SMA混合料配合比设计及二维结构模型生成策略
摘要：通过对SMA混合料配合比设计进行分析，得出混合料的二维结构模型建立策略，最后建立了模型，解决了SMA混合料的配合比设计、矿料级配等问题存在的一些争议。
关键词：SMA混合料；配合比设计；二维结构模型
0 引言
沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是一种非常引人注目的沥青混合料结构，它以优良的路用性能而闻名于世。在我国引入SMA技术后在国内又有了进一步的发展，SMA混合料能够综合改善沥青混合料的高温抗车辙能力、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性等路用性能，而且能够保持表面功能好的优点，因此在国内过去多年的高等级公路以及民航机场跑道的建设过程中得到了广泛的应用。虽然SMA在国外已有30多年的应用历史，但是在我国还处于发展之中，仍需完善。我国幅员辽阔地域环境差异较大，因而不同的地方往往有不同的认识，关于SMA混合料的配合比设计、矿料级配等问题目前也存在不少的争论，本文将对这些问题进行探讨。
1 SMA混合料配合比设计
SMA混合料组成设计的内容就是确定粗集料、细集料、矿粉和沥青材料相互配合的最佳组成比例，使之既能满足沥青混合料的技术要求又符合经济的原则。
沥青混合料配合比设计包括:实验室目标配合比设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整的三个阶段。
1.1实验室目标配合比设计
(1)初试级配
按照SMA-16的标准级配建议，先确定三组级配，使4.75mm的通过率大体上为23%,26%,29%}0.075mm的通过率为10%左右，三种级配材料的配比如下：
甲：1#料:2#料:3#料:矿粉=51:33:6:100。乙：1#料:2#料:3#料:矿粉=47:34:9:100。丙:1#料:2#料:3#料:矿粉=36:43:11:100。
（2）确定最佳油石比
按级配丙的初试油石比，分别使用6.3%,6.5%,6.7%的油石比进行马歇尔试验，测定各项体积指标及稳定度、流值，结果见表1。
VCAmix—马歇尔试件的粗集料骨架间隙率；VV—空隙率，即为除去矿料和沥青以外的体积；VMA—矿料间隙率；VFA为沥青混合料的饱和度，即为沥青体积占有矿料间隙率的百分比。
1.2生产配合比设计
生产配合比设计以二次筛分后的热料仓材料级配进行，设计方法与目标配合比设计方法相同，矿料级配与沥青用量应力求与目标配合比相近，以减少试验工作量。通过铺筑乍嘉苏试验段，检验了生产配合比的可行性。按目标配合比确定的冷料比例上料，经过拌和机4级振动筛(19mm,16mm,8.5mm,4.5mm)二次筛分，再从热料仓取样筛分，进行生产配合比设计，04.75mm通过率为26.4%，0.075mm通过率为10.0%，9.5mm通过率为55.8%，与目标配合比设计稍有偏差，但级配仍然较为理想。
1.3生产配合比验证
此阶段即试拌、试铺阶段。施工单位进行试拌、试铺时应报告监理部门和业主，工程指挥部会同设计、监理、施工人员一起进行鉴别。进行了抽提筛分、马歇尔残留稳定度试验、测定空隙率等体积指标，并进行了车辙试验和冻融劈裂试验。混合料抽提及矿料级配筛分结果的平均值见表2，实际油石比为6.5%，4.75mm通过率为25.1%。马歇尔残留稳定度为98%，冻融劈裂试验强度比为95%，车辙试验动稳定度(二次加热)为10325次//mm，沥青析漏试验析漏量为0.04%，各项指标满足《公路沥青玛蹄脂碎石路面设计施工指南》的要求，具体见表2。
经试拌、试铺过程中相关试验的检验，结合所铺试验段的实际观测，确定本文设计的SMA符合要求，可以进入正常生产阶段。
2 SMA混合料的二维结构模型建立策略
SMA从引进至今，混合料的级配经过近二十年的发展以及在我国各地区的运用变化，混合料的结构和最初的结构类型虽然没有质的改变，但是级配的变化必然会导致结构的改变。我们希望通过建立混合料级配的二维离散单元模型，并通过模型的受力虚拟试验，分析混合料结构的变化和级配变化的关系，以及混合料结构受力后的颗粒重组变化。
2.1模型建立策略
离散元细观模拟集料的生成需要通过初始集料颗粒集合体的建立，集料颗粒集合体平衡和稳定状态的形成，最终集料颗粒集合体的生成三个步骤来实现。
以一定孔隙度将颗粒填充到给定空间的颗粒集合体生成方法，除了规则颗粒(等粒径相同形状颗粒)以外，不是唯一的。当前颗粒集合体生成方法的很多研究中，为了确保生成的颗集合体紧密排列，同时具备给定的结构，通常使用一系列规则和算法，将每个即将生成的颗粒安排在已经生成颗粒相关的位置。为了使建立的二维模型比较贴近实际级配，必须使混合料模型实现从三维到二维的转变。在SMA混合料三维模型中我们主要考虑的是因级配变化而变化的混合料骨架结构，所以，在混合料的各种指标中VCA是我们考虑的重要指标。ＳＭＡ混合料二维模型的建立也是根据与VCA密切相关的由2.36mm以上为主要组成集料的混合料间隙率的控制来实现的。
2.2模型的建立
下面以推荐级配混合料设计级配为例介绍其二维模型的建立，按一个马歇尔式件用量约1000集料用量计算，马歇尔试模的体积约为514814.3639mm3。
假定给定区域面积A为10000mm2。
由于SMA骨架结构只由4.75mm筛孔以上的粗集料构成，0.6mm以下的集料对混合料的骨架结构组成已经没有多大的意义，为了节约计算时间，在SMA13模型中将不考虑0.6mm筛孔以下的集料。SMA16模型中不考虑1.18mm筛孔以下的集料。
3 结语
沥青玛蹄脂碎石混合料((SMA)是近代国际上出现的一种非常引人注目的新型混合料，以其良好的高温稳定性、抗滑性、低噪音、耐久性等优点在公路建设中被越来越广泛地应用，尤其是在重交通道路、机场和钢桥面铺装等方面。但由于种种原因在SMA技术的推广应用方面起步较晚，鉴于SMA的良好路用性能，如何利用当地材料开展SMA的配合比设计及模型的建立等研究工作将具有重要的理论意义和实践价值。
参考文献：
[1]张登良，沥青与沥青混合料，人民交通出版社，1993
[2]张宗涛，沥青混合料级配优化的研究，硕士学位论文，2000.6
[3]沈金安，李福普编著SMA路面设计与铺筑.北京:人民交通出版社，2003
