粗集料骨架间隙率对多孔沥青混合料性能的影响

2022-04-04陆海珠李明亮李英涛

公路工程 2022年1期

李俊,陆海珠,李明亮,李英涛

(1. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2. 江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏南京 211100)

0 引言

粗集料骨架接触状态对沥青混合料的性能影响显著，骨架间隙太小导致沥青混合料难以压实，且易出现集料压碎现象；骨架间隙过大则会对沥青混合料的稳定性产生不利影响，因此沥青混合料需要获取足够的骨架嵌挤力[1-2]。沥青玛蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt Mixture， SMA)和多孔沥青混合料(Porous Asphalt Mixture， PA)是典型的骨架型混合料，并且PA的粗集料用量达到80%以上，细集料用量相对较少，形成了典型的骨架空隙结构，对粗集料骨架稳定性的要求更高[3]。我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中，规定了SMA的粗集料骨架间隙率的相应控制范围。但是在PA配合比设计时，尚未提出粗集料骨架间隙率的技术要求。因此，探究粗集料骨架间隙率对PA性能的影响，有利于PA配合比优化设计，提高PA的耐久性。

图像处理技术是获取沥青混合料骨架特性信息的方法之一，国内外众多学者采用该方法评价了粗集料骨架特性对密级配沥青混合料高温稳定性的影响[4-10]。但是图像处理技术作为一种研究手段，普及度有限，尤其对于施工单位很难应用，因此试验方法仍是评价粗集料骨架特性的主要方法。粗集料的形态特征是通过影响沥青混合料的均匀性和压实特性[11-14]，造成多孔沥青混合料路用性能的差异，为此有学者采用贝雷法和粗集料空隙填充法对多孔沥青混合料的矿料级配进行优化设计，以期获得良好的骨架空隙结构[15-16]。此外，针片状颗粒含量作为影响粗集料骨架特性的关键因素之一，有学者具体分析了粗集料针片状含量对多孔沥青混合料路用性能的影响[17-20]。

由上述可知，关于粗集料骨架特性的研究，目前主要关注密级配沥青路面。PA的粗集料骨架特性引起了行业的关注，有学者从优化骨架空隙结构的角度出发，提出了PA矿料级配的改进方法，也研究了针片状颗粒含量对PA路用性能的影响。但是粗集料骨架特性与PA路用性能的直接关联性研究，目前仍较少。基于此，本文针对现有骨架间隙率测试方法的缺陷，提出了粗集料骨架间隙率的优化评价指标，并分析了粗集料骨架特性对PA体积指标和路用性能的影响。

1 试验设计

1.1 粗集料骨架间隙率评价方法

《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中“T 0309-2005粗集料堆积密度及空隙率试验”规定了沥青混合料粗集料骨架间隙率的测试方法，本文称之为规范法。该方法的关键操作之一为容量筒的填满，即用合适的集料填充表面大空隙，再用直尺大体刮平，目测估计表面凸起部分与凹陷部分的容积大致相等。但是实际操作时由于人为因素导致容量筒的填满标准很难统一，因此粗集料骨架间隙率的计算结果误差较大。

鉴于此问题，本文提出在粗集料大致与容量筒上沿齐平之后，通过注水的方式实现容量筒的填满，以此减小操作误差，提高粗集料骨架间隙率的准确性和稳定性。本文称之为改进法，具体操作步骤如下所述：

a.称取容量筒的质量m1。

b.按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中“T 0301-2005 粗集料取样法”取样、缩分，质量应满足试验要求，在(105±5)℃的烘箱中烘干，也可以摊在清洁的地面上风干，拌匀后分成2份备用。

c.按捣实法的标准用粗集料将容量筒填充饱满，称取容量筒与粗集料的总质量m2。

d.向容量筒内缓缓注水，直至液面与容量筒口大致平齐，静置一段时间使粗集料开口孔隙充分吸水；再次向容量筒内注水，使液面与容量筒口恰好平齐，擦干筒外壁的水分，称取容量筒、粗集料和水的总质量m3。

e.仅用水装满容量筒，测量水温，擦干筒外壁的水分，称取容量筒与水的总质量mw。

粗集料骨架间隙率按照式(1)计算。

(1)

式中：VCADRC为捣实状态下粗集料骨架间隙率；ωx为粗集料吸水率。

1.2 试验方案

将规范法计算得到的骨架间隙率记为VCA1，改进法计算得到的骨架间隙率记为VCA2。以PA作为研究对象，具体试验方案如下所述。

a.以13.2、9.5、6.3、4.75 mm作为粗集料关键筛孔，固定4.75 mm,及以下筛孔集料的通过率，通过改变关键筛孔的通过率，对比分析VCA1和VCA2的规律性。各筛孔细集料的通过率如表1所示。选取13.2 mm筛孔的质量通过率(通过13.2 mm筛孔的矿料质量占全部矿料的百分比，计作P13.2，下同)、9.5 mm筛孔的质量通过率(P9.5)、6.3和4.75 mm筛孔的质量通过率之差(Pδ)作为影响因素，每个因素选取9个水平，采用均匀设计U9(93)试验方案，不同试验方案下各影响因素的具体水平如表2所示。

表1 各筛孔细集料的质量通过率Table 1 Quality passing percent of fine aggregate through each sieve hole不同筛孔(mm)质量通过率/%4.752.361.180.60.30.150.075191715118.575

表2 U9(93)试验方案下各影响因素的具体水平Table 2 Specific levels of each influencing factor for U9(93) test scheme试验编号不同影响因素下的质量通过率/%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.选取13.2 mm筛孔质量通过率(P13.2)、9.5 mm筛孔质量通过率(P9.5)、6.3 mm筛孔的质量通过率(P6.3)作为影响因素，每个因素选取8个水平，采用均匀设计U8(83)试验方案，分析粗集料骨架间隙率对PA体积指标和路用性能影响。不同试验方案下各影响因素具体水平如表3所示。

表3 U8(83)试验方案下各影响因素的具体水平Table 3 Specific levels of each influencing factor for U8(83) test scheme试验编号不同影响因素下的质量通过率/%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 试验结果与分析

2.1 骨架间隙率评价指标对比

对于PA，起骨架作用的主要是4.75 mm以上的粗集料。采用均匀设计U9(93)试验方案，分别将13.2～16、9.5～13.2、6.3～9.5、4.75～6.3 mm单粒径集料按照不同的比例进行掺配，形成具有不同级配的粗集料。不同级配粗集料下骨架间隙率测试结果如表4所示。

表4 U9(93)试验方案下骨架间隙率Table 4 Voids of coarse aggregate for U9(93) test scheme试验编号不同计算方法下的骨架间隙率/%VCA1VCA2139.7142.97239.7342.37339.9942.63440.1942.72540.0542.58640.7343.27738.9541.37839.2841.8939.7142.97

由表4可知，通过对比规范法和改进法计算得到的粗集料骨架间隙率，发现不同级配的粗集料改进法VCA2比规范法VCA1要大2%～3%，存在一个稳定的系统偏差。骨架间隙率是粗集料颗粒之间相互接触状态的表征指标，沥青混合料中不同粒径的粗集料颗粒之间搭配越理想、嵌挤作用越强，粗集料的骨架稳定性就越好。一般要求沥青混合料中粗集料骨架间隙率VCAmix小于粗集料捣实状态下的骨架间隙率VCADRC，以免粗集料骨架被细集料干涉、撑开。改进法VCA2大于规范法VCA1，表明实际情况下PA具有更大的骨架间隙率容许值，这为PA级配设计提供了更充足的调整空间。

以骨架间隙率VCA1、VCA2为因变量，关键筛孔通过率P13.2、P9.5、Pδ为自变量，采用多元线性回归的方式得到式(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，骨架间隙率与P13.2、P9.5呈现正相关关系，即增大13.2 mm和9.5 mm筛孔的通过率可以提高粗集料的骨架间隙率，但是P9.5对骨架间隙率的影响较小，P13.2对骨架间隙率的提高起主导作用。骨架间隙率与Pδ呈现负相关关系，即增加6.3 mm与4.75 mm之间的颗粒含量将会导致骨架间隙率的减小。

2.2 骨架间隙率对多孔沥青混合料性能的影响

考虑到PA常用级配范围和减小离析等施工因素，进一步缩小粗集料的级配变化范围，采用均匀设计U8(83)试验方案进行试验设计。按照表3所示的级配混合各档粒径粗集料，分别测试粗集料混合物的VCA1和VCA2,如表5所示。由表5可得到与表4同样的结论，即不同级配的粗集料改进法VCA2比规范法VCA1要大2%～3%，存在一个稳定的系统偏差。

表5 U8(83)试验方案下粗集料骨架间隙率Table 5 Voids of coarse aggregate for U8(83) test scheme试验编号不同计算方法下的骨架间隙率/%VCA1VCA2139.743.0239.742.4340.042.6440.242.7540.042.6640.743.3739.041.4839.341.8

高黏度沥青由70号基质沥青与高黏度改性剂按照88∶12的比例复合改性而成。为了减少影响PA各项性能指标的因素个数，将各档细集料的质量通过率设定为固定值，同时油石比固定为4.5%，仅考虑粗集料级配组成的影响。按照表1和表3所示的矿料级配拌制PA，开展骨架间隙率对PA体积指标和路用性能的影响研究。

2.2.1骨架间隙率对混合料体积指标的影响

分别测试不同粗集料级配条件下PA的空隙率VV、矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA。绘制VCA1、VCA2与VV、VMA、VFA的关系如图1和图2所示。

图1 VCA1与VV、VMA、VFA的关系

图2 VCA2与VV、VMA、VFA的关系

由图1、图2可知，粗集料骨架间隙率与VV、VMA呈现负相关的关系，与VFA呈现正相关的关系。本文将细集料通过率设定为固定值，即细集料对不同级配的粗集料所起的填充作用是相似的。粗集料级配越粗，尤其是增大6.3～9.5 mm粗集料用量时，粗集料骨架间隙率整体上越大，同时PA的最佳油石比整体上越小。由于本文将油石比设定为固定值，多余的沥青将与细集料形成沥青砂浆充斥于粗集料骨架之间，导致PA的VV和VMA减小，引起PA的VFA增大。VV的减少将削弱PA的排水降噪等功能性指标，而VMA的减少和VFA的增大将对PA的结构稳定性产生不利影响，对高温稳定性的影响最为显著。

VV、VMA和VFA均是沥青混合料配合比设计时重要的体积指标，根据粗集料骨架间隙率与各项体积指标之间的线性相关关系，合理控制PA的级配范围，有利于提高PA结构与功能的双重耐久性。

2.2.2骨架间隙率对混合料路用性能的影响

分别测试不同粗集料级配条件下PA的马歇尔稳定度、飞散损失、动稳定度和渗透系数，绘制VCA1、VCA2与各项路用性能指标的关系如图3～图6所示。

图3 VCA1、VCA2与马歇尔稳定度的关系

图4 VCA1、VCA2与飞散损失的关系

图5 VCA1、VCA2与动稳定度的关系

图6 VCA1、VCA2与渗透系数的关系

由图3～图6可知，不同粗集料级配条件下PA的路用性能具有较大的变化，不同级配粗集料的VCA1、VCA2的变化幅度在2%以内，但是PA各项路用性能指标的变化幅度均在30%以上，尤其是飞散损失、动稳定度和渗透系数的变化幅度均在50%以上。整体上马歇尔稳定度分布在6～8 kN之间，飞散损失分布在10%～15%之间，动稳定度分布在6 000～10 000次/mm之间，渗透系数分布在0.15～0.25 cm/s之间。

通过观察各项路用性能指标的变化趋势发现，随着粗集料骨架间隙率的增大，各项路用性能指标整体上随之减小，呈现负相关性，但是相关系数不大。原因主要在于各项路用性能指标随骨架间隙率变化的波动性较大，对骨架间隙率的敏感性较高，骨架间隙率的轻微变化会引起各项路用性能指标的显著起伏。因此从PA施工质量控制的角度考虑，应控制粗集料骨架间隙率的稳定性。

此外，通过对比VCA1、VCA2与各项路用性能指标的相关性可知，粗集料骨架间隙率与飞散损失、动稳定度的相关系数较小，很难建立相互之间的定量关系。相比之下，粗集料骨架间隙率与马歇尔稳定度、渗透系数的相关系数更大，并且VCA2与马歇尔稳定度、渗透系数的相关系数要大于VCA1，这与粗集料骨架间隙率和马歇尔稳定度、渗透系数同为体积参数的本质相符合，同时也验证了改进法VCA2相比规范法VCA1具有更高的准确性和稳定性。

综上所述，虽然未能建立PA性能指标与粗集料骨架间隙率之间的定量关系，但是试验结果表明，在保持4.75 mm和以下筛孔集料的级配完全相同时，粗集料的骨架特性对PA性能具有显著影响。因此，在PA配合比设计时，不仅要考虑目标空隙率，也要考虑粗集料的级配组成和骨架特性，使PA的性能更加稳定。