机场SMA-16混合料优化设计研究

崔文博 郝培文

（天津市市政工程设计研究院1） 天津 300051）（长安大学公路学院2） 西安 710064）

机场道面与公路路面相比，需要承载更大荷载及飞机频繁起降的反复作用，因此对道路铺筑混合料有更为严苛的要求.间断级配沥青混合料比密级配沥青混合料具有更好的高温抗车辙能力，但低温性能有所降低，从发展趋势来看，兼具高低温性能的骨架密实型沥青混合料是今后的发展方向.SMA 是一种骨架密实型沥青混合料，其骨架结构具有优异的抵抗永久变形能力［1］，沥青玛蹄脂使混合料具有很好的耐久性和低温抗拉能力［2］，粗糙的表面构造使路面具有优良的抗滑性和较低的交通噪声，更好满足机场道面使用性能要求.目前机场SMA 混合料设计主要参照《民用机场沥青混凝土道面技术规范》（H-5010-1999）及文献［3］的要求，试验过程中试验工作量盲目性大［4］.本文通过贝雷法和SMA 体积参数优化研究机场SMA 混合料的设计方法，以确保其使用性能，提高施工性能及设计效率.

1 级配分析优化

1.1 体积参数

SMA 混合料设计过程中，为确保粗集料骨架结构形成，混合料VCAmix≤VCADRC，粗集料骨架间隙由沥青玛蹄脂剩余空隙率组成.由沥青混合料的体积参数可知：

式中：VMA为矿料间隙率；Pk为关键筛孔通过率；Vf＝V1＋V2，V1为细集料体积；V2为填料体积.

国内大量研究表明，SMA10，SMA13 的VCADRC一般为40.0%～40.5%之间［5］，文献［6］中对5种SMA-16级配进行干捣试验，得到相近结论，并得到级配变化对VCADRC值的变化并无显著影响的结论，因此，可认为SMA-16 的VCADRC范围为40.0%～40.5%.《民用机场沥青混凝土道面技术规范》（H-5010-1999）及文献［3］中 要 求VMA不小于17%，VCAmix≤VCADRC，取VMA下限值17%，VCAmix＝VCADRC＝40.5%代入式（2）中，得到Pk＝28.3%，并结合工程经验，确定4.75筛孔通过量为20%～29%，缩小规范关键筛孔通过率范围，避免级配在较大的范围内波动.

1.2 贝雷法参数

贝雷法是美国伊利诺伊州的Robert D.Bai-ley于20世纪80年代初发明的一套设计确定沥青混合料级配的设计方法，并提出CA，FAc，FAf3个参数来评价集料级配，这些参数的变化，将引起沥青混合料的体积特性、施工特性以及使用性能变化［7］，其计算公式为

式中：PNMPS／2为最大公称尺寸的1／2所对应的筛孔通过率；PPCS为第一控制筛孔（PCS＝0.22NMPS）的通过率；PSCS为第二控制筛孔（SCS＝0.22PCS）的通过率；PTCS为第三控制筛孔（TCS＝0.22SCS）的通过率.

《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F4-2004）及《民用机场沥青混凝土道面技术规范》（MH-5010-1999）推荐级配见表1，用CA，FAc及FAf3个参数对其进行分析，3个参数计算结果见表2.

表1 SMA-16型沥青混合料级配范围

表2 3种SMA-16型沥青混合料级配贝雷参数结果

由表2可见，公路级配与机场级配FAc，FAf值范围几乎相同，而CA值差异较大.CA比的变化在很大程度上决定了粗集料的嵌挤程度和混合料的施工特性［8-10］，它反映了粗集料中大粒径颗粒与NMPS／2～PCS粒径颗粒间的均衡关系.随着CA比增加，粗集料中NMPS／2～PCS粒径颗粒含量增加干涉级配，混合料中的粗细级骨架从强骨架向弱骨架发展；当CA比接近1.0时，混合料粗集料颗粒之间容易产生移动而不易嵌挤成型，施工中难以压实；当CA比大于1.0时，NMPS／2～PCS粒径颗粒占据主要地位，控制骨架结构形成，粗颗粒少，处于悬浮状态.当CA值过小时，由于粗、细集料比例失调，粗料成分往往不均匀，混合料易发生离析.SMA混合料CA值建议取值范围为0.35～0.5.

FAc建议范围0.60～0.85，反映了细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤情况，FAc增大，表明细集料中起填充作用的细料部分比例增大，从而使细集料形成更为紧密的结构，FAc值对混合料的VMA有很大影响，随其值减小VMA将不断增大.

优化的级配范围按照贝雷设计方法的要求，限制13.2m 和9.5mm 筛孔通 过率，选取CA值的范围为0.38～0.48，FAc值选取0.70～0.72，有利于混合料形成骨架密实结构，防止离析，便于施工压实，提高混合料使用性能.

2 配合比设计

2.1 材料

试验沥青为SBS 改性沥青，其中SBS 为1301-1型，基质沥青为110 号沥青，SBS 掺量为基质沥青质量的5%，试验沥青技术指标见表3.

表3 沥青技术指标

试验粗料采用内蒙古通辽地区玻璃山玄武岩碎石厂生产的玄武岩，矿粉为通辽蒙东水泥厂生产的石灰石矿粉，集料及矿粉试验结果见表4.

表4 集料及矿粉试验结果

纤维选用聚丙烯晴纤维，其密度为1.18 g／cm3，掺量为集料质量的0.4%.

2.2 级配

试验级配采用优化级配范围，4.75mm 筛孔通过率分别取27.5%，24.5%，21.5%3组级配，集料筛分结果和级配见表5.优化级配CA 比范围为0.38～0.48之间，见表5，而公路级配和机场级配CA 比范围大，优化级配混合料更易形成骨架结构，并避免离析.

表5 集料筛分结果及3组比选级配

2.3 最佳油石比预估

SMA 混合料配合比设计中，初试油石比很重要，如果初试油石比为所选级配最佳油石比，有利于级配的筛选并可减少马歇尔试验工作量，SMA混合料中的沥青可以分为集料吸收的沥青（P1）和有效沥青（P2）2部分，本文中采用文献［5］中方法预估SMA-16混合料最佳油石比.从下式可以看出，当确定材料、级配及目标VMA和VV后，预估最佳油石比只受Px影响，而Px又通过油石比计算得到.表6为不同纤维掺量、不同试算油石比条件下级配2最佳油石比预估结果，试算油石比对预估结果影响非常小，而直将Px1代入式（4）的得到预估结果与代入Px结果仅相差0.03，因此，可忽略试算油石比影响，通过纤维掺量预估SMA 最佳油石比，3 种级配的预估最佳油量5.62%，5.64%，5.65%.

式中：Pa为油石比；dsb和dse分别为矿料混合料的合成毛体积相对密度和有效密度；db为沥青相对密度；VMA为矿料间隙率；VV为空隙率；Px和Px1分别为纤维占矿料的质量分数和纤维掺量；dx为纤维相对密度.

表6 级配2最佳油石比预估结果（VMA＝17.5%，VV＝4%） %

2.4 马歇尔试验结果

在预估最佳油量下，分别对3种级配进行马歇尔试验，试验结果见表7.3种级配VMA均大于17%，VCAmix均小于VCADRC＝40.8%，表明优化后级配更易形成骨架结构，使SMA 体积指标满足要求，避免反复调整级配；预估最佳油石比，减少确定混合料最佳油量试验量.以4%士0.1%为目标孔隙率范围进行级配筛，确定级配2 为SMA-16 混合料的最佳级配，最佳油石比为5.65%.此次试验仅通过3 组共12 个马歇尔试件，2d时间完成配合比设计，而常规设计至少需要28个马歇尔试件和1周试验时间，同时避免反复调整级配和油石比，提高设计效率.

表7 3种级配马歇尔试验结果

3 沥青混合料路用性能检验

沥青混合料路用性能检验结果见表8，SMA16混合料各项性能指标均满足规范要求，具有较高的抵抗水损坏、高温变形、低温开裂能力.

表8 沥青混合料路用性能试验结果

4 结 论

1）利用混合料体积参数VMA和贝雷法参数，提出机场SAM-16 混合料优化级配范围，使其更易形成骨架密实结构.

2）合理选取贝雷参数值范围能够确保混合料的体积指标满足要求，且其值对混合料的施工特性有重要影响.

3）确定材料、级配、目标VMA和VV后，可直接通过纤维掺量对SMA 混合料最佳油石比进行预估.

4）级配优化确定的SMA-16沥青混合料，路用性能满足规范要求.

5）采用优化级配可在设计中避免反复选择级配和油石比，减少试验量，提高设计效率.

［1］沈金安.改性沥青与SMA 路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］王 娜，申爱琴.SMA 沥青混合料改性沥青玛蹄脂的性能［J］.长安大学学报：自然科学版，2006，26（6）：28-30.

［3］中华人民共和国交通部.JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］郝孟辉，郝培文.机场AC-20I型沥青混合料设计优化研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32（18）：58-62.

［5］沙庆林.矿料级配检验方法之一：VCADRF方法［J］.公路，2005（2）：89-92.

［6］刘 涛.SMA 混合料体积参数及配合比设计方法研究［D］.西安：长安大学，2007.

［7］郝培文.沥青与沥青混合料［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［8］马登成，刘洪海，马尉倘，等.贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响［J］.武汉理工大学学报，2010，32（5）：68-71.

［9］中华人民共和国交通部.JTJ052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［10］中华人民共和国民航总局.MH5011-1999民用机场沥青混凝土道面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2000.