) 語

（1） 粗集料的表面紋理越粗糙，其內(nèi)摩擦力也越大，瀝青混合料的VMA值隨之增加；其棱角性越大，碎石表面的破碎面越大，混合料的VMA值也越大。

（2） 當(dāng)用于SMA路面的粗集料表觀相對密度小于2.7時，對混合料的間隙率尤為不利，同時也應(yīng)注意石料密度不應(yīng)大于3，在分析石料密度對VMA值的影響時一定要考慮石料吸水率的作用，只有兩者綜合考慮才能初步判斷混合料間隙率的合格與否。

（3） 石料吸水率大于1%時VMA值衰減速度加快，對路面水穩(wěn)定性和抗車轍性均有不利影響。綜合考慮建議用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保證路面質(zhì)量。

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