許銀行

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023）

瀝青膜厚度對瀝青混合料性能的影響

許銀行

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023）

分析研究了傳統(tǒng)瀝青混合料瀝青膜厚度計算方法，提出了一種新型的瀝青膜厚度計算公式，并進行了驗證；分析了不同瀝青膜厚度對混合料性能產生的影響，結合高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，給出了推薦瀝青膜厚度。

瀝青混合料；瀝青膜厚度；性能

0　引言

我國瀝青混合料設計普遍采用馬歇爾設計方法，設計過程中，需要成型大量試件，耗時耗力，實驗結果存在一定誤差，且其設計指標與路用性能不符，影響了混合料的設計效果。在此背景下，本文以AC-20瀝青混合料為研究對象，開展瀝青膜厚度與混合料性能研究。

1　傳統(tǒng)瀝青膜厚度計算方法的評價

瀝青膜厚度是指包裹在石料表面的有效瀝青層厚度，一般用DA表示。瀝青膜厚度與混合料的強度、高溫性能、低溫性能以及耐久性能有著密切聯(lián)系，是混合料設計階段需要考慮的重要參考因素。傳統(tǒng)的瀝青膜厚度計算過程中，一般采用有效瀝青含量除以集料表面積的計算方法，該方法提出是基于瀝青形成的油膜包裹在石料表層的平面上，且顆粒與顆粒之間保持相互獨立，見圖1。

圖1　瀝青膜厚度計算原理圖

基于上述原理的計算模型，未將混合料空隙率與壓實等方面的影響考慮在內，只要瀝青用量與集料表面積確定了，混合料表面的瀝青膜厚度也就確定了，這與客觀實際存在一定的差異，進而產生了計算誤差。但是該原理簡單方便，容易理解，存在較強的適用性，從另一個方面來講，若在計算膜厚的過程中加入孔隙率、壓實等因素的影響，由于不同集料的尺寸、形狀不同，棱角性差異較大，即使引入復雜的計算參數(shù)，也難以完全消除影響，并會導致計算量成倍增加。

2　新型瀝青膜厚度計算方法的提出

現(xiàn)有研究結果普遍認為，混合料中的瀝青膜厚度是一個平均計算值，不是真實存在于混合料表面上的，其數(shù)值為理論計算值，而非實際觀測值。

用有效瀝青用量與集料比表面積的比值來定義瀝青膜平均厚度，存在一定的爭議：由于集料的粒徑不同、形狀不同，顆粒表面的瀝青膜厚度存在一定的差異性，細集料表面的厚度要大一些，粗集料的要小一些，在石料的棱角處，瀝青膜厚度可能更小[1]。但是，如果將石料按照不同的瀝青進行區(qū)分，進行分別計算與討論，需要利用隨機分布理論進行統(tǒng)計分析，若想要建立厚度與混合料性能之間的關系，也需要一個平均厚度的概念，并且由于石料顆粒的復雜性，區(qū)分工作難度較大。因此，無論采用何種方式，都需要引入平均膜厚的概念，進而研究其與混合料各項性能之間的關系。

確定瀝青混合料最佳瀝青用量的根本目的就是確保實現(xiàn)一個合理的瀝青膜厚度。瀝青膜厚對不同級配的瀝青混合料的性能有著不同的影響，同時，瀝青膜厚度存在著一個最佳值，當膜厚偏離最佳值時，動穩(wěn)定度等各項性能指標均會出現(xiàn)下降，因此瀝青膜厚的計算方法尤為重要。為了準確的反映不同級配混合料不同油石比的瀝青膜厚度，本文采用真空法測定最大理論密度[2]。

具體計算過程如下：

（1）按式（1）計算礦料混合料的合成毛體積相對密度：

式中：γsb為礦料合成毛體積密度；P為各種礦料成分的配比，其和為100；γ為各種礦料相應的毛體積密度。

（2）按式(2)計算礦料的有效相對密度：

式中：γsb為合成礦料的有效相對密度；Pb為試驗采用的瀝青用量；γ1為實測混合料的最大相對密度，無量綱；γb為25℃下瀝青相對密度，無量綱。（3）按式(3)、式(4)計算有效瀝青含量：

式中：Pba為被集料吸收的瀝青比例，%；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青含量，%；Ps為各種礦料占瀝青混合料總質量的百分率之和，即Ps=100-Pb，%

（4）將求得的有效瀝青含量計算結果和集料表面積帶入式(5)中，即可求得瀝青膜厚度。

式中：DA為瀝青膜厚度，μm；SA為集料比表面積，m2/kg。

3　瀝青膜厚度對混合料性能的影響

3.1高溫性能

選取AC-20混合料作為試驗對象，瀝青膜厚度分別取3.8 μm、4.1 μm、4.4 μm、4.7 μm、5.0 μm，根據上節(jié)介紹的瀝青膜厚度計算方法，反算瀝青用量，對應的油石比分別為3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，分別成型馬歇爾試件和車轍板，進行性能測試，測試結果見表1。

表1　高溫性能試驗結果

圖2　瀝青膜厚度對混合料密度的影響

圖3　瀝青膜厚度對穩(wěn)定度的影響

圖5　瀝青膜厚度對抗剪強度的影響

由圖2～圖5可以看出，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的密度、穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度和抗剪強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。從圖2中可以看出，當瀝青膜厚度為4.4μm時，混合料的密度取得最大值；從圖3中可以看出，當瀝青膜厚度為4.5μm時，混合料的穩(wěn)定度取得最大值，以穩(wěn)定度最大值為中值，取95%MSmax對應的厚度為界，當膜厚為4.3～4.8 μm時取得的穩(wěn)定度較大；從圖4中可以看出，當瀝青膜厚度為4.4 μm時，混合料的動穩(wěn)定度取得最大值，以動穩(wěn)定度最大值為中值，取95% DSmax對應的厚度為界，當膜厚為4.2～4.7 μm時取得的動穩(wěn)定度較大；從圖5中可以看出，當瀝青膜厚度為4.4 μm時，混合料的抗剪強度取得最大值，以抗剪強度最大值為中值，取95%RTmax對應的厚度為界，當膜厚為4.2～4.7 μm時取得的抗剪強度較大。

分析可知，當瀝青含量較小時，不足以形成結構瀝青膜來黏結礦料顆粒，混合料的強度主要來源于集粘聚力和內摩擦力，而隨著瀝青含量的不斷增大，結構瀝青膜形成，瀝青與礦料間的粘結力隨瀝青用量的增加而增大，當達到最佳瀝青膜厚度時具有最大的粘聚力，若瀝青含量繼續(xù)增加，過多的瀝青會逐漸將礦料顆粒推開，在顆粒間形成不與礦粉發(fā)生交互作用的“自由瀝青”，此時瀝青膠漿的粘結力隨著自由瀝青的增加而降低，當油石比增加至某一用量后，瀝青混合料的粘結力主要取決于自由瀝青，這時瀝青不僅發(fā)揮粘結劑的作用，而且還起著潤滑劑的作用，致使瀝青混合料的粘結力降低。除此之外，瀝青用量的增加，使得顆粒之間的容易發(fā)生相互位移，瀝青混合料的內摩阻角變小，所以，當瀝青膜厚度逐漸增加時，混合料性能出現(xiàn)了現(xiàn)增加后減小的規(guī)律。

綜合考慮4個因素的影響，確定當膜厚為4.3～ 4.7 μm時，混合料密度較大，擁有較好的高溫性能。

3.2低溫性能

對不同的瀝青膜厚度的混合料成型車轍板，切制成小梁進行進低溫彎曲試驗，其測試結果見表2。

表2　不用膜厚混合料低曲試驗結果

由圖6中可以看出，隨著瀝青膜厚厚度的不斷增加，混合料的彎拉強度逐漸增大，且增加幅度較大；從圖7中可以看出，隨著瀝青膜厚度的不斷瀝青在低溫環(huán)境中，呈現(xiàn)出硬脆性：強度增加，而變形能力下降，容易出現(xiàn)脆斷，因此保證瀝青混合料的低溫抗裂性能，就是要保證其在低溫環(huán)境下，擁有盡可能大的變形能力，從而避免裂縫的產生。瀝青膜厚度較大時，混合料的彎拉強度較大，但在膜厚過大時，變形能力下降，結合混合料的低溫破壞特點，選擇破壞應變作為評價瀝青混合料低溫性能的主要指標。增加，混合料的破壞應變呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并且當膜厚度超過4.7 μm后，破壞應變急劇下降，試件迅速破壞。

圖6　膜厚對彎拉強度的影響

圖7　膜厚與對破壞應變的影響

抗拉強度不足或者變形能力不夠是瀝青混合料低溫破壞的主要原因，當瀝青含量較小時，包裹在集料表面的瀝青膜厚度較薄，結構瀝青不足，在進行低溫彎曲試驗的過程中，試件的主要強度來自于瀝青的粘結力，所以在瀝青含量較小，結構瀝青不足的情況下，混合料的彎拉強度較小，容許的變形值也小；隨著瀝青含量的不斷增加，瀝青膜厚度也隨著增加，結構瀝青的增加使得混合料的低溫性能迅速增加，彎拉強度增大，容許的變形也增大，但是當瀝青進一步增加時，結構瀝青不再增加，多余的瀝青分散到混合料的孔隙中，自由瀝青的含量上升，由于未與集料接觸，該部分瀝青的硬脆特性更加突出，使得混合料的彎拉強度增加，而容許的變形值卻大幅度下降，造成試件迅速脆斷。實際的瀝青路面中，低溫開裂的主要因素為變形能力不足，結合室內試驗結果，確定當瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時，混合料的低溫性能較好。

3.3水穩(wěn)性能

成型馬歇爾試件，進行性能試驗，結果見表3、表4。

表3　浸水馬歇爾試驗結果

表4　凍融劈裂實驗結果

圖8　瀝青膜厚度對殘留穩(wěn)定度的影響

圖9　瀝青膜厚度對凍融劈裂強度比的影響

當壓實功一定時，瀝青膜厚度越小，混合料的空隙率越大。當空隙率較大時，瀝青膜暴露在空氣中的面積增大，增加了滲水率，從而加強了水對瀝青的剝落作用。

由表3和圖8可以看出：隨著瀝青膜厚度的增加，混合料浸水前后的穩(wěn)定度都呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減少的趨勢；當瀝青膜厚度為4.7 μm時，進水后的試件馬歇爾穩(wěn)定度最大；殘留穩(wěn)定度不斷增加，但增加趨勢趨于緩慢。由表4和圖9可以看出：隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的劈裂強度都呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減少的趨勢；當瀝青膜厚度為4.4 μm和4.7 μm的時候，混合料的凍融劈裂強度最大；凍融劈裂強度比不斷增加，但增加趨勢趨于緩慢。隨著瀝青膜厚的不斷增加，混合料中存在的自由瀝青逐漸增多，填補了原有的部分空隙，降低了混合料的空隙率，在一定程度上提高了混合料的水穩(wěn)定性，但自由瀝青的增加，結構瀝青比例下降，混合料的力學性能隨之下降，雖然水對其造成的影響變小了，但其力學性能的絕對值卻下降了。

從浸水馬歇爾實驗結果來看，混合料在膜厚為4.7 μm時，對應的強度最佳，從凍融劈裂試驗來看，混合料在膜厚在4.4 μm和4.7 μm時，混合料獲得最大強度，因此，當混合料的瀝青膜厚度在4.4～4.7 μm時，對應的水穩(wěn)定性最佳。

3.4疲勞性能

成型車轍板，切制成小梁進行疲勞性能試驗。應力水平分別選擇為0.4和0.6，測試小梁試件的疲勞壽命。

作為典型的非均質多相材料，瀝青混合料有極大的不均勻性。其不均勻性表現(xiàn)為各相的物理化學性質差別較大，分散相的形狀和尺寸不均勻，在基體中的分布和取向也不均勻，因此在進行疲勞試驗試驗的過程中，結果會出現(xiàn)一定的離散型，為了盡可能的消除實驗誤差，使實驗結果更加可靠，選取小梁試件的時候盡量使得每個組試件來自不同的瀝青混合料板，且來自不同的位置，記錄試件斷裂時荷載的作用次數(shù)。不同瀝青膜厚度的小梁彎曲破壞試驗結果見表5，疲勞試驗測試結果見表6。

表5　小梁彎曲破壞試驗結果

表征一組數(shù)據平均值的方法一般有幾何平均、算術平均、調和平均和修勻平均等，幾種平均算法的使用條件，相關學者進行了大量研究[3]，結果顯示，若數(shù)據中出現(xiàn)一定的離散型，應使用修勻平均值。修勻平均值是將一組數(shù)據中的極值剔除掉，并將剩余數(shù)據求取平均值，該方法是一種較為穩(wěn)健的計算方法，且不受偏離平均數(shù)較大的兩端極值影響，比算術平均數(shù)更具有代表性[4]。由于混合料疲勞試驗結果存在一定的離散型，故采用修勻平均算法處理數(shù)據。

表6　瀝青混合料疲勞試驗結果

將表6中數(shù)據進行處理，獲得不同應力水平下不同膜厚的平均疲勞次數(shù)，統(tǒng)計結果見表7。

表7　瀝青混合料疲勞試驗結果統(tǒng)計

從表7中統(tǒng)計結果可以看出，在不同的應力水平下，瀝青膜厚度為4.7 μm，對應的混合料疲勞壽命最長。當瀝青膜厚度較大時，比例較大的結構瀝青產生足夠的粘結力，少部分自由瀝青可以起到提高混合料耐久性的作用，但瀝青膜厚度繼續(xù)增加后，自由瀝青數(shù)量過多，反而影響了混合料的疲勞性能，因此，當瀝青膜厚度為4.7 μm時，混合料的疲勞性能最優(yōu)。

4　結　語

通過分析研究瀝青膜厚度對瀝青混合料性能的影響可以得到以下認識：

（1）當瀝青含量較小時，不足以形成結構瀝青膜來黏結礦料顆粒，混合料的強度主要來源于集粘聚力和內摩擦力，而隨著瀝青含量的不斷增大，結構瀝青膜形成，瀝青與礦料間的粘結力隨瀝青用量的增加而增大，當達到最佳瀝青膜厚度時具有最大的粘聚力，綜合考慮密度、穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度及抗剪強度實驗結果，當膜厚為4.3～4.7 μm時，混合料的高溫性能較好。

（2）當瀝青路面處于低溫環(huán)境時，由于自身材料變形能力有限，超出范圍后發(fā)生開裂，以低溫變形能力為評價指標，通過室內試驗，當瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時，混合料的低溫性能較好。

（3）隨著瀝青膜厚度增加，混合料水穩(wěn)定性增強。浸水馬歇爾實驗結果顯示，膜厚為4.7 μm時，混合料殘留強度最大；凍融劈裂試驗結果顯示，膜厚在4.4 μm和4.7 μm時，混合料凍融后劈裂強度最大。綜合考慮混合料水穩(wěn)定性和力學性能，當瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時，混合料的水穩(wěn)定性能較好

（4）適當增加自由瀝青的含量，可以提高混合料的疲勞性能。疲勞試驗結果顯示，當瀝青膜厚度為4.7 μm時，混合料的疲勞性能最優(yōu)。

（5）綜合混合料的性能，推薦瀝青膜厚度為4.4～4.7 μm時為最佳瀝青膜厚度，在夏季炎熱地區(qū)選擇低限，冬季寒冷地區(qū)選擇高限。

[1]童琴.SAMPAVE應力吸收層混合料瀝青用量預估模型研究[D].陜西西安:長安大學,2011.

[2]JTG E20-2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[3]張獻民.統(tǒng)計平均數(shù)的統(tǒng)計學機理研究與應用[J].統(tǒng)計與信息論壇,2006,21(5):43-47.

[4]楊鎮(zhèn)杭.指數(shù)平均與對數(shù)平均[J].數(shù)學的實踐與認識,1987(4): 76-78.

U414

A

1009-7716（2016）02-0176-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.049

2015-11-05

許銀行（1979-），男，湖北武漢人，高級工程師，從事市政道路設計及研究工作。