集料特性对SMA沥青混合料中VMA指标的影响研究

马庆伟+郭平+向萌萌+张娟

关键词：SMA沥青混合料；VMA指标；相对密度；吸水率

中图分类号：U414 文献标志码：B

0 引 言

SMA中粗集料的含量较多，粗集料之间的嵌挤作用使SMA有较好的高温稳定性。而嵌挤作用的好坏主要取决于集料的颗粒形状、棱角性和集料的坚韧性。这些特性是形成SMA结构的关键。本文从理论上分析了集料特性对沥青混合料中VMA值的影响规律，并根据室内试验，进一步研究了VMA随集料特性变化时的增减规律[12]。

1 集料对VMA值影响的理论分析研究

1.1 表面纹理粗糙度

集料的表面纹理会影响到SMA混合料的内部孔隙结构。表面纹理越粗糙，其比表面积越大，在一定程度上增加了沥青与集料之间的接触面积，使集料和沥青之间的粘附力增强，沥青膜不易从集料的表面脱落；

表面纹理越粗糙，其内摩擦力也越大，沥青混合料的VMA随之增加。反之，集料表面越光滑，内摩擦力越小，容易压实，沥青混合料的VMA随之减小。但是当集料表面过分粗糙时，会表现出表面孔隙率过大，使沥青用量增加，导致混合料的成本增加。测量集料表面纹理的粗糙度很困难，中国规范中没有粗糙度的定量指标，目前主要是通过对沥青混合料的性能试验如马歇尔试验和车辙试验来间接进行评价的。

1.2 棱角性

对于粗集料来说，其棱角性越大，碎石表面的破碎面越大，混合料的VMA也随之增大[3]。细集料的棱角性对混合料的VMA影响也较大，破碎度较大的细集料一般会增大混合料的VMA值。

1.3 针片状含量

针片状含量是粗集料的一个非常重要的指标，它与粗集料的破损状况关系密切。针片状含量高的粗集料在室内试验和施工过程中，其级配和各项指标表现差异较大。在混合料室内试验的压实过程中，针片状颗粒会横卧在相邻的粗集料之上，导致混合料不能充分压实，使得混合料的空隙率偏大，进而导致VMA值增大。

1.4 磨耗值

洛杉矶磨耗值（LA）是粗集料坚韧性的重要指标，中国规范中规定，高速公路和一级公路的粗集料LA的技术要求不大于28%。尽管规范规定了LA不大于28%，但是不等于说只要LA小于28%就可以用于SMA路面，因为集料在试件击实过程中有被压碎的可能，而且LA和SMA混合料的其他指标要求也有关系。沈金安在《SMA路面设计与铺筑》一书中指出，如果LA小于20%，满足SMA混合料中最小VMA的要求就不困难，如果LA大于40%，肯定无法达到SMA混合料中最小VMA的要求[4]。

1.5 集料密度和吸水率

一般来讲，粗集料密度越大，VMA指标要求越好满足。但是密度过大就意味集料过于致密，以致集料内部空隙过小，无法吸收沥青，导致混合料沥青膜过薄，对混合料的高温稳定性和水稳定性有不利影响。由于细集料毛体积密度测试比较复杂，人为因素干扰较大，因此《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）规定细集料毛体积密度可以不测，可采用细集料表观密度来代替[5]。

吸水率是反映集料内部孔隙率和质量的重要指标。集料的吸水率越高，其内部孔隙率越大，在混合料拌和及使用过程中，集料会吸收一部分沥青，导致沥青有效含量降低，混合料VMA值减小。此外，集料吸水率高可能导致沥青混合料变干以及粘聚力减小，降低混合料的性能，使被吸收的沥青仅起到填充集料内部孔隙的作用，造成经济上的浪费。

2 集料对VMA值影响的室内试验研究

2.1 原材料及混合料级配选择

沥青采用SBS（IC）改性沥青；粗集料（>4.75 mm）采用辉绿岩质碎石；细集料（<4.75 mm）采用石灰岩质机制砂；矿粉采用石灰岩质矿粉。各项原材料满足《公路沥青路面施工规范》（JTG F40—2004）要求[6]。混合料采用SMA-13级配，9.5～16 mm∶4.75～9.5 mm∶0～2.36 mm∶矿粉=44%∶33%∶13%∶10%。油石比为5.9%，加入木质素纤维，掺量为混合料总质量的0.3%。

2.2 集料针片状含量对VMA值的影响

本节选用针片状含量为12%、15%和20%的三种粗集料，混合料其他条件同2.1节，分别采用双面击实50次和75次成型马歇尔试件。

（1） 当击实50次时，随粗集料针片状含量的增大，VMA不断增加，如图1所示。究其原因，针片状含量高会使骨架结构处于不稳定状态[5]，在马歇尔仪击实成型时，扁平、细长颗粒横卧，阻碍压实而造成混合料VMA增大。当击实75次时，VMA随粗集料针片状含量的增大而减小，扁平、细长颗粒被击碎，如图2所示。在实际施工中，扁平颗粒会被压断、压碎，使混合料的VMA值降低。说明击实75次的试验结果与实际工程更接近。因此，本研究采用双面击实75次。

（2） 规范中要求粗集料的针片状含量不大于15%。本试验中，当针片状含量为15%时，混合料VMA值仅为15.8%。即使在针片状含量为12%时，VMA值也仅达到16.2%，不满足规范最小值16.5%的要求。

2.3 集料磨耗值对VMA值的影响

（1） 虽然两种石料的强度、压碎值等指标相近，但实际坚硬程度差别很大。从表3中的洛杉矶磨耗值可以看出，辉绿岩比石灰岩坚硬。在进行马歇尔试验时，使用辉绿岩的SMA混合料的VMA值更高。

（2） 施工技术规范中规定洛杉矶磨耗值应不大于28%，两种集料均满足要求。但磨耗值为15.3的石灰岩，其混合料VMA值仅为16.3%，不满足规范要求。当采用磨耗值为10.2%的辉绿岩时，VMA值才满足规范要求。

2.4 集料密度和吸水率对VMA值的影响研究

本节选取不同吸水率的集料：片麻岩、辉绿岩、结晶灰岩、闪长岩、蛇纹岩、绿片岩、辉长岩等7种集料，通过马歇尔击实试验研究集料吸水率对SMA沥青混合料VMA值的影响。7种集料的各项技术指标均满足规范要求。endprint

（1） VMA值随着石料吸水率的增大而减小，如图3所示。当石料吸水率从0.5%增大到1.5%时，VMA值降低了10.59%，可见吸水率对VMA值影响明显。当吸水率小于1%时，随着吸水率的减小，VMA值逐渐提高，但增长幅度缓慢，直到吸水率为0.4%时，才达到17%。说明现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对VMA值不小于17%的要求过严，在实际工程中较难达到。吸水率大于1%时，VMA值下降明显，说明石料吸水率一旦大于1%时，VMA值衰减速度会加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。

升速度缓慢，当石料密度达到3时，VMA值才达到17%，也进一步说明现行规范中对VMA值不小于17%的要求过严，在此建议对于VMA值的要求应根据所处地的气候条件、交通量大小及路用性能的不同区别对待。

当石料密度小于2.75时，混合料间隙率下降速度明显加快，说明石料密度过小时，石料吸水率增大，相应的混合料间隙率较难满足性能的要求。建议用于SMA路面的粗集料表观相对密度不应小于2.7，同时也应注意石料密度不宜过高。当石料密度大于3时，石料内部过于致密，石料表面粗糙度不好，路面易产生高温车辙；石料无法粘附更多沥青，导致混合料沥青膜过薄，抗疲劳性能较差。

3 结 语

（1） 粗集料的表面纹理越粗糙，其内摩擦力也越大，沥青混合料的VMA值随之增加；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） 当用于SMA路面的粗集料表观相对密度小于2.7时，对混合料的间隙率尤为不利，同时也应注意石料密度不应大于3，在分析石料密度对VMA值的影响时一定要考虑石料吸水率的作用，只有两者综合考虑才能初步判断混合料间隙率的合格与否。

（3） 石料吸水率大于1%时VMA值衰减速度加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。综合考虑建议用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保证路面质量。

参考文献：

[1] 张宜咯，袁中山.SMA混合料结构参数的影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（1）：711.

[2] 裴建中，徐 丽，张久鹏，等.温拌沥青混合料马歇尔变温击实功设计方法[J].交通运输工程学报，2011，11（4）：19，16.

[3] 林绣贤.HMA和SMA的集料组成和VMA的关系[J].上海公路，2003，1：68.

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

[5] JTG E20—2011，公路工程沥青和沥青混合料试验规程[S].

[6] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术[S].

[7] 林绣贤.再论HMA的矿料间隙率SMA[J].上海公路， 2005（4）：49.

[责任编辑：杜敏浩]endprint

（1） VMA值随着石料吸水率的增大而减小，如图3所示。当石料吸水率从0.5%增大到1.5%时，VMA值降低了10.59%，可见吸水率对VMA值影响明显。当吸水率小于1%时，随着吸水率的减小，VMA值逐渐提高，但增长幅度缓慢，直到吸水率为0.4%时，才达到17%。说明现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对VMA值不小于17%的要求过严，在实际工程中较难达到。吸水率大于1%时，VMA值下降明显，说明石料吸水率一旦大于1%时，VMA值衰减速度会加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。

升速度缓慢，当石料密度达到3时，VMA值才达到17%，也进一步说明现行规范中对VMA值不小于17%的要求过严，在此建议对于VMA值的要求应根据所处地的气候条件、交通量大小及路用性能的不同区别对待。

当石料密度小于2.75时，混合料间隙率下降速度明显加快，说明石料密度过小时，石料吸水率增大，相应的混合料间隙率较难满足性能的要求。建议用于SMA路面的粗集料表观相对密度不应小于2.7，同时也应注意石料密度不宜过高。当石料密度大于3时，石料内部过于致密，石料表面粗糙度不好，路面易产生高温车辙；石料无法粘附更多沥青，导致混合料沥青膜过薄，抗疲劳性能较差。

3 结 语

（1） 粗集料的表面纹理越粗糙，其内摩擦力也越大，沥青混合料的VMA值随之增加；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） 当用于SMA路面的粗集料表观相对密度小于2.7时，对混合料的间隙率尤为不利，同时也应注意石料密度不应大于3，在分析石料密度对VMA值的影响时一定要考虑石料吸水率的作用，只有两者综合考虑才能初步判断混合料间隙率的合格与否。

（3） 石料吸水率大于1%时VMA值衰减速度加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。综合考虑建议用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保证路面质量。

参考文献：

[1] 张宜咯，袁中山.SMA混合料结构参数的影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（1）：711.

[2] 裴建中，徐 丽，张久鹏，等.温拌沥青混合料马歇尔变温击实功设计方法[J].交通运输工程学报，2011，11（4）：19，16.

[3] 林绣贤.HMA和SMA的集料组成和VMA的关系[J].上海公路，2003，1：68.

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

[5] JTG E20—2011，公路工程沥青和沥青混合料试验规程[S].

[6] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术[S].

[7] 林绣贤.再论HMA的矿料间隙率SMA[J].上海公路， 2005（4）：49.

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（1） VMA值随着石料吸水率的增大而减小，如图3所示。当石料吸水率从0.5%增大到1.5%时，VMA值降低了10.59%，可见吸水率对VMA值影响明显。当吸水率小于1%时，随着吸水率的减小，VMA值逐渐提高，但增长幅度缓慢，直到吸水率为0.4%时，才达到17%。说明现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对VMA值不小于17%的要求过严，在实际工程中较难达到。吸水率大于1%时，VMA值下降明显，说明石料吸水率一旦大于1%时，VMA值衰减速度会加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。

升速度缓慢，当石料密度达到3时，VMA值才达到17%，也进一步说明现行规范中对VMA值不小于17%的要求过严，在此建议对于VMA值的要求应根据所处地的气候条件、交通量大小及路用性能的不同区别对待。

当石料密度小于2.75时，混合料间隙率下降速度明显加快，说明石料密度过小时，石料吸水率增大，相应的混合料间隙率较难满足性能的要求。建议用于SMA路面的粗集料表观相对密度不应小于2.7，同时也应注意石料密度不宜过高。当石料密度大于3时，石料内部过于致密，石料表面粗糙度不好，路面易产生高温车辙；石料无法粘附更多沥青，导致混合料沥青膜过薄，抗疲劳性能较差。

3 结 语

（1） 粗集料的表面纹理越粗糙，其内摩擦力也越大，沥青混合料的VMA值随之增加；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） 当用于SMA路面的粗集料表观相对密度小于2.7时，对混合料的间隙率尤为不利，同时也应注意石料密度不应大于3，在分析石料密度对VMA值的影响时一定要考虑石料吸水率的作用，只有两者综合考虑才能初步判断混合料间隙率的合格与否。

（3） 石料吸水率大于1%时VMA值衰减速度加快，对路面水稳定性和抗车辙性均有不利影响。综合考虑建议用于SMA路面的粗集料吸水率不宜大于1%，以保证路面质量。

参考文献：

[1] 张宜咯，袁中山.SMA混合料结构参数的影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（1）：711.

[2] 裴建中，徐 丽，张久鹏，等.温拌沥青混合料马歇尔变温击实功设计方法[J].交通运输工程学报，2011，11（4）：19，16.

[3] 林绣贤.HMA和SMA的集料组成和VMA的关系[J].上海公路，2003，1：68.

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

[5] JTG E20—2011，公路工程沥青和沥青混合料试验规程[S].

[6] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术[S].

[7] 林绣贤.再论HMA的矿料间隙率SMA[J].上海公路， 2005（4）：49.

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