沥青混合料体积参数影响因素试验研究

江志远1，徐昌文2，谢远新3

（1Ʊ青岛市交通规划设计院，山东青岛 266102；2Ʊ陕西新西谷土木科技有限公司，陕西西安 710024；3Ʊ重庆鹏方路面工程技术研究院，重庆 400060）

摘 要：为评价级配变化对沥青混合料结构组成特性的影响，以体积参数为研究对象，采用旋转压实方式成型沥青混合料，并对其展开后续试验。计算空隙率、间隙率、饱和度等体积参数，并得出各体积指标的单因素方差分析结果。统计分析结果表明：级配的变化对混合料的各项体积指标均有显著影响，其中以粗集料间隙率（VCA）变化幅度最大。

关键词：道路工程；试验研究；沥青混合料；体积参数

0 引 言

在试验条件确定的情况下，集料的物理力学性能受诸多因素的影响，如颗粒形状、颗粒强度、颗粒间的摩擦系数、级配组成、成型后的空隙率等［1］；同时，成型时试件的初始架构对物理力学性能的影响也不容忽视。现有的试验和测试技术无法从细观层面准确分析混合料内部颗粒间、颗粒与胶浆间的相互作用及规律，只能从宏观层面定性研究各因素对混合料性能造成的影响［2⁃5］。

尽管已有学者运用颗粒离散元和变形体离散元等数值方法模拟分析集料细观力学规律，并试图建立细观力学参数与宏观力学参数之间的联系［6⁃16］，但目前仍处于起步阶段，其实用性还有待进一步研究。综合来看，体积参数仍是分析集料结构特性的有力工具，故本文通过试验研究沥青混合料体积参数影响因素。

1 试验方法

在《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求的AC⁃20型沥青混合料级配范围的基础上，按照4．75 mm筛的通过率选择粗、中、细3个级配作为研究对象，粗、中、细级配设计结果见表1，级配曲线如图1所示。

表1 AC⁃20型混合料级配设计结果

筛孔／mm粗级配／%中级配／%细级配／% 26．5 100．0 100．0 100．0 19 95．9 96．5 97．1 16 83．4 86．5 89．6 13．2 69．8 74．1 78．5 9．5 56．6 63．6 69．6 4．75 31．0 41．0 51．0 2．36 22．2 28．8 35．5 1．18 16．1 20．3 24．6 0．6 11．8 14．5 17．1 0．3 8．7 10．2 11．6 0．15 6．5 7．1 7．7 0．075 5．0 5．0 5．0

图1 试验中采用的AC⁃20型混合料级配曲线

采用GTM（美国工程兵旋转压实剪切试验，Gyratory Teting Machine）法确定最佳油石比，并成型试件。GTM工作参数为：垂直压力0Ʊ7 MPa；旋转角度1Ʊ46°；试件成型控制条件为极限平衡状态（每旋转100次的密度变化小于0Ʊ016 g·cm－3）；成型温度为155℃～160℃（胶结料均为橡胶改性沥青）。

2 试验数据

采用试件毛体积相对密度（表干法测定）表征沥青混合料密度。考虑到不同集料会影响沥青胶结料的吸收，采用集料有效密度计算沥青混合料的最大理论密度，并据此计算混合料空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积参数，各体积指标单因素方差分析结果见表2～6。

表2 级配变化对毛体积相对密度影响的方差分析

分析项目级配变化对毛体积相对密度（γf）的方差分析粗级配中级配细级配样本量n 5 5 5统计数据样本和12．317 12．368 12．217样本平方和30．342 30．594 29．851样本平均值2．463 2．474 2．443组间离差平方和0．007 09组内离差平方和0．000 48总离差平方和0．002 85组间自由度υ12方差分析组内自由度υ212总自由度υ 14组间方差0．003 55组内方差0．000 04 F值88．37 F0．95（υ1，υ2）3．89判断结论F＞F0．95，级配变化对毛体积相对密度有显著影响

表3 级配变化对空隙率影响的方差分析

级配变化对空隙率（VV）的方差分析分析项目粗级配中级配细级配样本量n 5 5 5样本和13．2 11．1 16．9统计数据样本平方和34．8 25．4 57．4样本平均值2．6 2．2 3．4组间离差平方和10．3组内离差平方和0．8总离差平方和4．2组间自由度υ12方差分析组内自由度υ212总自由度υ 14组间方差5．2组内方差0．06 F值82．44 F0．95（υ1，υ2）3．89判断结论F＞F0．95，级配变化对空隙率有显著影响

表4 级配变化对矿料间隙影响的方差分析

分析项目级配变化对矿料间隙率（VMA）的方差分析粗级配中级配细级配样本量n 5 5 5统计数据样本和62．5 60．3 65．7样本平方和780．3 728．2 863．2样本平均值12．5 12．1 13．1组间离差平方和8．8组内离差平方和0．6总离差平方和484．1组间自由度υ12方差分析组内自由度υ212总自由度υ 14组间方差4．4组内方差0．05 F值86．58 F0．95（υ1，υ2）3．89判断结论F＞F0．95，级配变化矿料间隙率有显著影响

表5 级配变化对沥青饱和度影响的方差分析

分析项目级配变化对沥青饱和度（VFA）的方差分析粗级配中级配细级配样本量n 5 5 5统计数据样本和394．7 407．9 371．2样本平方和31 166．7 33 302．4 27 557．3样本平均值78．9 81．6 74．2组间离差平方和415．2组内离差平方和33．5总离差平方和320．0组间自由度υ12方差分析组内自由度υ212总自由度υ 14组间方差207．6组内方差2．79 F值74．34 F0．95（υ1，υ2）3．89判断结论F＞F0．95，级配变化对沥青饱和度有显著影响

3 结果分析

从表7中可以看出，级配的变化对混合料的各项体积指标均有显著影响。在选用的5项体积指标中，按F值大小进行排序依次为VCA、γf、VMA、VV、VFA，即粗集料间隙率VCA受级配变化的影响显著性最强，沥青饱和度受级配变化的影响显著性最弱。

表6 级配变化对粗集料间隙率影响的方差分析

分析项目级配变化对粗集料间隙率（VCA）的方差分析粗级配中级配细级配样本量n 5 5 5统计数据样本和198．3 242．1 287．9样本平方和7 866．1 11 720．6 16 580．1样本平均值39．7 48．4 57．6组间离差平方和2 409．4组内离差平方和1．3总离差平方和371 806．1组间自由度υ12方差分析组内自由度υ212总自由度υ 14组间方差1 204．7组内方差0．11 F值10 852．29 F0．95（υ1，υ2）3．89判断结论F＞F0．95，级配变化对粗集料间隙率有显著影响

表7 体积指标的单因素方差分析汇总

因素γfVV／% VMA／% VFA／% VCA／%组间离差平方和0．007 09 10．3 8．8 415．2 2 409．4组内离差平方和0．000 48 0．8 0．6 33．5 1．3 F值88．37 82．44 86．58 74．34 10 852．29 95%保证率临界值F0．953．89结论有显著影响有显著影响有显著影响有显著影响有显著影响

数据分析时以粗级配作为评价基准，以中级配和细级配各体积指标相对粗级配体积指标的变化率作为评价对象，分析级配变化时体积指标的变化幅度（敏感程度），结果如表8所示。

表8中数据清楚表明，沥青混合料中各项体积指标随级配变化幅度（敏感程度）的差异较大。其中，VCA和VV变化幅度最大，VMA和VFA变化

表8 相对于粗级配的体积指标变化率%

体积指标粗级配中级配细级配毛体积相对密度γf0 0．41－0．81空隙率VV 0－15．32 28．62矿料间隙率VMA 0－3．54 4．92沥青饱和度VFA 0 3．23－6．34粗集料间隙率VCA 0 18．08 31．12

幅度居中，γf变化幅度最小。

4 讨论及结论

依据上述分析，建议采用VCA作为评价细级配沥青混合料结构组成的体积指标，其体积参数见表9。

4．1 VV

试验结果表明，最佳油石比下，粗级配、中级配及细级配空隙率分别为2．6%、2．4%及3．4%，若与现行技术规范规定的马歇尔方法设计体积指标相比较，其空隙率过小；但由于GTM采用旋转剪切方式对试件进行压实成型，成型过程中压实功大，且以力学指标作为设计控制因素，体积参数仅作为参考性指标，因此空隙率小并不能说明GTM设计的沥青混合料路用性能差。4．2 VMA

表9 体积参数汇总

级配类型粗集料用量／%油石比／%混合料VCA／% VMA／%松堆状态的VCA／%插捣状态的VCA／%振实状态的VCA／% 3．4 40．01 13．1 3．7 39．89 12．7粗级配69 4．0 39．25 12．2 44．33 43．27 39．39 4．3 39．65 12．5 4．6 39．51 12．7 3．7 49．07 13．3 4．0 48．73 13．0中级配59 4．3 48．19 12．1 44．65 42．44 38．92 4．6 48．11 11．7 4．9 47．98 11．9 3．7 57．79 13．7 4．0 57．73 13．6细级配49 4．3 57．51 13．1 45．47 43．62 39．20 4．6 57．44 12．8 4．9 57．46 12．9

VMA表征的是沥青混合料中去除矿料外所占的体积百分率，由剩余空隙率和有效沥青体积百分率两部分组成。对于空隙率VV，目前的研究观点普遍认为，VV和有效沥青体积百分率都分布在一定的范围之内，那么由两者构成的VMA也应分布在某一个范围内，且应限制VMA最小值以保证耐久性。固然，VMA对沥青混合料的耐久性有重要的影响，但究竟采用VMA和沥青膜厚度哪个指标更适于评价沥青混合料的耐久性，目前尚无明确的结论。

试验中采用最佳油石比配制的粗、中、细级配的VMA分别为12．5%、12．1%及13．1%。3组级配除粗粒径和细粒径的比例有所变化外，粗集料和细集料本身组成无明显差异（3个级配在级配曲线上基本平行）。在这个条件下，粗集料和细集料的比例或细集料的含量对VMA的大小有决定性影响。细集料含量较少时混合料VMA值较大（粗级配中VMA的值为12Ʊ5%），在此情况下混合料中的VMA由粗集料含量决定。若级配中细集料的含量有所增加，并恰好处在某一个特定范围时，VMA数值最小（中级配中VMA的值为12Ʊ1%）；当细集料继续增加时，VMA也随之增加，此时VMA由细集料决定（细级配VMA为13．1%）。若以VMA变化规律作为骨架密实结构的评价标准，显然中级配为骨架密实结构。

贝雷法设计沥青混合料对粗细集料的分界点FAC（反映细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤与填充情况的参数）大小在粗集料组成相同、粗细集料比例相同的特定条件下，对矿料间隙率VMA有显著影响。试验结果表明，FAC较大的中级配其VMA小于FAC较小的细级配，即FAC减小，混合料VMA增大。分析这一现象，FAC小，1．18～4Ʊ75 mm部分过多，此时对4．75 mm以上部分将产生较大干扰，级配曲线在1．18 mm以下位置形成凹型曲线，细料部分不能完全填充空隙，因此造成VMA数值较大。

5 结 语

（1）集料振实状态的VCA较插捣状态减小6%～7%，应为紧排骨架状态，且与混合料成型后的VCA更为接近。因此，对搓揉方式或振动方式成型的混合料，采用振实状态VCA为评价标准更为合理。

（2）一般认为混合料中VCA小于松堆状态（贝雷法）或插捣状态时的VCA，混合料中形成了骨架结构，但此骨架结构的稳定与否尚难判定，表现为粗级配的动稳定度较中级配低；另一方面，中级配按此标准评价时没有形成骨架结构，但却表现出优于形成骨架结构的路用性能。骨架结构在一定范围内被撑开后，若有足够的侧向约束仍具有优良的路用性能，而紧排骨架结构由于缺乏足够的侧向约束（成型时外力完全作用在骨架上，骨架内填充物未受力，无法达到密实状态，进而无法提供强大的侧向约束），属静不定结构，有外部荷载作用时易发生结构失稳。因此，在填充物未达到密实前，整体结构应处于松散状态，达到密实后刚好形成骨架结构，即设计之初应避免紧排骨架而应采用松排骨架。建议采用表征紧排骨架状态的VCA与混合料实际状态VCA的比值来反映骨架状态，并使该比值处于合理范围之内。

（3）VMA的大小直接决定细集料体积特性，过多的细料用量会将骨架结构撑开，细料用量过少又无法保证有足够的填充物。因此，建议采用所设计级配实测集料的VMA与混合料VMA的比值来判别混合料是否达到密实状态，其数值应接近100%。

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［责任编辑：杜卫华］

Experimental Study on Influencing Factors of Volume Parameters of Asphalt Mixture

JIANG Zhi⁃yuan1，XU Chang⁃wen2，XIE Yuan⁃xin3
（1．Qingdao Transportation Planning and Design Institute，Qingdao 266102，Shandong，China；2．Shaanxi Xinxigu Civil Technology Co．，Ltd．，Xiƴan 710024，Shaanxi，China；3．Chongqing Pengfang Pavement Engineering Research Institute，Chongqing 400060，China）

Abstract：In order to evaluate the effect of gradation variation on the structural characteristics of asphalt mixture，the volume parameters were chosen as the research object，and the sample of asphalt mixture was prepared by rotary compaction for subsequent tests．The volume parameters such as porosity，voids in aggregate and saturation were calculated，and the results of one⁃way analysis of variance of each parameter were obtained．The change of gradation has a significant effect on the volume indicators of the asphalt mixture，among which voids in coarse aggregate（VCA）shows the largest change．

Key words：road engineering；experimental study；asphalt mixture；volume parameter

中图分类号：U414．03

文献标志码：B

文章编号：1000⁃033X（2017）08⁃0071⁃05

收稿日期：2017⁃03⁃02

基金项目：交通运输部应用基础研究项目（2015 319 817 110）

作者简介：江志远（1970⁃），男，山东即墨人，高级工程师，主要从事路基、路面方面的研究工作。