粗集料骨架間隙率對(duì)多孔瀝青混合料性能的影響

李 俊,陸海珠,李明亮,李英濤

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

粗集料骨架接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混合料的性能影響顯著，骨架間隙太小導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實(shí)，且易出現(xiàn)集料壓碎現(xiàn)象；骨架間隙過大則會(huì)對(duì)瀝青混合料的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，因此瀝青混合料需要獲取足夠的骨架嵌擠力[1-2]。瀝青瑪蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt Mixture， SMA)和多孔瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture， PA)是典型的骨架型混合料，并且PA的粗集料用量達(dá)到80%以上，細(xì)集料用量相對(duì)較少，形成了典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)，對(duì)粗集料骨架穩(wěn)定性的要求更高[3]。我國(guó)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中，規(guī)定了SMA的粗集料骨架間隙率的相應(yīng)控制范圍。但是在PA配合比設(shè)計(jì)時(shí)，尚未提出粗集料骨架間隙率的技術(shù)要求。因此，探究粗集料骨架間隙率對(duì)PA性能的影響，有利于PA配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高PA的耐久性。

圖像處理技術(shù)是獲取瀝青混合料骨架特性信息的方法之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用該方法評(píng)價(jià)了粗集料骨架特性對(duì)密級(jí)配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響[4-10]。但是圖像處理技術(shù)作為一種研究手段，普及度有限，尤其對(duì)于施工單位很難應(yīng)用，因此試驗(yàn)方法仍是評(píng)價(jià)粗集料骨架特性的主要方法。粗集料的形態(tài)特征是通過影響瀝青混合料的均勻性和壓實(shí)特性[11-14]，造成多孔瀝青混合料路用性能的差異，為此有學(xué)者采用貝雷法和粗集料空隙填充法對(duì)多孔瀝青混合料的礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得良好的骨架空隙結(jié)構(gòu)[15-16]。此外，針片狀顆粒含量作為影響粗集料骨架特性的關(guān)鍵因素之一，有學(xué)者具體分析了粗集料針片狀含量對(duì)多孔瀝青混合料路用性能的影響[17-20]。

由上述可知，關(guān)于粗集料骨架特性的研究，目前主要關(guān)注密級(jí)配瀝青路面。PA的粗集料骨架特性引起了行業(yè)的關(guān)注，有學(xué)者從優(yōu)化骨架空隙結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了PA礦料級(jí)配的改進(jìn)方法，也研究了針片狀顆粒含量對(duì)PA路用性能的影響。但是粗集料骨架特性與PA路用性能的直接關(guān)聯(lián)性研究，目前仍較少?；诖耍疚尼槍?duì)現(xiàn)有骨架間隙率測(cè)試方法的缺陷，提出了粗集料骨架間隙率的優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分析了粗集料骨架特性對(duì)PA體積指標(biāo)和路用性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 粗集料骨架間隙率評(píng)價(jià)方法

《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中“T 0309-2005粗集料堆積密度及空隙率試驗(yàn)”規(guī)定了瀝青混合料粗集料骨架間隙率的測(cè)試方法，本文稱之為規(guī)范法。該方法的關(guān)鍵操作之一為容量筒的填滿，即用合適的集料填充表面大空隙，再用直尺大體刮平，目測(cè)估計(jì)表面凸起部分與凹陷部分的容積大致相等。但是實(shí)際操作時(shí)由于人為因素導(dǎo)致容量筒的填滿標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一，因此粗集料骨架間隙率的計(jì)算結(jié)果誤差較大。

鑒于此問題，本文提出在粗集料大致與容量筒上沿齊平之后，通過注水的方式實(shí)現(xiàn)容量筒的填滿，以此減小操作誤差，提高粗集料骨架間隙率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本文稱之為改進(jìn)法，具體操作步驟如下所述：

a.稱取容量筒的質(zhì)量m1。

b.按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中“T 0301-2005 粗集料取樣法”取樣、縮分，質(zhì)量應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，在(105±5)℃的烘箱中烘干，也可以攤在清潔的地面上風(fēng)干，拌勻后分成2份備用。

c.按搗實(shí)法的標(biāo)準(zhǔn)用粗集料將容量筒填充飽滿，稱取容量筒與粗集料的總質(zhì)量m2。

d.向容量筒內(nèi)緩緩注水，直至液面與容量筒口大致平齊，靜置一段時(shí)間使粗集料開口孔隙充分吸水；再次向容量筒內(nèi)注水，使液面與容量筒口恰好平齊，擦干筒外壁的水分，稱取容量筒、粗集料和水的總質(zhì)量m3。

e.僅用水裝滿容量筒，測(cè)量水溫，擦干筒外壁的水分，稱取容量筒與水的總質(zhì)量mw。

粗集料骨架間隙率按照式(1)計(jì)算。

(1)

式中：VCADRC為搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率；ωx為粗集料吸水率。

1.2 試驗(yàn)方案

將規(guī)范法計(jì)算得到的骨架間隙率記為VCA1，改進(jìn)法計(jì)算得到的骨架間隙率記為VCA2。以PA作為研究對(duì)象，具體試驗(yàn)方案如下所述。

a.以13.2、9.5、6.3、4.75 mm作為粗集料關(guān)鍵篩孔，固定4.75 mm,及以下篩孔集料的通過率，通過改變關(guān)鍵篩孔的通過率，對(duì)比分析VCA1和VCA2的規(guī)律性。各篩孔細(xì)集料的通過率如表1所示。選取13.2 mm篩孔的質(zhì)量通過率(通過13.2 mm篩孔的礦料質(zhì)量占全部礦料的百分比，計(jì)作P13.2，下同)、9.5 mm篩孔的質(zhì)量通過率(P9.5)、6.3和4.75 mm篩孔的質(zhì)量通過率之差(Pδ)作為影響因素，每個(gè)因素選取9個(gè)水平，采用均勻設(shè)計(jì)U9(93)試驗(yàn)方案，不同試驗(yàn)方案下各影響因素的具體水平如表2所示。

表1 各篩孔細(xì)集料的質(zhì)量通過率Table 1 Quality passing percent of fine aggregate through each sieve hole不同篩孔(mm)質(zhì)量通過率/%4.752.361.180.60.30.150.075191715118.575

表2 U9(93)試驗(yàn)方案下各影響因素的具體水平Table 2 Specific levels of each influencing factor for U9(93) test scheme試驗(yàn)編號(hào)不同影響因素下的質(zhì)量通過率/%P13.2P9.5Pδ149.943.26.71263.637.215.2371.970.431.4478.150.21.73583.364.522.7687.777.455.2791.736.16.66895.288.611.6998.568.635.8

b.選取13.2 mm篩孔質(zhì)量通過率(P13.2)、9.5 mm篩孔質(zhì)量通過率(P9.5)、6.3 mm篩孔的質(zhì)量通過率(P6.3)作為影響因素，每個(gè)因素選取8個(gè)水平，采用均勻設(shè)計(jì)U8(83)試驗(yàn)方案，分析粗集料骨架間隙率對(duì)PA體積指標(biāo)和路用性能影響。不同試驗(yàn)方案下各影響因素具體水平如表3所示。

表3 U8(83)試驗(yàn)方案下各影響因素的具體水平Table 3 Specific levels of each influencing factor for U8(83) test scheme試驗(yàn)編號(hào)不同影響因素下的質(zhì)量通過率/%P13.2P9.5P6.3197.060.540.3293.974.734.2390.943.328.1487.957.522.0584.853.443.3681.867.637.2778.736.231.2875.750.425.1

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨架間隙率評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

對(duì)于PA，起骨架作用的主要是4.75 mm以上的粗集料。采用均勻設(shè)計(jì)U9(93)試驗(yàn)方案，分別將13.2～16、9.5～13.2、6.3～9.5、4.75～6.3 mm單粒徑集料按照不同的比例進(jìn)行摻配，形成具有不同級(jí)配的粗集料。不同級(jí)配粗集料下骨架間隙率測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 U9(93)試驗(yàn)方案下骨架間隙率Table 4 Voids of coarse aggregate for U9(93) test scheme試驗(yàn)編號(hào)不同計(jì)算方法下的骨架間隙率/%VCA1VCA2139.7142.97239.7342.37339.9942.63440.1942.72540.0542.58640.7343.27738.9541.37839.2841.8939.7142.97

由表4可知，通過對(duì)比規(guī)范法和改進(jìn)法計(jì)算得到的粗集料骨架間隙率，發(fā)現(xiàn)不同級(jí)配的粗集料改進(jìn)法VCA2比規(guī)范法VCA1要大2%～3%，存在一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差。骨架間隙率是粗集料顆粒之間相互接觸狀態(tài)的表征指標(biāo)，瀝青混合料中不同粒徑的粗集料顆粒之間搭配越理想、嵌擠作用越強(qiáng)，粗集料的骨架穩(wěn)定性就越好。一般要求瀝青混合料中粗集料骨架間隙率VCAmix小于粗集料搗實(shí)狀態(tài)下的骨架間隙率VCADRC，以免粗集料骨架被細(xì)集料干涉、撐開。改進(jìn)法VCA2大于規(guī)范法VCA1，表明實(shí)際情況下PA具有更大的骨架間隙率容許值，這為PA級(jí)配設(shè)計(jì)提供了更充足的調(diào)整空間。

以骨架間隙率VCA1、VCA2為因變量，關(guān)鍵篩孔通過率P13.2、P9.5、Pδ為自變量，采用多元線性回歸的方式得到式(2)、式(3)。

VCA1=0.067 6P13.2+0.012 4P9.5-

0.018 4Pδ+32.87，(R2=0.91)

(2)

VCA2=0.052 4P13.2+0.002 6P9.5-

0.018 0Pδ+37.90，(R2=0.88)

(3)

由式(2)、 式(3)可知，骨架間隙率與P13.2、P9.5呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即增大13.2 mm和9.5 mm篩孔的通過率可以提高粗集料的骨架間隙率，但是P9.5對(duì)骨架間隙率的影響較小，P13.2對(duì)骨架間隙率的提高起主導(dǎo)作用。骨架間隙率與Pδ呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即增加6.3 mm與4.75 mm之間的顆粒含量將會(huì)導(dǎo)致骨架間隙率的減小。

2.2 骨架間隙率對(duì)多孔瀝青混合料性能的影響

考慮到PA常用級(jí)配范圍和減小離析等施工因素，進(jìn)一步縮小粗集料的級(jí)配變化范圍，采用均勻設(shè)計(jì)U8(83)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。按照表3所示的級(jí)配混合各檔粒徑粗集料，分別測(cè)試粗集料混合物的VCA1和VCA2,如表5所示。由表5可得到與表4同樣的結(jié)論，即不同級(jí)配的粗集料改進(jìn)法VCA2比規(guī)范法VCA1要大2%～3%，存在一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差。

表5 U8(83)試驗(yàn)方案下粗集料骨架間隙率Table 5 Voids of coarse aggregate for U8(83) test scheme試驗(yàn)編號(hào)不同計(jì)算方法下的骨架間隙率/%VCA1VCA2139.743.0239.742.4340.042.6440.242.7540.042.6640.743.3739.041.4839.341.8

高黏度瀝青由70號(hào)基質(zhì)瀝青與高黏度改性劑按照88∶12的比例復(fù)合改性而成。為了減少影響PA各項(xiàng)性能指標(biāo)的因素個(gè)數(shù)，將各檔細(xì)集料的質(zhì)量通過率設(shè)定為固定值，同時(shí)油石比固定為4.5%，僅考慮粗集料級(jí)配組成的影響。按照表1和表3所示的礦料級(jí)配拌制PA，開展骨架間隙率對(duì)PA體積指標(biāo)和路用性能的影響研究。

2.2.1骨架間隙率對(duì)混合料體積指標(biāo)的影響

分別測(cè)試不同粗集料級(jí)配條件下PA的空隙率VV、礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA。繪制VCA1、VCA2與VV、VMA、VFA的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 VCA1與VV、VMA、VFA的關(guān)系

圖2 VCA2與VV、VMA、VFA的關(guān)系

由圖1、圖2可知，粗集料骨架間隙率與VV、VMA呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與VFA呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。本文將細(xì)集料通過率設(shè)定為固定值，即細(xì)集料對(duì)不同級(jí)配的粗集料所起的填充作用是相似的。粗集料級(jí)配越粗，尤其是增大6.3～9.5 mm粗集料用量時(shí)，粗集料骨架間隙率整體上越大，同時(shí)PA的最佳油石比整體上越小。由于本文將油石比設(shè)定為固定值，多余的瀝青將與細(xì)集料形成瀝青砂漿充斥于粗集料骨架之間，導(dǎo)致PA的VV和VMA減小，引起PA的VFA增大。VV的減少將削弱PA的排水降噪等功能性指標(biāo)，而VMA的減少和VFA的增大將對(duì)PA的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響最為顯著。

VV、VMA和VFA均是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)重要的體積指標(biāo)，根據(jù)粗集料骨架間隙率與各項(xiàng)體積指標(biāo)之間的線性相關(guān)關(guān)系，合理控制PA的級(jí)配范圍，有利于提高PA結(jié)構(gòu)與功能的雙重耐久性。

2.2.2骨架間隙率對(duì)混合料路用性能的影響

分別測(cè)試不同粗集料級(jí)配條件下PA的馬歇爾穩(wěn)定度、飛散損失、動(dòng)穩(wěn)定度和滲透系數(shù)，繪制VCA1、VCA2與各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的關(guān)系如圖3～圖6所示。

圖3 VCA1、VCA2與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系

圖4 VCA1、VCA2與飛散損失的關(guān)系

圖5 VCA1、VCA2與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

圖6 VCA1、VCA2與滲透系數(shù)的關(guān)系

由圖3～圖6可知，不同粗集料級(jí)配條件下PA的路用性能具有較大的變化，不同級(jí)配粗集料的VCA1、VCA2的變化幅度在2%以內(nèi)，但是PA各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的變化幅度均在30%以上，尤其是飛散損失、動(dòng)穩(wěn)定度和滲透系數(shù)的變化幅度均在50%以上。整體上馬歇爾穩(wěn)定度分布在6～8 kN之間，飛散損失分布在10%～15%之間，動(dòng)穩(wěn)定度分布在6 000～10 000次/mm之間，滲透系數(shù)分布在0.15～0.25 cm/s之間。

通過觀察各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，隨著粗集料骨架間隙率的增大，各項(xiàng)路用性能指標(biāo)整體上隨之減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，但是相關(guān)系數(shù)不大。原因主要在于各項(xiàng)路用性能指標(biāo)隨骨架間隙率變化的波動(dòng)性較大，對(duì)骨架間隙率的敏感性較高，骨架間隙率的輕微變化會(huì)引起各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的顯著起伏。因此從PA施工質(zhì)量控制的角度考慮，應(yīng)控制粗集料骨架間隙率的穩(wěn)定性。

此外，通過對(duì)比VCA1、VCA2與各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的相關(guān)性可知，粗集料骨架間隙率與飛散損失、動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)系數(shù)較小，很難建立相互之間的定量關(guān)系。相比之下，粗集料骨架間隙率與馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)更大，并且VCA2與馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)要大于VCA1，這與粗集料骨架間隙率和馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)同為體積參數(shù)的本質(zhì)相符合，同時(shí)也驗(yàn)證了改進(jìn)法VCA2相比規(guī)范法VCA1具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

綜上所述，雖然未能建立PA性能指標(biāo)與粗集料骨架間隙率之間的定量關(guān)系，但是試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持4.75 mm和以下篩孔集料的級(jí)配完全相同時(shí)，粗集料的骨架特性對(duì)PA性能具有顯著影響。因此，在PA配合比設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮目標(biāo)空隙率，也要考慮粗集料的級(jí)配組成和骨架特性，使PA的性能更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

a.采用改進(jìn)法測(cè)試得到的粗集料骨架間隙率比規(guī)范法大2%～3%，并且增大13.2 mm集料的通過率、減小6.3和4.75 mm集料的通過率之差，有利于提高骨架間隙率，而9.5 mm集料的通過率對(duì)骨架間隙率的影響較小。

b.多孔瀝青混合料性能受到粗集料骨架間隙率的顯著影響，骨架間隙率的小幅變化會(huì)引起各項(xiàng)性能指標(biāo)的明顯起伏。在多孔瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)階段應(yīng)關(guān)注粗集料的級(jí)配組成和骨架特性，以提高多孔瀝青混合料的性能穩(wěn)定性。

c.瀝青用量較大時(shí)，多余的瀝青與細(xì)集料形成瀝青砂漿填充于粗集料骨架之間，一定程度上導(dǎo)致多孔瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率減少，瀝青飽和度增大。建議后續(xù)開展最佳油石比下不同級(jí)配粗集料的骨架間隙率與多孔瀝青混合料性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性研究，以便更加客觀地建立相互之間的定量關(guān)系。