沥青混合料体积参数影响因素分析

发表时间：2019-04-01　　浏览次数：97

摘 要：研究了马歇尔试验击实次数、短期老化、成型压实方法、成型温度几种试验条件对密级配沥青混合料体积参数的影响。结果表明：击实次数显著影响密级配沥青混合料的体积参数，随着击实次数的增加，马歇尔试件的空隙率和矿料间隙率减小，试件的沥青饱和度增加；沥青混合料老化后的体积指标变化规律与老化前一致，随着沥青混合料成型温度降低或老化，沥青混合料的矿料间隙率和空隙率增大，沥青饱和度减小，增加了沥青混合料水损坏的可能性。

关键词：道路工程；体积参数；短期老化；成型方法

目前，马歇尔设计法和Surperpave设计法是中国沥青混合料配合比设计的主要方法中国沥青网sinoasphalt.com。马歇尔设计方法采用击实成型，Surperpave设计方法则采用搓揉压实成型。成型方法不同，试件的密实度不同，继而使得最佳油石比发生变化，其中体积参数是影响混合料最佳油石比的关键指标之一［1-4］。

张爱芳等研究了成型方法对沥青混合料体积参数及路用性能的影响，指出通过旋转压实获得的沥青混合料试件的空隙率、间隙率大于马歇尔击实试件，而沥青饱和度小于马歇尔击实试件。鲁正兰等在不同击实温度条件下，通过对SMA-13、SUP-13、AC-13混合料和温拌橡胶沥青混合料进行马歇尔试验得出：随着击实温度的降低，沥青混合料矿料间隙率、空隙率以及流值增大，而沥青饱和度及稳定度减小［5］。杨燕涛等比较了沥青混合料旋转压实法与传统马歇尔击实法对试件密度、力学性能及路用性能的影响，指出旋转压实法较马歇尔法能更好地模拟车轮荷载作用，具有更优的力学性能和路用性能［6］。

2011年新颁布的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对沥青混合料试件密度的测试方法、体积参数计算方法进行了补充完善，引入了有效相对密度、有效沥青用量、有效沥青体积率等概念，沥青混合料由原来的三相体积计算体系转变为新的四相体积计算体系。故本文基于现行的试验规程和规范［7-11］，通过理论分析、公式计算和试验验证，分析影响AC类密级配沥青混合料体积参数的因素，为混合料设计和施工提供参考。

试验采用玄武岩集料成型的AC-16C沥青混合料，采用最佳油石比进行马歇尔击实试验，在相同击实温度时，选择击实次数分别为40、50、60、75、90、100次，研究不同击实次数对沥青混合料体积参数的影响［12-15］。同时，为了分析现场路面混合料从出料到摊铺过程中受沥青老化的影响，对AC-16C沥青混合料进行短期老化处理，对比老化前后沥青混合料体积指标的变化情况［16］。老化处理的程序为：将拌和好的沥青混合料置于温度为135℃的烘箱中保温2h，然后升温至击实温度进行马氏击实试验，进而测算其体积指标。击实试验试件的各相关指标与击实次数的关系如图1、2所示。从图1、2可以看出，随击实次数的增加，空隙率呈线性减小，当击实次数超过90次，空隙率基本无变化，且当击实次数从90次增加到100次时，试件表面碎石显著增多，说明ＡＣ密级配类沥青混合料马歇尔击实次数宜小于90次。击实次数从75次增加到90次时，老化前沥青混合料空隙率从4.48%降为3.64%，空隙率降幅为18.8%；老化后空隙率从6.73%降为6.06%，降幅为10.0%。因此，要保持相同的设计空隙率，沥青混合料无论是否老化，马歇尔击实次数高的沥青混合料的设计油石比较击实次数低的混合料低。

对比老化前后沥青混合料体积参数随击实次数的变化曲线可知：老化前后混合料的体积参数随击实次数的变化规律一致，说明击实次数对混合料体积参数的影响不随老化而改变；但老化后沥青混合料的试件高度大于老化前的高度，老化后沥青混合料的空隙率大于老化前沥青混合料的空隙率。这是因为：当油石比一定时，在高温环境下，集料吸入了部分沥青，使试件空隙率增大，试件的毛体积相对密度减小，有效沥青含量降低。因此，沥青混合料短期老化后，其矿料间隙率增大，沥青饱和度减小。

由此可知，老化后沥青混合料的空隙率和矿料间隙率增大，沥青饱和度减小，可能超出规范的设计要求，易形成渗水，增加了沥青层水损坏等破坏的可能性，且老化后沥青混合料压实困难，沥青层厚将难以达到要求。因此，沥青混合料生产后宜立即铺筑压实，以达到设计要求的体积指标，若保温时间过长，铺筑的路面各项指标将难以符合要求，应予以废弃或者采取增加压实次数等工艺措施。

当前通常采用马歇尔设计法和Surperpave设计法进行密级配沥青混合料设计。其中，马歇尔设计法强调混合料必须保证一定的空隙率且重视密度，但试验成型方式与现场施工条件不一致，施工时集料易被击碎，造成级配改变。Surperpave混合料设计法把材料选择与混合料设计集中在设计方法中，把材料特性同路面结构特性联系起来预测路面性能，但需要大量的基础性数据支撑和后期实践验证［17-18］。

本文选用玄武岩集料AC-16C密级配沥青混合料，采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%五种油石比，分别通过马歇尔击实方法和旋转压实方法成型试件，研究2种不同的成型方法对沥青混合料体积参数的影响，试验结果如图3所示。

从图3可以得出：随着油石比的增加，试件毛体积相对密度呈增大的趋势，相同条件下旋转压实试件比马歇尔击实试件更加密实，其毛体积相对密度均略大于马歇尔击实试件；旋转压实试件的空隙率均小于马氏击实试件，二者之间的差值在0.5~1.0%之间，均值为0.7%。在相同级配和油石比下，马氏试件的矿料间隙率要大于旋转压实试件的矿料间隙率，二者之间的差值在0.53~0.89%之间，均值为0.69%；由于级配和沥青含量相同，沥青混合料试件中有效沥青百分率仅与毛体积相对密度有关，故旋转压实试件的有效沥青百分率大于马氏试件的有效沥青百分率；旋转压实试件的沥青饱和度大于马氏试件的沥青饱和度，二者之间的差值范围为2.57-3.08%，均值为2.74%。

根据上述分析可知，马歇尔击实成型沥青混合料试件的过程与旋转压实揉搓压密过程的集料重构不同，各档集料在落锤的冲击作用下主要表现为刚性接触，产生定量空间重构需要的能量大于Super-pave旋转压实法，因而旋转压实时的压实功大于马歇尔击实功。现场施工时，压实机具的轮胎与铺筑的混合料接触，通过机具本身的重力和振动作用进行压实，其机理与旋转压实工作机理类似，更接近柔性接触状态，与马氏试验中的刚性碰撞接触不同，因此使用旋转压实进行级配设计与验证，与生产实际的差异会降低到最小。

沥青是一种黏弹性材料，具有显著的感温性。沥青混合料在超过规定的压实温度下碾压，容易产生横向裂纹或推移，影响路面的平整度；碾压温度过低，则路面不易压实，形成较大的空隙而诱发水损坏，影响路面耐久性。因此，本文通过不同成型温度下的室内马歇尔试验，模拟不同的碾压温度对沥青混合料各种体积参数的影响，分析温度与马歇尔试件各项体积参数的关系。采用石灰岩集料和SBS改性沥青进行 AC-20C沥青混合料设计，其级配见表1 ；改性沥青混合料的拌和温度和碾压温度分别为163℃和158℃ 。

为了研究成型温度（高温、低温）对沥青混合料体积参数的影响，将 AC-20C混合料的成型温度设为 60℃～190℃ 。确定最佳油石比为4.4% ，制备马歇尔试件，然后按照规范要求测量混合料高度、空隙率、矿料间隙率及饱和度等体积参数.

随着击实温度的增加，矿料间隙率呈减小趋势，饱和度随之增加。这是因为：沥青的黏度随温度发生变化，高温时沥青黏度相对较小，为集料颗粒空间重构提供润滑条件，形成良好的嵌挤，成型试件的空隙率相对较小；但当成型温度过高时，成型试件的空隙率过小，容易导致车辙和泛油等病害；而当混合料成型温度过低时，由于沥青黏度大，拌和时集料表面裹覆的大量沥青胶泥已经硬化，不但起不到润滑作用，反而会限制集料的运动 ［19-20 ］ 。所以，低温时进行压实作业，集料间的位置不易移动，空隙率大，混合料较难密实，导致沥青路面发生早期水损坏、车辙和网裂等病害。因此，应严格控制沥青混合料摊铺温度和碾压温度，以期得到性能最优的路面。

对于马歇尔设计法和Surperpave设计法，成型温度对沥青混合料的体积参数均有较大影响，在相同的级配和油石比条件下，密级配青混合料旋转压实试件的空隙率较马氏击实试件的空隙率小，采用旋转压实法确定的最佳油石比较马歇尔试验法略小。马歇尔击实次数对混合料体积指标的影响不随老化而改变，无论老化与否，随击实次数的增加，沥青混合料试件的空隙率和矿料间隙率都减小，试件的沥青饱和度增加。老化后沥青混合料的空隙率和矿料间隙率较老化前增大，而沥青饱和度较老化前减小，增大了坑槽等路面早期病害的发生概率。