瀝青混合料的體積指標(biāo)及其與路用性能的關(guān)系

樊 志 強(qiáng)

(大連市政修建總公司，遼寧 大連 116020)

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瀝青混合料的體積指標(biāo)及其與路用性能的關(guān)系

樊 志 強(qiáng)

(大連市政修建總公司，遼寧 大連 116020)

介紹了瀝青混合料體積指標(biāo)的意義與計(jì)算方法，分析了空隙率VV、礦料間隙率VMA、瀝青飽和度VFA及瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響，指出空隙率是瀝青混合料性能的主要影響因素之一，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意控制混合料的空隙率。

瀝青混合料，空隙率，體積指標(biāo)，路用性能

0 引言

瀝青混合料的體積指標(biāo)是影響其路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)高速公路由于空隙率等因素導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生較多早期破壞。提高瀝青面層的使用性能，研究混合料的體積指標(biāo)與其路用性能之間的關(guān)系是十分必要的。

1 密度

密度是瀝青混合料的主要體積指標(biāo)之一，常用的密度主要包括有：表觀密度、毛體積密度、理論最大密度、表觀相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度、理論最大相對(duì)密度等。另外還有表干密度、表干相對(duì)密度等其他密度。

1)瀝青混合料的表觀密度。

瀝青混合料單位體積(含混合料閉口孔隙體積)的干質(zhì)量。其與同溫度水的密度的比值稱為表觀相對(duì)密度。

2)瀝青混合料的毛體積密度。

瀝青混合料單位毛體積的干燥質(zhì)量。其與同溫度水的密度的比值稱為毛體積相對(duì)密度。

3)瀝青混合料的理論最大密度。

假設(shè)瀝青混合料被壓實(shí)至全部空隙(不含礦料自身內(nèi)部孔隙)都被瀝青填充的理想狀態(tài)下的最大密度。其與25 ℃水的密度的比值稱為理論最大相對(duì)密度。

在JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中介紹了測(cè)量四種瀝青混合料密度的試驗(yàn)方法(見表1)。

在測(cè)定瀝青混合料密度的方法中，水中重法較為簡(jiǎn)單，其測(cè)量的水表觀密度，適用于試件表面幾乎沒有開口孔隙，吸水率小于0.5%的特別密實(shí)的瀝青混合料。當(dāng)試件非常密實(shí)時(shí)，試件的表干質(zhì)量與空中質(zhì)量差別較小，可用其表觀密度代替表干法測(cè)定的毛體積密度。

表1 瀝青混合料的試件密度測(cè)試方法比較

在測(cè)定瀝青混合料密度的方法中，采用表干法測(cè)定瀝青混合料的毛體積密度是最基本的方法。試件的體積包括礦料體積、瀝青體積、礦料閉口孔隙體積、礦料之間被瀝青封閉的閉口孔隙、與外界相連的開口孔隙，不包括試件表面的凹陷。

當(dāng)瀝青混合料的空隙率較大，開口孔隙較多時(shí)，混合料的飽和面干狀態(tài)便很難形成，此時(shí)應(yīng)采用蠟封法。

當(dāng)瀝青混合料的空隙率很大(如：大空隙透水性開級(jí)配瀝青混合料)時(shí)，不能用表干法、蠟封法等測(cè)定時(shí)，可采用體積法測(cè)定混合料密度。

2 體積指標(biāo)

瀝青混合料的體積指標(biāo)除密度外，還包括：空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、有效瀝青的體積百分率、礦料的體積百分率、瀝青膜有效厚度等。其中對(duì)瀝青混合料性能及路用性能影響較大的三個(gè)體積指標(biāo)分別為空隙率VV、礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA。

體積指標(biāo)計(jì)算如下：

1)空隙率VV：瀝青混合料中礦料及瀝青以外的空隙的體積占混合料總體積的百分率。

其中，γt為混合料的最大理論相對(duì)密度;γf為混合料的毛體積相對(duì)密度。

2)礦料間隙率VMA：瀝青混合料中礦料部分以外的體積占混合料總體積的百分率。

其中，γsb為礦料合成毛體積相對(duì)密度；Ps為礦料占瀝青混合料總質(zhì)量的百分率，%。

3)瀝青飽和度VFA：瀝青體積占混合料礦料部分以外的體積的百分率。

4)有效瀝青體積百分率Vbe：有效瀝青體積所占瀝青混合料總體積百分率。

其中，Pbe為瀝青混合料中有效瀝青的含量，%。

5)礦料體積百分率Vg：在壓實(shí)的瀝青混合料中礦料體積占瀝青混合料總體積的百分率。

Vg=100%-(Vbe+VV)。

6)瀝青膜的有效厚度：瀝青混合料中有效瀝青薄膜的平均厚度。

SA=∑(Pt×FAt);

其中，SA為瀝青混合料中集料的比表面積，m2/kg；FAt為瀝青混合料中相應(yīng)于各種粒徑的集料的表面積系數(shù)；Pt為集料中各種粒徑的通過百分率,%；DA為瀝青膜的有效厚度,μm；γb為25 ℃時(shí)瀝青的相對(duì)密度。

3 瀝青混合料的體積指標(biāo)與路用性能的關(guān)系

瀝青路面直接受到車輛荷載和大氣因素的作用，因此要求路面具有一定的穩(wěn)定性、耐久性。其中穩(wěn)定性包括高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦料體積百分率Vg、有效瀝青的體積百分率Vbe對(duì)瀝青混合料性能的研究較少，以下主要分析空隙率VV、礦料間隙率VMA、瀝青飽和度VFA以及瀝青膜的有效厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響。

3.1 空隙率對(duì)瀝青混合料性能的影響

空隙率是影響瀝青混凝土路面性能的主要因素之一，對(duì)瀝青路面的穩(wěn)定性、耐久性以及抗疲勞特性都有直接的影響。美國(guó)有研究認(rèn)為，瀝青路面空隙率控制在4%以下時(shí)，可降低路面早期病害的產(chǎn)生。羅志軍認(rèn)為瀝青混合料的空隙率越大，其力學(xué)強(qiáng)度越低，并且對(duì)混合料的穩(wěn)定性與耐久性都產(chǎn)生一定影響。楊瑞華認(rèn)為，混合料的空隙率越低，其高溫穩(wěn)定性與抗滑性能也逐漸降低，而水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性逐漸上升，空隙率越大水分越容易進(jìn)入混合料中，混合料受到的水的侵害就越大，其水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性就越差。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為瀝青混合料級(jí)配的變化，通過改變?yōu)r青混合料的骨架結(jié)構(gòu)來影響混合料的穩(wěn)定性與使用性能，而級(jí)配的變化，直接體現(xiàn)在空隙率的變化上。

1)空隙率與透水性的關(guān)系。

當(dāng)空隙率(VV)比較小時(shí)，其透水系數(shù)也較小，因此瀝青混合料不易透水；隨著VV增加，混合料的透水系數(shù)隨之增加，當(dāng)空隙率超過一定范圍時(shí)，混合料的透水系數(shù)急劇增加。一般研究認(rèn)為，介于7%～8%的空隙率是透水系數(shù)的突變點(diǎn)。路面透水系數(shù)大將嚴(yán)重影響路面的耐久性和使用壽命，同時(shí)還會(huì)危害基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2)空隙率與車轍的關(guān)系。

大量研究認(rèn)為，在瀝青混合料瀝青含量一定的情況下，空隙率較小時(shí)，車轍變形小。但存在一個(gè)極值，當(dāng)空隙率下降超過這一極值、空隙率過小時(shí)，由于瀝青的相對(duì)過剩，高溫時(shí)瀝青膨脹會(huì)導(dǎo)致混合料失穩(wěn)，導(dǎo)致其變形速率增大，產(chǎn)生較大的車轍變形，導(dǎo)致瀝青混凝土路面面層容易產(chǎn)生車轍和推擠的現(xiàn)象。因此控制路面車轍的產(chǎn)生，不光需要嚴(yán)格控制瀝青混合料的瀝青含量，還應(yīng)使壓實(shí)后的瀝青混合料的空隙率在較合理的范圍內(nèi)。

3)空隙率與老化的關(guān)系。

瀝青老化主要可分為氧化縮合、結(jié)構(gòu)位阻硬化以及輕質(zhì)油分揮發(fā)三類現(xiàn)象。瀝青路面使用過程中瀝青受到空氣、水以及紫外線等綜合作用，從而導(dǎo)致路面瀝青老化的產(chǎn)生，影響瀝青路面的耐久性。

研究認(rèn)為，當(dāng)瀝青混合料的空隙率小于5%時(shí)，瀝青老化速度比較慢，路面的耐久性較好；隨著空隙率的增加，瀝青與空氣的接觸面積增大，會(huì)加速瀝青老化，從而導(dǎo)致瀝青混凝土產(chǎn)生裂縫和松散。

3.2 礦料間隙率對(duì)瀝青混合料性能的影響

一般來講，級(jí)配組成、集料性狀以及壓實(shí)功是影響礦料間隙率VMA的大小的決定因素。我國(guó)關(guān)于礦料間隙率對(duì)瀝青混合料性能的影響的研究起步較晚，研究較少。國(guó)內(nèi)外目前研究認(rèn)為：

1)礦料間隙率與壓實(shí)功的關(guān)系。礦料的間隙率主要受礦料的顆粒組成、礦料的級(jí)配、混合料的油石比、壓實(shí)功等幾個(gè)方面的影響。在礦料的顆粒組成、礦料的級(jí)配、混合料的油石比確定的情況下，混合料成型時(shí)的壓實(shí)功越大，瀝青混合料的毛體積密度越大，試件礦料間的空隙越小，礦料的間隙率越小；反之，間隙率越大。

2)礦料間隙率與耐久性的關(guān)系。瀝青混合料耐久性會(huì)受到礦料間隙率的直接影響。首先，礦料間隙率要滿足混合料中對(duì)孔隙大小的要求，以保證瀝青混合料的穩(wěn)定性；其次，混合料還要有足夠的空間能夠容納足夠的瀝青以保證混合料具有足夠的耐久性。因此一般認(rèn)為，礦料間隙率小則意味著瀝青混合料中能容納瀝青的空間小，使其耐久性不足；而較大的礦料間隙率則意味著瀝青混合料中孔隙太大，這樣也會(huì)造成瀝青混合料的穩(wěn)定性不足?；诖耍覈?guó)相關(guān)規(guī)范制定時(shí)，考慮到混合料必須具有一定的間隙率，以保證混合料具有足夠的空間來容納瀝青，提高混合料的耐久性，同時(shí)使瀝青能夠均勻的裹附在礦料表面，提高其穩(wěn)定性。

3.3 瀝青飽和度對(duì)瀝青混合料性能的影響

瀝青飽和度越高，混合料高溫穩(wěn)定性越差，容易產(chǎn)生車轍、推移等病害，且由于瀝青對(duì)礦料間隙填充較高，在混合料發(fā)生變形時(shí)，瀝青會(huì)從混合料內(nèi)部被擠出，產(chǎn)生泛油。當(dāng)瀝青飽和度較低時(shí)，混合料中瀝青含量偏低，導(dǎo)致瀝青不能均勻的裹附在礦料表面或?yàn)r青膜的有效厚度偏低，礦料之間的粘結(jié)力較低，產(chǎn)生礦料破落等病害。一般研究認(rèn)為當(dāng)瀝青的飽和度在68%～83%之間時(shí)，瀝青混合料具有良好的穩(wěn)定性與耐久性。

3.4 瀝青薄膜厚度對(duì)瀝青混合料性能的影響

20世紀(jì)60年代，有國(guó)外學(xué)者提出將瀝青薄膜厚度作為評(píng)價(jià)瀝青混合料性能的指標(biāo)之一，認(rèn)為瀝青薄膜厚度與瀝青混合料的路用性能有直接關(guān)系。瀝青薄膜厚度較低時(shí)，混合料的粘結(jié)性較差，同時(shí)容易造成瀝青難以均勻裹附在礦料表面。瀝青薄膜較大時(shí)，混合料的高溫穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生車轍、推移、泛油等病害。

長(zhǎng)安大學(xué)劉紅瑛認(rèn)為，瀝青薄膜對(duì)混合料性能的影響與混合料的類型與級(jí)配有關(guān)，同類型不同級(jí)配的混合料對(duì)應(yīng)不同的最佳瀝青薄膜厚度?；旌狭峡障堵试酱?，對(duì)應(yīng)的最佳瀝青薄膜厚度越大。

4 結(jié)語

混合料的體積指標(biāo)(VV，VMA，VFA)之間不是孤立存在的，是相互依存、相互制約的關(guān)系，當(dāng)空隙率(VV)一定時(shí)礦料間隙率(VMA)的大小決定了瀝青飽和度(VFA)的大小。空隙率是瀝青混合料性能的主要影響因素與控制指標(biāo)之一，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意控制混合料的空隙率，同時(shí)，充分考慮其他體積指標(biāo)對(duì)混合料性能的影響。

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Relationship of asphalt mixture volume index and pavement performance

Fan Zhiqiang

(DalianMunicipalMaintenanceandConstructionCorporation,Dalian116020,China)

The thesis introduces the meaning and calculation methods of asphalt mixture volume index, analyzes the impact of porosityVV, mineral porosityVMA, asphalt saturationVFAand asphalt membrane thickness upon asphalt mixture performance, and finally points out that: the porosity is one of important factors influencing asphalt mixture performance. Therefore, it is necessary to control mixture porosity in the engineering application.

asphalt mixture, porosity, volume index, pavement performance

2016-11-21

樊志強(qiáng)(1972- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2017)04-0136-03

TU535

A