空隙率对沥青混合料性能的影响

李艳丽 王 超 白芳舒

(1.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000；2.辽宁省高速公路管理局，辽宁 沈阳 110000； 3.大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连 116000)

·建筑材料及应用·

空隙率对沥青混合料性能的影响

李艳丽1王 超2白芳舒3

(1.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000；2.辽宁省高速公路管理局，辽宁 沈阳 110000； 3.大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连 116000)

简述了沥青混合料空隙率的含义，通过分析空隙率对沥青混合料的强度与劲度、高温稳定性、低温抗裂性、疲劳特性、水稳定性、表面特性六个方面的影响，得出了一些有价值的结论，以供参考。

空隙率，沥青混合料，路用性能，体积组成

随着我国高速公路建设迅猛发展和交通事业服务水平的不断提高，与此同时路面早期病害的产生也有所发展，致使沥青路面的使用性能与寿命低于应有的设计水平。空隙率作为影响沥青混合料各项体积指标中的核心，对沥青混合料性能的影响至关重要。

1 空隙率定义

沥青混合料空隙率是指试件被压实后,其内部除矿料毛体积和有效沥青体积外的间隙(不包括矿料自身内部的孔隙)体积占试件毛体积的百分比。压实沥青混合料的体积组成见图1。

沥青混合料配合比设计的基本思想就是要求在标准压实功的作用下形成嵌挤紧密的矿料间隙。用适宜的沥青填充，留下适当的残留空隙[1]。

空隙率对沥青混合料的强度、劲度、高温稳定性、低温抗裂性、疲劳特性、耐老化性、表面特性都有影响。本文将针对上述六个因素，分析空隙率对沥青混合料性能的影响。

2 空隙率对沥青混合料性能的影响

2.1 空隙率对沥青混合料强度、劲度的影响

沥青混合料的力学强度包含矿质集料颗粒之间的嵌挤力(内摩阻力)、沥青与集料之间的粘结力以及沥青的内聚力三部分。

密级配沥青混合料强度较高，开级配强度则明显降低。也就是说，沥青混合料的强度与其空隙率的大小关系密切，空隙率小则强度高；反之，则强度低。范·德·波尔引入劲度的概念来描述沥青混合料的力学性质：

其中,S(t,T)为荷载作用时间t和温度T条件下沥青混合料的模量，称之为劲度模量，也简称劲度；σ为荷载应力；ε(t,T)为沥青混合料在荷载作用时间t，温度T时的应变。

可见,劲度的表达式是在特定的温度和时间条件下的应力与应变的关系,虽然形式上与弹性胡克定律一样，但它说明了沥青混合料的粘弹性性质，因而得到了广泛认可。

在一定的温度和荷载作用时间下，沥青混合料的劲度模量随密度的增大而增大，换言之，沥青混合料的孔隙率增大，而导致劲度的降低。

彭勇、孙立军[2]通过试验(试件空隙率小于3%)得出空隙率与破坏劲度模量的关系如图2所示。当沥青混合料处于-10 ℃时，其破坏劲度模量随空隙率的增大而降低。空隙率从1.8%增至2.5%，沥青混合料低温(-10 ℃)劈裂破坏劲度模量相应地从2 000 MPa降至1 000 MPa左右，降幅达50%。通过回归分析，空隙率与破坏劲度模量的关系为单调递减。本试验回归系数R2达0.833 9。

2.2 空隙率对沥青混合料高温稳定性的影响

由于交通量的增大，路面车辙日趋严重。在行驶载重汽车的车道，城市道路交叉路口，公共汽车停车站，高速公路收费站等部位，车辙较严重。当车辙造成的路面变形呈轨道状，其将严重影响行车安全，这是因为车槽中的积水会引起水飘；同时车辙加深，使方向盘难以控制，增加行车的危险性。

如上节所述，沥青混合料的劲度模量与温度、荷载作用时间以及荷载的大小有密切关系，其中尤其以温度的影响最大，这是因为沥青的粘度随温度的变化是呈半对数关系。

当温度升高时，沥青粘度下降迅速，从而导致集料颗粒间的粘结力降低，结合料劲度模量减小，荷载作用下的变形增大。高温下沥青混合料的抗流动变形能力是其稳定性的主要研究内容。

在一定范围内，随着空隙率的增大，沥青混合料强度降低。其中，剩余空隙率为3%～5%的密实型沥青混合料强度较高。但当空隙率低于3%，随着温度升高，沥青体积软化膨胀，形成泛油，危及道路安全。

2.3 空隙率对沥青混合料低温抗裂性的影响

当温度降低，沥青面层产生收缩变形，导致沥青内部拉应力增大。当降温速度过快，沥青面层的应力松弛模量增大，应力松弛性能降低，导致沥青面层的应力来不及松弛，出现过大的应力积累。当沥青内部的拉应力大于沥青混合料极限强度，便使路面产生横向裂缝。

菅原照雄[3]对沥青混合料的空隙率、沥青用量以及混合料类型对低温引起温度应力的破坏进行了研究。根据试验结果，他认为空隙率对混合料开裂的温度有一定影响。空隙率越小，破坏的温度应力就越高，破坏的温度也越低。但空隙率变化幅度不大时，这种影响不很明显。

2.4 空隙率对沥青混合料疲劳特性的影响

随着社会发展，交通量日益增多，长期交通荷载反复作用将导致沥青路面产生疲劳破坏。目前，对沥青混合料的疲劳性能研究方法主要有：力学近似法、能耗方法、现象学方法。力学近似法采用断裂力学原理分析疲劳裂缝，运用Paris方程描述裂缝扩展与应力强度因子关系；能耗方法研究累积能耗与疲劳寿命的关系；现象学方法认为沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复强度衰减累积引起的现象。水恩波[4]通过实验得出,SUP16级配混合料疲劳寿命随空隙率的变化曲线如图3所示。试验结果表明，空隙率为7.4%时，疲劳寿命为226 962次。当空隙率增加1%时，疲劳寿命降低50 990次，仅为前者的77.5%；当空隙率增加2%时，疲劳寿命仅为58%。

2.5 空隙率对沥青混合料耐老化性的影响

沥青路面的老化过程一般分为两个阶段，施工过程中的热老化和路面使用过程中的长期老化。沥青混合料抗老化能力不仅与沥青材料、自然气候条件有关，也与混合料的空隙率大小、沥青用量等相关。其中在沥青混合料短期老化过程中，拌合过程的热老化是最为严重的，沥青针入度降低到拌和前的80%～85%；长期老化过程漫长而复杂，当路面针入度减小至35～50(0.1 mm)之间时，路面容易产生开裂，针入度小于25(0.1 mm)时，路面容易产生龟裂，而空隙率是其主要影响因素。

为提高沥青混合料的耐久性，延迟沥青路面的使用寿命，应尽可能采用密室式沥青混合料，降低空隙率，减少阳光、雨水通过空隙侵入混合料内，减轻沥青的氧化和剥落。现有一种多孔性的沥青混合料在高速公路上应用，虽然它的空隙率高达20%左右，但由于集料颗粒表面裹覆着较厚的沥青膜，因而仍能保持长久的使用寿命。另外，在混合料中掺加纤维材料，由于能吸收较多的沥青，而有益于耐久性的改善。

据日本东名高速公路的调查，从路面中收回的沥青其针入度与空隙率有如下关系：

P=-12.6Va+77.3。

其中,P为回收沥青针入度；Va为空隙率。上式的相关系数为0.73。

壳牌公司对用100号沥青所拌制的沥青混合料进行了调查研究，在经历拌合后沥青针入度降为70，铺筑在路面上经过5年，对空隙率3%～12%的不同路段调查发现，回收沥青的针入度与空隙率有很好的关系。其中空隙率在5%以下的在使用中硬化甚微，而空隙率大于9%的，则针入度由70降至25以下。在其他路段的调查同样发现，空隙率小于5%的路段其老化并不严重。

2.6 空隙率对沥青混合料表面特性的影响

沥青混合料的表面特性是指沥青混合料铺筑成路面后，所应具有的抗滑性、吸收噪声和反光特性，而沥青路面的这些性质都与混合料的组成结构所构成的表面宏观构造有密切的关系。

2.6.1 空隙率对抗滑性能的影响

为确保道路交通安全，沥青路面需具有足够的抗滑性。光滑路面表面在雨后形成很厚的水膜，使轮胎与路面之间的摩阻力降低，极易造成行车滑溜引发交通事故。

随着车速的提高，沥青路面的摩阻系数降低。光滑表面的摩阻系数最低，磨光的路面摩阻系数较低。

但并非道路纹理越细，表面摩阻系数越高。低速行驶时，细纹理的表面摩阻系数较高，因为低速行驶时，细纹理表面的构造深度来得及排除表面水，故仍能保持与轮胎有较好的接触；但高速行车时则粗纹理的表面摩阻系数较高，因为高速行驶时，路表面水来不及从高速滚动的车轮下排除，在轮胎与路面表面之间形成一层水膜，以致车轮产生飘滑现象。粗纹理构造提供了较大的通道，使轮胎下的水能迅速排除，从而使轮胎与路面表面保持良好的接触，因而有很好的抗滑性能。

许多国家在高速公路上铺筑高空隙的排水式沥青路面。美国联邦公路管理局从20世纪60年代起就鼓励铺筑这种路面。同传统的沥青路面相比，许多州的交通事故数量明显降低。

2.6.2 空隙率对路面噪声的影响

随着交通运输的迅猛发展，交通噪声污染影响范围扩大，持续时间加长，越来越多的人受到交通噪声污染的困扰。如果噪声持续时间较长，会造成人们注意力不集中、反映迟钝、容易疲劳，影响工作和学习，严重的还会引起人们头昏、血压升高、失眠等病状，危害健康。这类噪声的来源包括汽车发动机震动，进出口排放系统，行进过程中的加、减速及制动时轮胎与路面的摩擦等。为了降低交通噪声，世界各国积极开展研究，发现开级配的低噪声沥青路面能有效降低交通噪声。低噪声沥青路面的主要特点是开级配沥青混合料的高空隙率，不仅具有良好的渗水功能，而且具有良好的吸声特性。王佐明[5]采用正交试验方法来分析在半无限厚材料和厚度d(刚性背衬)材料中,四个结构掺量对材料垂直入射吸声系数α的影响,以及四个掺量之间的交互作用。为了直观了解孔隙率Ω对材料垂直入射吸声系数的影响,在驻波管中对厚度60 mm不同孔隙率的试样进行了吸声系数频响测试。图4表明，低噪声沥青路面比普通密级配沥青路面吸音能力强，其峰值接近0.7。

图5表明，材料垂直入射吸声系数峰值αp与孔隙率Ω之间的关系,两者之间存在拟合公式:αp=0.042Ω-0.053。

2.6.3 空隙率对路面反光特性的影响

调查研究表明，夜间因素为构成交通事故的主要原因。夜间车辆肇事量、肇事程度、驶离道路的情况均大于白天；行人肇事危险性为白天的两倍。由此可见，道路及其环境(尤其是路面因素)对驾驶视觉的影响很大，路面能见度关系到行车安全[6]。

细密的光滑路面是造成路面镜面反射的主要原因，因此多孔性排水式沥青路面能够得到广泛应用。

3 结语

本文针对空隙率对沥青混合料性能的影响，得到以下结论：1)空隙率增高，沥青混合料强度降低、劲度降低；2)空隙率为3%～5%的密实型混合料，高温稳定性较好；3)对于低温抗裂性能：空隙率越小，破坏的温度应力就越高，破坏的温度也越低，但空隙率变化幅度不大时，这种影响很不明显；4)空隙率越大，疲劳寿命降低；5)空隙率越大，老化速度越快；6)多孔性沥青路面的表面特性较好。

[1] 佟军华.论压实沥青混合料的密度、空隙率与压实度问题[J].辽宁省交通高等学院学报,2003(5)：32-33.

[2] 彭 勇，孙立军.空隙率对沥青混合料性能影响[J].武汉理工大学学报,2009(10)：60-61.

[3] [日]菅原照雄.沥青混合料力学性能研究论文集[C].张肖宁，译.1982.

[4] 水恩波.空隙率对SUP16型沥青混合料路用性能的影响[J].科技致富向导，2012(3)：53-55.

[5] 王佐明.低噪声沥青路面声学特性的理论初探[J].同济大学学报，1997(8)：70-72.

[6] Masad E.,Jandhyala V.K., Dasgupta N., et al. Characterization of Air Void Distribution in Asphalt Mixes Using X-ray Computed Tomography[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2002,14(2)：122-129.

The influence of porosity to asphalt mixture performance

Li Yanli1Wang Chao2Bai Fangshu3

(1.PingdingshanHighwaySurveyandDesignInstitute,Pingdingshan467000,China; 2.LiaoningHighwayManagementBureau,Shenyang110000,China; 3.RoadEngineeringInstitute,DalianUniversityofScienceandTechnology,Dalian116000,China)

This paper briefly described the connotation of asphalt mixture porosity, through the analysis on the influence of porosity to the strength and stiffness, high temperature stability, low temperature crack resistance, fatigue characteristics, water stability, surface characteristics six aspects of asphalt mixture, obtained some valuable conclusions, for reference.

porosity, asphalt mixture, pavement performance, volume composition

2015-01-16

李艳丽(1970- ),女，高级工程师； 王 超(1974- ),男，高级工程师； 白芳舒(1990- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)09-0095-03

TU535

A