浅谈SMA沥青混合料目标配合比设计方法

摘 要：本文针对SMA沥青混合料目标配合比设计这一试验检测技术，从SMA沥青混合料定义、组成原理及特点；沥青路面的使用性能；SMA沥青混合料目标配合比设计要点；SMA沥青混合料目标配合比设计步骤；共四个方面对其进行阐述。

关键词：SMA；目标配合比；设计方法

1 概 述

路面结构是高速公路的重要主成部分，其工程造价也占据公路工程总造价的大部分。一般高速公路路面结构层占公路工程总造价的37%左右，其中沥青路面结构层又占据路面结构层总造价的86%左右，而沥青路面上面层又占沥青路面结构总造价的20%左右。由此可见，铺筑一条既能满足交通量日益增长、车辆不断大型化、重载超载车不断的性能优良的沥青路面，是极其重要的。这就给路面沥青混合料目标配合比设计及施工工艺提出了更高的要求，突出了解决此类问题的重要性。

2 SMA沥青混合料定义、组成原理及特点

2.1 SMA定义

沥青玛蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt，简称SMA）是由高含量粗集料、高含量矿粉、纤维稳定剂、较大沥青用量，低含量中间粒径颗粒组成的骨架密实结构型沥青混合料。高含量的粗骨料在混合料中颗粒面与面直接接触、相互嵌锁构成的骨架直接承受了荷载作用，这种骨架对温度敏感性小。含量较高的矿粉与沥青形成粘聚力很高的胶凝状物――玛蹄脂，使得混合料的整体力学性质提高。这两方面的作用使混合料具有足够的竖向与侧向约束，在车辆荷载的作用下，不产生或只产生微小的永久性变形。

2.2 SMA组成原理

沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是一种以沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂结合料，填充于间断级配的矿料骨架中，所形成的混合料。其组成特征主要包括两个方面：①含量较多的粗集料互相嵌锁组成高稳定性（抗变形能力强）的结构骨架；②细集料矿粉、沥青和纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂将骨架胶结一起，并填充骨架空隙，使混合料有较好的柔性及耐久性。SMA的结构组成可概括为“三多一少，即：粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少”。具体讲：①SMA是一种间断级配的沥青混合料，5mm以上的粗集料比例高达70～80%，矿粉的用量达7～13%，（“粉胶比”超出通常值1.2的限制）。由此形成的间断级配，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沥青用量较多，高达6.5～7%，粘结性要求高，并希望选用针入度小、软化点高、温度稳定性好的沥青（最好采用改性沥青）。

2.3 SMA特点

沥青玛蹄脂碎石混合料是当前国际上公认（使用较多）的一种抗变形能力强，耐久性较好的沥青面层混合料。由于粗集料的良好嵌挤，混合料有非常好的高温抗车轍能力，同时由于沥青玛蹄脂的粘结作用，低温变形性能和水稳定性也有较多的改善。添加纤维稳定剂，使沥青结合料保持高粘度，其摊铺和压实效果较好。间断级配在表面形成大孔隙，构造深度大，抗滑性能好。同时混合料的空隙又很小，耐老化性能及耐久性都很好，从而全面提高了沥青混合料的路面性能。

3 沥青路面的使用性能

沥青路面的使用性能主要是指：①高温抗车辙性能；②低温抗裂性能；③水稳定性；④耐疲劳性能；⑤抗老化性能；⑥表面服务功能；⑦行车舒适性能。

在以上沥青路面的七种基本性能中，往往是互相矛盾或相互制约的，满足了某一种性能要求，则就会降低另一种性能的要求，表现最为突出是以下两对矛盾：

（1）高温稳定性和耐疲劳性、低温抗裂性能的矛盾；

（2）路面表面特性与耐久性的矛盾。

为了解决这两对矛盾，公路工作者进行了许多努力和大量的研究工作，目前得到大家公认的，能比较好的解决这些矛盾的路面结构是SMA沥青混合料路面、改性沥青混合料路面、改性SMA沥青混合料路面、长寿命沥青路面。

4 SMA沥青混合料目标配合比设计要点

SMA沥青混合料的配合比设计，国际国内尚无公认的设计方法。但国内经过多年的使用，实践资料已十分丰富，各地都有了较为成功的配合比设计方法。SMA沥青混合料配合比设计就是要确定矿料骨架与沥青马蹄脂两大部分各种材料的规格比例。

4.1 粗集料骨架

SMA沥青混合料中粗集料形成充分嵌挤的骨架结构非常重要，是评定该沥青混合料是否为SMA沥青混合料的重要标志，是SMA沥青混合料高温稳定性的重要保证。如果粗集料没有形成骨架结构，在沥青用量大，矿粉含量高的情况下，势必造成沥青混合料的高温稳定性差。

4.2 沥青马蹄脂

沥青马蹄脂自身的性能对SMA沥青混合料的性能影响非常大，如果说粗集料形成嵌挤的骨架结构是SMA沥青混合料高温稳定性的重要保证，那么高质量的沥青马蹄脂就是SMA沥青混合料耐久性、水温性和低温性能的保证。

4.3 粗集料与沥青马蹄脂的比例

粗集料与沥青马蹄脂之间的比例是设计SMA沥青混合料的关键，首先在SMA沥青混合料中要有足够的粗集料来形成骨架结构，同时还要有充足的沥青马蹄脂来充分填充骨架结构结构内的空隙。如何解决二者之间的矛盾，也就是如何比较恰当的保证二者之间的比例，是SMA沥青混合料配合比设计成功与否的标志。既要保证骨架结构，又要有足够的沥青马蹄脂来填充，而不能因为过多的填充导致骨架结构的丧失，也不能因为填充的不充分而影响SMA沥青混合料的耐久性、水温性和低温性能。

5 SMA沥青混合料目标配合比设计步骤

（1）确定设计空隙率，一般为3～5%范围内；

（2）根据SMA结构特点，根据控制筛孔的通过率来初步确定矿料比例；

（3）根据经验或泰波公式分别确定粗、细集料的级配组成。一般粗集料用粒径为13.2mm和9.5mm的粒径形成骨架，用4.75mm的粒料填充，因此粗集料的空隙应大于或等于下一级料的粒径，否则会影响主骨料的嵌挤。细集料一般根据泰波公式设计，其最大粒径根据主骨料的空隙来确定；

（4）测定石料的表观密度。包括粗集料的表观密度、细集料的表观密度和矿粉的表观密度；

（5）测定主骨料的物理参数，主要是测定主骨料紧装密度；

（6）计算主骨料的空隙率VCA。VCA=（1-主骨料紧装密度/主骨料表观密度）×100；

（7）根据步骤（2）的假定粗骨料通过百分率及粗、细集料组成分别计算SMA的级配；

（8）假定某一沥青用量，采用设计出的三种级配制作马歇尔试件，测定试件的物理参数；

（9）为确保粗集料骨架的存在，必须有沥青混合料VCA≤粗集料VCA；

（10）因细集料用量大，需考察马蹄脂是否对粗集料的骨架结构产生干涉，一般要求集料间隙率≥17%；

（11）分析混合料配合比结果，选定出最佳级配进行马歇尔试验，以确定最佳沥青用量；

（12）由于沥青用量较大，需考察沥青的稳定性，采用最佳级配结合最佳沥青用量，采用谢伦堡析漏测定渗漏度。

综合以上各项指标，筛选出最佳级配和最佳沥青用量。

6 结 语

SMA沥青混合料的目标配合比设计及施工工艺控制是一项复杂的工作，需要我们在现场施工实践中不断总结经验，优化配合比设计、改进工艺，提高施工水平，从而降低施工成本。只要我们认真学习，善于总结，勤于实践，就一定能够将SMA沥青混合料的目标配合比设计及施工工艺控制推进到一个新的高度。

作者简介：谭少华（1974-），男，工程师，大学本科，现主要从事工程试验检测工作，交通部注册公路工程试验检测工程师，交通部注册公路工程监理工程师。