破碎礫石瀝青混合料物理指標(biāo)與油石比的關(guān)系研究

李健

摘要：文章采用S型級配曲線設(shè)計方法設(shè)計了三種不同級配的AC-16破碎礫石瀝青混合料C型、F-1型、F-2型，并采用五個油石比（4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%），分別成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過回歸分析的方法，對三種不同級配破碎礫石瀝青混合料的物理指標(biāo)與油石比之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：破碎礫石瀝青混合料各物理指標(biāo)與油石比的關(guān)系非常密切，存在顯著的相關(guān)性;同時通過對各物理指標(biāo)對油石比變化的敏感性分析給出了工程推薦級配，并總結(jié)了采用推薦級配時各物理指標(biāo)與油石比的回歸關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)。

關(guān)鍵詞：破碎礫石;瀝青混合料;物理指標(biāo);油石比;試驗研究

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.002

文章編號：1673-4874（2019）08-0005-04

0引言

近年來，隨著我國公路網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中中性石料的使用量越來越多，造成了山石的大量開采，山體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，致使山體崩塌、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，且中性石料儲量日益減少。為適應(yīng)我國公路建設(shè)發(fā)展的需要，同時做到人與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，今后的公路建設(shè)中不得不越來越多地使用破碎礫石作為瀝青混合料的粗集料。而在我國某些偏遠(yuǎn)山區(qū)，由于其特殊的環(huán)境、地理及氣候條件，礫石資源非常豐富嘲。

國內(nèi)外道路工作者一般僅對破碎礫石在瀝青面層的應(yīng)用或其加工工藝進(jìn)行研究，何連明等對破碎礫石的加工工藝及路用性能進(jìn)行了探討，陳錦對破碎礫石在瀝青面層中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，都未針對破碎礫石瀝青混合料的物理指標(biāo)與油石比的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

所以，研究破碎礫石瀝青混合料物理指標(biāo)與油石比的關(guān)系，并提出工程推薦級配，不但對工程實踐有著重要的指導(dǎo)意義，還將對降低工程造價、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)及減少自然災(zāi)害有著重要的現(xiàn)實意義。

1試驗材料

1.1瀝青

試驗采用SK-90#基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見下頁表1。

1.2集料與填料

試驗采用的粗集料為取自四川的破碎礫石，相關(guān)檢測數(shù)據(jù)見表2、表3，細(xì)集料為機制砂，填料為石灰?guī)r礦粉。

由表2、表3可知，破碎礫石SiO2含量約為95.67%，屬于酸性石料;所含主要礦物成分為石英，屬石英粉砂巖。

試驗采用粗集料、細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)見表4、表5。

試驗采用的礦粉為石灰?guī)r磨制而成，主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

2混合料試驗

試驗采用規(guī)范推薦的S型級配曲線設(shè)計方法，設(shè)計了三種不同級配的AC-16破碎礫石瀝青混合料C型、F-1型、F-2型，采用五個油石比4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%分別成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，對破碎礫石瀝青混合料各物理指標(biāo)與其油石比的關(guān)系進(jìn)行了線1生回歸分析。

三種級配的混合料級配組成見表7。

2.1毛體積相對密度與油石比的關(guān)系研究

壓實瀝青混合料的實測毛體積相對密度（Tf）是瀝青混合料配合比設(shè)計及瀝青路面質(zhì)量控制的一個非常重要的指標(biāo)，直接影響著瀝青混合料的空隙率（W）、礦料間隙率（VM_A）、瀝青飽和度（VFA）以及路面現(xiàn)場的壓實度等嘲。

破碎礫石瀝青混合料毛體積相對密度與油石比之間的回歸關(guān)系見圖2。

由圖2可知，破碎礫石瀝青混合料毛體積相對密度與油石比兩個因素之間具有顯著的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)>0.90，關(guān)系十分密切。當(dāng)油石比在4.0～6.0范圍內(nèi)變化時，油石比越大，毛體積相對密度也越大，基本呈直線變化;油石比一定時，級配越細(xì)，毛體積相對密度越大;采用級配“AC-16F2型”時，由其回歸關(guān)系式可知，油石比每增加1%，毛體積相對密度增加0.03%。

另外，較細(xì)級配的回歸直線的斜率小于較粗級配的回歸直線的斜率，表明較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其毛體積相對密度對油石比變化的敏感性較低。

2.2體積指標(biāo)與油石比的關(guān)系研究

瀝青混合料的體積指標(biāo)是路面配合比設(shè)計必須考慮的重要影響因素，主要包括空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）和有效瀝青含量（Phe）。

2.2.1空隙率與油石比的關(guān)系研究

國內(nèi)外研究表明，瀝青混凝土路面的強度、耐久性、高溫穩(wěn)定性和透水性在較大程度上受空隙率的影響，空隙率偏大或偏小與瀝青路面使用性能的好壞有直接關(guān)系，而瀝青用量或油石比又直接影響空隙率。

破碎礫石瀝青混合料空隙率與油石比之間的回歸關(guān)系見圖3。

圖3表明，破碎礫石瀝青混合料空隙率與油石比兩個因素之間存在顯著的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)>0.91，關(guān)系十分密切。當(dāng)油石比在4.0%～6.0%范圍內(nèi)變化時，油石比越大，空隙率越小，基本呈直線變化;油石比一定時，級配越細(xì)，空隙率越小;采用級配“AC-16F2型”時，由其回歸關(guān)系式可知，油石比每增加1%，空隙率減小2.36%。

另外，較細(xì)級配的回歸直線的斜率絕對值小于較粗級配的回歸直線的斜率絕對值，表明較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其空隙率對油石比變化的敏感性較低。引起這一變化規(guī)律的原因可能是較細(xì)級配的混合料其比表面積較大。

2.2.2礦料間隙率與油石比的關(guān)系研究

瀝青混合料礦料間隙率的計算因子包括試件的毛體積相對密度、礦料的合成毛體積相對密度和各種礦料占瀝青混合料總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

破碎礫石瀝青混合料礦料間隙率與油石比之間的回歸關(guān)系見下頁圖4。

圖4表明，破碎礫石瀝青混合料礦料間隙率與油石比兩個因素之間具有顯著的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)約>0.8，關(guān)系十分密切。當(dāng)油石比處于4.0%～5.0%范圍內(nèi)時，油石比越大礦料間隙率越小，且遞減速率越來越慢;當(dāng)油石比在5.0%～6.0%范圍內(nèi)變化時，油石比越大，礦料間隙率越大。導(dǎo)致這一變化規(guī)律的原因可能是隨著瀝青用量的不斷增大，瀝青慢慢撐開了礦料的骨架。油石比一定時，級配越細(xì)，礦料間隙率越小。

另外，較細(xì)級配的回歸曲線二次冪的系數(shù)小于較粗級配的回歸曲線二次冪的系數(shù)，表明較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其礦料間隙率對油石比變化的敏感性較低。

2.2.3瀝青飽和度與油石比的關(guān)系研究

瀝青飽和度是指壓實瀝青混合料中瀝青的體積占除礦料骨架之外的空隙部分的體積的百分?jǐn)?shù)。表征了瀝青混合料中瀝青的含量高低，若飽和度過高將會導(dǎo)致混合料產(chǎn)生離析等現(xiàn)象。

破碎礫石瀝青混合料瀝青飽和度與油石比的回歸關(guān)系見圖5。

圖5表明，破碎礫石瀝青混合料瀝青飽和度與油石比兩個因素之間具有顯著的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)>0.9，關(guān)系十分密切。當(dāng)油石比在4.0%～6.0%范圍內(nèi)變化時，油石比越大，瀝青飽和度越大，基本呈直線變化;油石比一定時，級配越細(xì)，瀝青飽和度越大;采用級配“AC-16F2型”時，由其回歸關(guān)系式可知，油石比每增加1%，瀝青飽和度增加13.9%。

2.2.4有效瀝青含量與油石比的關(guān)系研究

在瀝青混合料中真正參與形成強度的瀝青用量稱為有效瀝青含量。礦料孔隙吸收的瀝青結(jié)合料在瀝青混合料強度的形成過程中未發(fā)揮作用，若配合比計算時未充分考慮這一影響因素，將間接影響混合料的各項路用性能。

破碎礫石瀝青混合料有效瀝青含量與油石比的回歸關(guān)系見圖6。

圖6表明，破碎礫石瀝青混合料有效瀝青含量與油石比兩個因素之間具有顯著的相關(guān)性，當(dāng)油石比在4.0%～6.0%范圍內(nèi)變化時，油石比越大，其有效瀝青含量也越大，基本呈直線變化，其回歸直線的相關(guān)系數(shù)為1。不同級配混合料的有效瀝青含量與油石比的回歸關(guān)系曲線接近重疊，可以得出破碎礫石瀝青混合料級配的粗細(xì)對有效瀝青含量的高低影響不大。

2.3吸水率與油石比的關(guān)系研究

試件吸收水分的體積除以瀝青混合料的毛體積即為瀝青混合料試件的吸水率，以百分?jǐn)?shù)表示。破碎礫石瀝青混合料吸水率與油石比的回歸關(guān)系見圖7。

由圖7可知，破碎礫石瀝青混合料吸水率與油石比兩個因素之間具有顯著的相關(guān)性，關(guān)系十分密切。油石比在4.0%～6.0%范圍內(nèi)變化時，油石比越大，吸水率越小，基本呈直線變化;油石比一定時，級配越細(xì)，吸水率越小;采用級配“AC-16F2型”時，由其回歸關(guān)系式可知，油石比每增加1%，吸水率減小0.18%。

另外，較細(xì)級配的回歸直線的斜率絕對值小于較粗級配的回歸直線的斜率絕對值，表明較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其吸水率對油石比變化的敏感性較低。

以上研究表明，較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其毛體積相對密度（yf）、礦料間隙率（VMA）、空隙率（vv）、吸水率（Sa）等對油石比變化的敏感性較低，因此將級配“AC-16F2”作為工程推薦級配，其物理指標(biāo)與油石比的關(guān)系詳見表8。

3結(jié)語

（1）破碎礫石瀝青混合料毛體積相對密度（yf）、瀝青飽和度（VFA）、有效瀝青含量（Pbe）、空隙率（VV）、吸水率（sa）和礦料間隙率（VMA）等物理指標(biāo)與油石比之間存在顯著的相關(guān)性，關(guān)系十分密切。油石比在4.0～6.0范圍內(nèi)變化時，油石比越大，毛體積相對密度（yf）、瀝青飽和度（VFA）、有效瀝青含量（Pbe）越大，空隙率（w）、吸水率（Sa）越小，基本呈直線變化;礦料間隙率（VMA）先減小后增大，基本呈拋物線變化。

（2）鑒于較細(xì)級配的破碎礫石瀝青混合料其毛體積相對密度（yf）、空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、吸水率（Sa）等對油石比變化的敏感性較低這一規(guī)律，將級配“AC-16F2”作為工程推薦級配。

（3）本文僅對AC-16型破碎礫石瀝青混合料進(jìn)行了研究，還可對SMA、OGFC等類型的瀝青混合料進(jìn)一步研究。