瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響

許銀行

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響

許銀行

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

分析研究了傳統(tǒng)瀝青混合料瀝青膜厚度計(jì)算方法，提出了一種新型的瀝青膜厚度計(jì)算公式，并進(jìn)行了驗(yàn)證；分析了不同瀝青膜厚度對(duì)混合料性能產(chǎn)生的影響，結(jié)合高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，給出了推薦瀝青膜厚度。

瀝青混合料；瀝青膜厚度；性能

0　引言

我國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)普遍采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要成型大量試件，耗時(shí)耗力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，且其設(shè)計(jì)指標(biāo)與路用性能不符，影響了混合料的設(shè)計(jì)效果。在此背景下，本文以AC-20瀝青混合料為研究對(duì)象，開(kāi)展瀝青膜厚度與混合料性能研究。

1　傳統(tǒng)瀝青膜厚度計(jì)算方法的評(píng)價(jià)

瀝青膜厚度是指包裹在石料表面的有效瀝青層厚度，一般用DA表示。瀝青膜厚度與混合料的強(qiáng)度、高溫性能、低溫性能以及耐久性能有著密切聯(lián)系，是混合料設(shè)計(jì)階段需要考慮的重要參考因素。傳統(tǒng)的瀝青膜厚度計(jì)算過(guò)程中，一般采用有效瀝青含量除以集料表面積的計(jì)算方法，該方法提出是基于瀝青形成的油膜包裹在石料表層的平面上，且顆粒與顆粒之間保持相互獨(dú)立，見(jiàn)圖1。

圖1　瀝青膜厚度計(jì)算原理圖

基于上述原理的計(jì)算模型，未將混合料空隙率與壓實(shí)等方面的影響考慮在內(nèi)，只要瀝青用量與集料表面積確定了，混合料表面的瀝青膜厚度也就確定了，這與客觀實(shí)際存在一定的差異，進(jìn)而產(chǎn)生了計(jì)算誤差。但是該原理簡(jiǎn)單方便，容易理解，存在較強(qiáng)的適用性，從另一個(gè)方面來(lái)講，若在計(jì)算膜厚的過(guò)程中加入孔隙率、壓實(shí)等因素的影響，由于不同集料的尺寸、形狀不同，棱角性差異較大，即使引入復(fù)雜的計(jì)算參數(shù)，也難以完全消除影響，并會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量成倍增加。

2　新型瀝青膜厚度計(jì)算方法的提出

現(xiàn)有研究結(jié)果普遍認(rèn)為，混合料中的瀝青膜厚度是一個(gè)平均計(jì)算值，不是真實(shí)存在于混合料表面上的，其數(shù)值為理論計(jì)算值，而非實(shí)際觀測(cè)值。

用有效瀝青用量與集料比表面積的比值來(lái)定義瀝青膜平均厚度，存在一定的爭(zhēng)議：由于集料的粒徑不同、形狀不同，顆粒表面的瀝青膜厚度存在一定的差異性，細(xì)集料表面的厚度要大一些，粗集料的要小一些，在石料的棱角處，瀝青膜厚度可能更小[1]。但是，如果將石料按照不同的瀝青進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)行分別計(jì)算與討論，需要利用隨機(jī)分布理論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，若想要建立厚度與混合料性能之間的關(guān)系，也需要一個(gè)平均厚度的概念，并且由于石料顆粒的復(fù)雜性，區(qū)分工作難度較大。因此，無(wú)論采用何種方式，都需要引入平均膜厚的概念，進(jìn)而研究其與混合料各項(xiàng)性能之間的關(guān)系。

確定瀝青混合料最佳瀝青用量的根本目的就是確保實(shí)現(xiàn)一個(gè)合理的瀝青膜厚度。瀝青膜厚對(duì)不同級(jí)配的瀝青混合料的性能有著不同的影響，同時(shí)，瀝青膜厚度存在著一個(gè)最佳值，當(dāng)膜厚偏離最佳值時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度等各項(xiàng)性能指標(biāo)均會(huì)出現(xiàn)下降，因此瀝青膜厚的計(jì)算方法尤為重要。為了準(zhǔn)確的反映不同級(jí)配混合料不同油石比的瀝青膜厚度，本文采用真空法測(cè)定最大理論密度[2]。

具體計(jì)算過(guò)程如下：

（1）按式（1）計(jì)算礦料混合料的合成毛體積相對(duì)密度：

式中：γsb為礦料合成毛體積密度；P為各種礦料成分的配比，其和為100；γ為各種礦料相應(yīng)的毛體積密度。

（2）按式(2)計(jì)算礦料的有效相對(duì)密度：

式中：γsb為合成礦料的有效相對(duì)密度；Pb為試驗(yàn)采用的瀝青用量；γ1為實(shí)測(cè)混合料的最大相對(duì)密度，無(wú)量綱；γb為25℃下瀝青相對(duì)密度，無(wú)量綱。（3）按式(3)、式(4)計(jì)算有效瀝青含量：

式中：Pba為被集料吸收的瀝青比例，%；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青含量，%；Ps為各種礦料占瀝青混合料總質(zhì)量的百分率之和，即Ps=100-Pb，%

（4）將求得的有效瀝青含量計(jì)算結(jié)果和集料表面積帶入式(5)中，即可求得瀝青膜厚度。

式中：DA為瀝青膜厚度，μm；SA為集料比表面積，m2/kg。

3　瀝青膜厚度對(duì)混合料性能的影響

3.1高溫性能

選取AC-20混合料作為試驗(yàn)對(duì)象，瀝青膜厚度分別取3.8 μm、4.1 μm、4.4 μm、4.7 μm、5.0 μm，根據(jù)上節(jié)介紹的瀝青膜厚度計(jì)算方法，反算瀝青用量，對(duì)應(yīng)的油石比分別為3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，分別成型馬歇爾試件和車轍板，進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2　瀝青膜厚度對(duì)混合料密度的影響

圖3　瀝青膜厚度對(duì)穩(wěn)定度的影響

圖5　瀝青膜厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖2～圖5可以看出，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的密度、穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。從圖2中可以看出，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4μm時(shí)，混合料的密度取得最大值；從圖3中可以看出，當(dāng)瀝青膜厚度為4.5μm時(shí)，混合料的穩(wěn)定度取得最大值，以穩(wěn)定度最大值為中值，取95%MSmax對(duì)應(yīng)的厚度為界，當(dāng)膜厚為4.3～4.8 μm時(shí)取得的穩(wěn)定度較大；從圖4中可以看出，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4 μm時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度取得最大值，以動(dòng)穩(wěn)定度最大值為中值，取95% DSmax對(duì)應(yīng)的厚度為界，當(dāng)膜厚為4.2～4.7 μm時(shí)取得的動(dòng)穩(wěn)定度較大；從圖5中可以看出，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4 μm時(shí)，混合料的抗剪強(qiáng)度取得最大值，以抗剪強(qiáng)度最大值為中值，取95%RTmax對(duì)應(yīng)的厚度為界，當(dāng)膜厚為4.2～4.7 μm時(shí)取得的抗剪強(qiáng)度較大。

分析可知，當(dāng)瀝青含量較小時(shí)，不足以形成結(jié)構(gòu)瀝青膜來(lái)黏結(jié)礦料顆粒，混合料的強(qiáng)度主要來(lái)源于集粘聚力和內(nèi)摩擦力，而隨著瀝青含量的不斷增大，結(jié)構(gòu)瀝青膜形成，瀝青與礦料間的粘結(jié)力隨瀝青用量的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最佳瀝青膜厚度時(shí)具有最大的粘聚力，若瀝青含量繼續(xù)增加，過(guò)多的瀝青會(huì)逐漸將礦料顆粒推開(kāi)，在顆粒間形成不與礦粉發(fā)生交互作用的“自由瀝青”，此時(shí)瀝青膠漿的粘結(jié)力隨著自由瀝青的增加而降低，當(dāng)油石比增加至某一用量后，瀝青混合料的粘結(jié)力主要取決于自由瀝青，這時(shí)瀝青不僅發(fā)揮粘結(jié)劑的作用，而且還起著潤(rùn)滑劑的作用，致使瀝青混合料的粘結(jié)力降低。除此之外，瀝青用量的增加，使得顆粒之間的容易發(fā)生相互位移，瀝青混合料的內(nèi)摩阻角變小，所以，當(dāng)瀝青膜厚度逐漸增加時(shí)，混合料性能出現(xiàn)了現(xiàn)增加后減小的規(guī)律。

綜合考慮4個(gè)因素的影響，確定當(dāng)膜厚為4.3～ 4.7 μm時(shí)，混合料密度較大，擁有較好的高溫性能。

3.2低溫性能

對(duì)不同的瀝青膜厚度的混合料成型車轍板，切制成小梁進(jìn)行進(jìn)低溫彎曲試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　不用膜厚混合料低曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖6中可以看出，隨著瀝青膜厚厚度的不斷增加，混合料的彎拉強(qiáng)度逐漸增大，且增加幅度較大；從圖7中可以看出，隨著瀝青膜厚度的不斷瀝青在低溫環(huán)境中，呈現(xiàn)出硬脆性：強(qiáng)度增加，而變形能力下降，容易出現(xiàn)脆斷，因此保證瀝青混合料的低溫抗裂性能，就是要保證其在低溫環(huán)境下，擁有盡可能大的變形能力，從而避免裂縫的產(chǎn)生。瀝青膜厚度較大時(shí)，混合料的彎拉強(qiáng)度較大，但在膜厚過(guò)大時(shí)，變形能力下降，結(jié)合混合料的低溫破壞特點(diǎn)，選擇破壞應(yīng)變作為評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能的主要指標(biāo)。增加，混合料的破壞應(yīng)變呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)膜厚度超過(guò)4.7 μm后，破壞應(yīng)變急劇下降，試件迅速破壞。

圖6　膜厚對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

圖7　膜厚與對(duì)破壞應(yīng)變的影響

抗拉強(qiáng)度不足或者變形能力不夠是瀝青混合料低溫破壞的主要原因，當(dāng)瀝青含量較小時(shí)，包裹在集料表面的瀝青膜厚度較薄，結(jié)構(gòu)瀝青不足，在進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)的過(guò)程中，試件的主要強(qiáng)度來(lái)自于瀝青的粘結(jié)力，所以在瀝青含量較小，結(jié)構(gòu)瀝青不足的情況下，混合料的彎拉強(qiáng)度較小，容許的變形值也??；隨著瀝青含量的不斷增加，瀝青膜厚度也隨著增加，結(jié)構(gòu)瀝青的增加使得混合料的低溫性能迅速增加，彎拉強(qiáng)度增大，容許的變形也增大，但是當(dāng)瀝青進(jìn)一步增加時(shí)，結(jié)構(gòu)瀝青不再增加，多余的瀝青分散到混合料的孔隙中，自由瀝青的含量上升，由于未與集料接觸，該部分瀝青的硬脆特性更加突出，使得混合料的彎拉強(qiáng)度增加，而容許的變形值卻大幅度下降，造成試件迅速脆斷。實(shí)際的瀝青路面中，低溫開(kāi)裂的主要因素為變形能力不足，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，確定當(dāng)瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時(shí)，混合料的低溫性能較好。

3.3水穩(wěn)性能

成型馬歇爾試件，進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3　浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4　凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8　瀝青膜厚度對(duì)殘留穩(wěn)定度的影響

圖9　瀝青膜厚度對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比的影響

當(dāng)壓實(shí)功一定時(shí)，瀝青膜厚度越小，混合料的空隙率越大。當(dāng)空隙率較大時(shí)，瀝青膜暴露在空氣中的面積增大，增加了滲水率，從而加強(qiáng)了水對(duì)瀝青的剝落作用。

由表3和圖8可以看出：隨著瀝青膜厚度的增加，混合料浸水前后的穩(wěn)定度都呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減少的趨勢(shì)；當(dāng)瀝青膜厚度為4.7 μm時(shí)，進(jìn)水后的試件馬歇爾穩(wěn)定度最大；殘留穩(wěn)定度不斷增加，但增加趨勢(shì)趨于緩慢。由表4和圖9可以看出：隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的劈裂強(qiáng)度都呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減少的趨勢(shì)；當(dāng)瀝青膜厚度為4.4 μm和4.7 μm的時(shí)候，混合料的凍融劈裂強(qiáng)度最大；凍融劈裂強(qiáng)度比不斷增加，但增加趨勢(shì)趨于緩慢。隨著瀝青膜厚的不斷增加，混合料中存在的自由瀝青逐漸增多，填補(bǔ)了原有的部分空隙，降低了混合料的空隙率，在一定程度上提高了混合料的水穩(wěn)定性，但自由瀝青的增加，結(jié)構(gòu)瀝青比例下降，混合料的力學(xué)性能隨之下降，雖然水對(duì)其造成的影響變小了，但其力學(xué)性能的絕對(duì)值卻下降了。

從浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，混合料在膜厚為4.7 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最佳，從凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)看，混合料在膜厚在4.4 μm和4.7 μm時(shí)，混合料獲得最大強(qiáng)度，因此，當(dāng)混合料的瀝青膜厚度在4.4～4.7 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)的水穩(wěn)定性最佳。

3.4疲勞性能

成型車轍板，切制成小梁進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。應(yīng)力水平分別選擇為0.4和0.6，測(cè)試小梁試件的疲勞壽命。

作為典型的非均質(zhì)多相材料，瀝青混合料有極大的不均勻性。其不均勻性表現(xiàn)為各相的物理化學(xué)性質(zhì)差別較大，分散相的形狀和尺寸不均勻，在基體中的分布和取向也不均勻，因此在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)的過(guò)程中，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的離散型，為了盡可能的消除實(shí)驗(yàn)誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠，選取小梁試件的時(shí)候盡量使得每個(gè)組試件來(lái)自不同的瀝青混合料板，且來(lái)自不同的位置，記錄試件斷裂時(shí)荷載的作用次數(shù)。不同瀝青膜厚度的小梁彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，疲勞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表5　小梁彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果

表征一組數(shù)據(jù)平均值的方法一般有幾何平均、算術(shù)平均、調(diào)和平均和修勻平均等，幾種平均算法的使用條件，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究[3]，結(jié)果顯示，若數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一定的離散型，應(yīng)使用修勻平均值。修勻平均值是將一組數(shù)據(jù)中的極值剔除掉，并將剩余數(shù)據(jù)求取平均值，該方法是一種較為穩(wěn)健的計(jì)算方法，且不受偏離平均數(shù)較大的兩端極值影響，比算術(shù)平均數(shù)更具有代表性[4]。由于混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散型，故采用修勻平均算法處理數(shù)據(jù)。

表6　瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得不同應(yīng)力水平下不同膜厚的平均疲勞次數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表7中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在不同的應(yīng)力水平下，瀝青膜厚度為4.7 μm，對(duì)應(yīng)的混合料疲勞壽命最長(zhǎng)。當(dāng)瀝青膜厚度較大時(shí)，比例較大的結(jié)構(gòu)瀝青產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力，少部分自由瀝青可以起到提高混合料耐久性的作用，但瀝青膜厚度繼續(xù)增加后，自由瀝青數(shù)量過(guò)多，反而影響了混合料的疲勞性能，因此，當(dāng)瀝青膜厚度為4.7 μm時(shí)，混合料的疲勞性能最優(yōu)。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)分析研究瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響可以得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）當(dāng)瀝青含量較小時(shí)，不足以形成結(jié)構(gòu)瀝青膜來(lái)黏結(jié)礦料顆粒，混合料的強(qiáng)度主要來(lái)源于集粘聚力和內(nèi)摩擦力，而隨著瀝青含量的不斷增大，結(jié)構(gòu)瀝青膜形成，瀝青與礦料間的粘結(jié)力隨瀝青用量的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最佳瀝青膜厚度時(shí)具有最大的粘聚力，綜合考慮密度、穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度及抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)膜厚為4.3～4.7 μm時(shí)，混合料的高溫性能較好。

（2）當(dāng)瀝青路面處于低溫環(huán)境時(shí)，由于自身材料變形能力有限，超出范圍后發(fā)生開(kāi)裂，以低溫變形能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時(shí)，混合料的低溫性能較好。

（3）隨著瀝青膜厚度增加，混合料水穩(wěn)定性增強(qiáng)。浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膜厚為4.7 μm時(shí)，混合料殘留強(qiáng)度最大；凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果顯示，膜厚在4.4 μm和4.7 μm時(shí)，混合料凍融后劈裂強(qiáng)度最大。綜合考慮混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時(shí)，混合料的水穩(wěn)定性能較好

（4）適當(dāng)增加自由瀝青的含量，可以提高混合料的疲勞性能。疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)瀝青膜厚度為4.7 μm時(shí)，混合料的疲勞性能最優(yōu)。

（5）綜合混合料的性能，推薦瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時(shí)為最佳瀝青膜厚度，在夏季炎熱地區(qū)選擇低限，冬季寒冷地區(qū)選擇高限。

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U414

A

1009-7716（2016）02-0176-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.049

2015-11-05

許銀行（1979-），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，從事市政道路設(shè)計(jì)及研究工作。