破碎砾石沥青混合料物理指标与油石比的关系研究

李健

摘要：文章采用S型级配曲线设计方法设计了三种不同级配的AC-16破碎砾石沥青混合料C型、F-1型、F-2型，并采用五个油石比（4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%），分别成型标准马歇尔试件，通过回归分析的方法，对三种不同级配破碎砾石沥青混合料的物理指标与油石比之间的关系进行了研究。结果表明：破碎砾石沥青混合料各物理指标与油石比的关系非常密切，存在显著的相关性;同时通过对各物理指标对油石比变化的敏感性分析给出了工程推荐级配，并总结了采用推荐级配时各物理指标与油石比的回归关系式及相关系数。

关键词：破碎砾石;沥青混合料;物理指标;油石比;试验研究

中图分类号：U414 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.002

文章编号：1673-4874（2019）08-0005-04

0引言

近年来，随着我国公路网规模的逐渐扩大，公路基础设施建设中中性石料的使用量越来越多，造成了山石的大量开采，山体稳定性受到严重影响，致使山体崩塌、泥石流等自然灾害频发，且中性石料储量日益减少。为适应我国公路建设发展的需要，同时做到人与环境的协调发展，今后的公路建设中不得不越来越多地使用破碎砾石作为沥青混合料的粗集料。而在我国某些偏远山区，由于其特殊的环境、地理及气候条件，砾石资源非常丰富嘲。

国内外道路工作者一般仅对破碎砾石在沥青面层的应用或其加工工艺进行研究，何连明等对破碎砾石的加工工艺及路用性能进行了探讨，陈锦对破碎砾石在沥青面层中的应用进行了研究，都未针对破碎砾石沥青混合料的物理指标与油石比的关系进行详细的分析研究。

所以，研究破碎砾石沥青混合料物理指标与油石比的关系，并提出工程推荐级配，不但对工程实践有着重要的指导意义，还将对降低工程造价、促进环境保护及减少自然灾害有着重要的现实意义。

1试验材料

1.1沥青

试验采用SK-90#基质沥青，主要技术指标见下页表1。

1.2集料与填料

试验采用的粗集料为取自四川的破碎砾石，相关检测数据见表2、表3，细集料为机制砂，填料为石灰岩矿粉。

由表2、表3可知，破碎砾石SiO2含量约为95.67%，属于酸性石料;所含主要矿物成分为石英，属石英粉砂岩。

试验采用粗集料、细集料的主要技术指标见表4、表5。

试验采用的矿粉为石灰岩磨制而成，主要技术指标见表6。

2混合料试验

试验采用规范推荐的S型级配曲线设计方法，设计了三种不同级配的AC-16破碎砾石沥青混合料C型、F-1型、F-2型，采用五个油石比4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%分别成型标准马歇尔试件，对破碎砾石沥青混合料各物理指标与其油石比的关系进行了线1生回归分析。

三种级配的混合料级配组成见表7。

2.1毛体积相对密度与油石比的关系研究

压实沥青混合料的实测毛体积相对密度（Tf）是沥青混合料配合比设计及沥青路面质量控制的一个非常重要的指标，直接影响着沥青混合料的空隙率（W）、矿料间隙率（VM_A）、沥青饱和度（VFA）以及路面现场的压实度等嘲。

破碎砾石沥青混合料毛体积相对密度与油石比之间的回归关系见图2。

由图2可知，破碎砾石沥青混合料毛体积相对密度與油石比两个因素之间具有显著的相关性，其相关系数>0.90，关系十分密切。当油石比在4.0～6.0范围内变化时，油石比越大，毛体积相对密度也越大，基本呈直线变化;油石比一定时，级配越细，毛体积相对密度越大;采用级配“AC-16F2型”时，由其回归关系式可知，油石比每增加1%，毛体积相对密度增加0.03%。

另外，较细级配的回归直线的斜率小于较粗级配的回归直线的斜率，表明较细级配的破碎砾石沥青混合料其毛体积相对密度对油石比变化的敏感性较低。

2.2体积指标与油石比的关系研究

沥青混合料的体积指标是路面配合比设计必须考虑的重要影响因素，主要包括空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）和有效沥青含量（Phe）。

2.2.1空隙率与油石比的关系研究

国内外研究表明，沥青混凝土路面的强度、耐久性、高温稳定性和透水性在较大程度上受空隙率的影响，空隙率偏大或偏小与沥青路面使用性能的好坏有直接关系，而沥青用量或油石比又直接影响空隙率。

破碎砾石沥青混合料空隙率与油石比之间的回归关系见图3。

图3表明，破碎砾石沥青混合料空隙率与油石比两个因素之间存在显著的相关性，其相关系数>0.91，关系十分密切。当油石比在4.0%～6.0%范围内变化时，油石比越大，空隙率越小，基本呈直线变化;油石比一定时，级配越细，空隙率越小;采用级配“AC-16F2型”时，由其回归关系式可知，油石比每增加1%，空隙率减小2.36%。

另外，较细级配的回归直线的斜率绝对值小于较粗级配的回归直线的斜率绝对值，表明较细级配的破碎砾石沥青混合料其空隙率对油石比变化的敏感性较低。引起这一变化规律的原因可能是较细级配的混合料其比表面积较大。

2.2.2矿料间隙率与油石比的关系研究

沥青混合料矿料间隙率的计算因子包括试件的毛体积相对密度、矿料的合成毛体积相对密度和各种矿料占沥青混合料总质量的百分数。

破碎砾石沥青混合料矿料间隙率与油石比之间的回归关系见下页图4。

图4表明，破碎砾石沥青混合料矿料间隙率与油石比两个因素之间具有显著的相关性，其相关系数约>0.8，关系十分密切。当油石比处于4.0%～5.0%范围内时，油石比越大矿料间隙率越小，且递减速率越来越慢;当油石比在5.0%～6.0%范围内变化时，油石比越大，矿料间隙率越大。导致这一变化规律的原因可能是随着沥青用量的不断增大，沥青慢慢撑开了矿料的骨架。油石比一定时，级配越细，矿料间隙率越小。

另外，较细级配的回归曲线二次幂的系数小于较粗级配的回归曲线二次幂的系数，表明较细级配的破碎砾石沥青混合料其矿料间隙率对油石比变化的敏感性较低。

2.2.3沥青饱和度与油石比的关系研究

沥青饱和度是指压实沥青混合料中沥青的体积占除矿料骨架之外的空隙部分的体积的百分数。表征了沥青混合料中沥青的含量高低，若饱和度过高将会导致混合料产生离析等现象。

破碎砾石沥青混合料沥青饱和度与油石比的回归关系见图5。

图5表明，破碎砾石沥青混合料沥青饱和度与油石比两个因素之间具有显著的相关性，其相关系数>0.9，关系十分密切。当油石比在4.0%～6.0%范围内变化时，油石比越大，沥青饱和度越大，基本呈直线变化;油石比一定时，级配越细，沥青饱和度越大;采用级配“AC-16F2型”时，由其回归关系式可知，油石比每增加1%，沥青饱和度增加13.9%。

2.2.4有效沥青含量与油石比的关系研究

在沥青混合料中真正参与形成强度的沥青用量称为有效沥青含量。矿料孔隙吸收的沥青结合料在沥青混合料强度的形成过程中未发挥作用，若配合比计算时未充分考虑这一影响因素，将间接影响混合料的各项路用性能。

破碎砾石沥青混合料有效沥青含量与油石比的回归关系见图6。

图6表明，破碎砾石沥青混合料有效沥青含量与油石比两个因素之间具有显著的相关性，当油石比在4.0%～6.0%范围内变化时，油石比越大，其有效沥青含量也越大，基本呈直线变化，其回归直线的相关系数为1。不同级配混合料的有效沥青含量与油石比的回归关系曲线接近重叠，可以得出破碎砾石沥青混合料级配的粗细对有效沥青含量的高低影响不大。

2.3吸水率与油石比的关系研究

试件吸收水分的体积除以沥青混合料的毛体积即为沥青混合料试件的吸水率，以百分数表示。破碎砾石沥青混合料吸水率与油石比的回归关系见图7。

由图7可知，破碎砾石沥青混合料吸水率与油石比两个因素之间具有显著的相关性，关系十分密切。油石比在4.0%～6.0%范围内变化时，油石比越大，吸水率越小，基本呈直線变化;油石比一定时，级配越细，吸水率越小;采用级配“AC-16F2型”时，由其回归关系式可知，油石比每增加1%，吸水率减小0.18%。

另外，较细级配的回归直线的斜率绝对值小于较粗级配的回归直线的斜率绝对值，表明较细级配的破碎砾石沥青混合料其吸水率对油石比变化的敏感性较低。

以上研究表明，较细级配的破碎砾石沥青混合料其毛体积相对密度（yf）、矿料间隙率（VMA）、空隙率（vv）、吸水率（Sa）等对油石比变化的敏感性较低，因此将级配“AC-16F2”作为工程推荐级配，其物理指标与油石比的关系详见表8。

3结语

（1）破碎砾石沥青混合料毛体积相对密度（yf）、沥青饱和度（VFA）、有效沥青含量（Pbe）、空隙率（VV）、吸水率（sa）和矿料间隙率（VMA）等物理指标与油石比之间存在显著的相关性，关系十分密切。油石比在4.0～6.0范围内变化时，油石比越大，毛体积相对密度（yf）、沥青饱和度（VFA）、有效沥青含量（Pbe）越大，空隙率（w）、吸水率（Sa）越小，基本呈直线变化;矿料间隙率（VMA）先减小后增大，基本呈抛物线变化。

（2）鉴于较细级配的破碎砾石沥青混合料其毛体积相对密度（yf）、空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、吸水率（Sa）等对油石比变化的敏感性较低这一规律，将级配“AC-16F2”作为工程推荐级配。

（3）本文仅对AC-16型破碎砾石沥青混合料进行了研究，还可对SMA、OGFC等类型的沥青混合料进一步研究。