周戈 嚴守靖 盛光祖

摘要：針對目前瀝青混合料均勻性定義不清、評價指標不健全和均勻等級劃分存在的問題，利用規(guī)范對物質均勻性的定義和材料力學對物質均勻性的假設，將瀝青混合料定義為組分均勻、質量分布均勻和剛度均勻，建立了瀝青混合料均勻性多指標評價模型，給出了瀝青混合料均勻性計算方法和均勻性等級劃分依據(jù)。開展了AC-13級配的瀝青混合料均勻性實驗，測試了瀝青混合料的各體單元的毛體積相對密度、彈性模量特征值和瀝青含量，研究了瀝青混合料均勻性，并與傳統(tǒng)均勻性評價進行對比分析。結果表明：基于多指標的瀝青混合料均勻性評價方法增加了瀝青混合料的組成成分和力學性能指標，評價結果更加客觀和準確，AC-13級配的瀝青混合料的綜合均勻指數(shù)為0.896，屬于中度均勻;采用傳統(tǒng)均勻性方法評價，瀝青混合料的壓實度和密度變異系數(shù)很小，均勻性很好，但合格率僅為63.2%。

關鍵詞：瀝青混合料;均勻性評價;組分均勻;質量分布均勻;剛度均勻

中圖分類號：U416.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0162-05

1引言

瀝青混合料的均勻性是影響瀝青路面質量的關鍵因素，直接決定了瀝青路面的使用壽命和行車效果。研究表明，瀝青混合料的均勻性主要體現(xiàn)在集料分布的均勻，這是因為粗細集料的分布決定了瀝青混合料的空隙率，進而影響填料和瀝青的分布。粗集料相對細集料而言，比表面積較小，因此粗集料分布較多的區(qū)域，瀝青含量較少，容易造成集料顆粒的剝落;相反，粗集料分布較少的區(qū)域，填料和瀝青含量較多，承載能力差，容易形成車轍。因此，開展瀝青混合料均勻性研究十分必要。

目前，針對瀝青混合料均勻性，國內(nèi)外學者進行了廣泛的研究，包括瀝青混合料均勻性的理論、評價手段和均勻性的影響因素等，取得了大量的成果。文獻[4]通過計算瀝青混合料各截面上的集料面積比，得出了瀝青混合料水平和豎向的均勻性評價公式，并通過研究瀝青混合料標準馬歇爾試件的抗壓強度、抗剪強度和劈裂強度的力學性能的差異性評價了瀝青混合料的均勻性。文獻[5]基于數(shù)字圖像處理技術，從瀝青混合料中集料的分布位置和分布數(shù)量兩方面綜合考慮，對瀝青混合料的均勻性進行定量評價。郭乃勝和Y.Peng等采用CT識別技術，識別混合料試件內(nèi)部結構，并以粗集料、瀝青砂漿和空隙各組分的密度和面積為主要特征參數(shù)，建立瀝青混合料均勻性評價方法。文獻[8]研究了集料組成對瀝青混合料均勻性的影響，并進行了數(shù)值模擬。文獻[9]采用數(shù)字圖像處理技術研究瀝青混合料的級配對均勻性的影響，并進行了定量的評價。但是對于瀝青混合料均勻性的定義、評價指標和評價等級的研究相對較少。

本文通過《標準物質常用術語和定義》（JJF 1005-2005）中的物質均勻性定義和《材料力學》中關于材料的均勻性假設，提出了針對瀝青混合料均勻性的新定義，建立瀝青混合料均勻性評價的指標體系，給出明確的均勻性指數(shù)計算公式和均勻性等級劃分依據(jù)。并通過AC-13級配的瀝青混合料均勻性實驗，對比分析新評價體系和傳統(tǒng)的評價結果。研究成果為瀝青混凝土均勻性評價提供了新的思路。

2瀝青混合料均勻性評價

2.1均勻性定義

《標準物質常用術語和定義》（JJF 1005-2005）中指出，物質均勻性定義是指：物質的一種或幾種特性具有相同的組分或結構的狀態(tài)。此外，《材料力學》中關于材料均勻性的假設為：材料在各個位置具有相同的力學性能。考慮到材料力學中固體材料的基本變形有5種，分別是拉伸變形、壓縮變形、彎曲變形、剪切變形和扭轉變形?？紤]到瀝青路面在實際應用中，最主要的荷載為豎向荷載，故在豎直方向瀝青路面最主要的變形為壓縮變形。因此，對于瀝青混合料的力學均勻性假設為，材料在各個位置具有相同的彈性模量。

根據(jù)上述分析，瀝青混合料均勻性可表述為：瀝青混合料在單元體積內(nèi)具有相同的由一種或幾種組分構成的結構狀態(tài)，并且各個單元體積內(nèi)具有相同的彈性模量。

2.2均勻性多指標評價模型

按照均勻性定義的表述，瀝青混合料的均勻性包含3個部分，分別是組分均勻、質量分布均勻和剛度均勻。其中，組分均勻采用油石比表征，質量分布均勻采用毛體積相對密度表征，剛度均勻采用回彈特征值表征。因此，組成成分、質量分布和剛度就成為瀝青混合料均勻性評價的三大指標。

2.2.1體單元組成成分

一般地，瀝青混合料包含礦料（粗集料、細集料、礦粉）和瀝青組成成分。為保證每個體單元能盡可能包括混合料中所有的組成成分，實驗將采取以集料最大公稱粒徑為邊長，劃分出瀝青混合料的體單元。實驗首先測出每個體單元的烘干質量（ma），然后將每個體單元浸泡在三氯乙烯溶液中，等瀝青充分溶解后，測出每個體單元殘留的礦料質量（mm），并通過式（1）計算出體單元的瀝青含量。

2.2.3體單元剛度

由于瀝青路面主要承受的荷載為豎向荷載，故在豎直方向考慮壓縮變形。其剛度均勻性可采用彈性模量表征，但考慮到體單元的尺寸較小，無法采用模量試驗機進行試驗。為此，本文借鑒混凝土測彈性模量的方法，用回彈儀測出體單元的回彈值（Fei），作為其彈性模量的特征值，并以此間接反映體單元的剛度。

2.2.4瀝青混合料均勻性評價

（1）組成成分分布均勻程度指數(shù)。實驗中組成成分分布采用油石比分布表征，其均勻性程度指數(shù)采用式

（3）進行計算。

2.3瀝青混合料均勻性評價等級劃分

對于瀝青混合料均勻性評價等級劃分，目前國內(nèi)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）并沒有給出相關的劃分依據(jù)?？偨Y國內(nèi)外瀝青混合料均勻性的文獻，2000年美國M.Stroup-Gardiner和E.R.Brown在NCHRP-441研究報告中提出了以瀝青混合料組成成分變化和空隙率差異來評價其均勻性的標準，是目前較為系統(tǒng)和深入的研究成果。評定標準見表1。

實驗以NCHRP-441的研究報告為依據(jù)，通過室內(nèi)實驗提出了以組成成分、質量分布和剛度3個技術指標來判別瀝青混合料的均勻性。技術指標等級劃分建議值見表2。

3瀝青混合料均勻性實驗過程

3.1原材料采集

本次實驗瀝青混合料芯樣取自紹興地區(qū)柯橋G104K6+840右幅車道，瀝青和集料取自柯橋拌和站。原材料抽檢內(nèi)容包括瀝青、礦料、瀝青混合料和瀝青混合料芯樣。根據(jù)現(xiàn)場抽檢，該工程鋪筑的瀝青混合料采用70#普通基質瀝青，瀝青性能依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）進行試驗檢測，瀝青性能檢測結果見表3?，F(xiàn)場抽檢的礦料包括粗集料、細集料和礦粉，其中粗細集料為石灰?guī)r，礦料性能指標依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）進行試驗檢測，礦料性能指標檢測結果見表4。為了解現(xiàn)場路面鋪筑的瀝青混合料級配，對現(xiàn)場抽取的瀝青混合料進行了抽提實驗，瀝青混合料的抽提結果如表5所示。

3.2確定劃分體單元邊長

對于瀝青混合料芯樣體單元，其邊長的確定要盡可能保證體單元能包含混合料中所有的組成成分。在表3中，根據(jù)瀝青混合料抽提的結果顯示該混合料的級配為AC-13，為了保證劃分出的體單元都能最大限度地包含粗集料、細集料、礦粉和瀝青4種組成成分，本文將采取以集料最大公稱粒徑為邊長，劃分出瀝青混合料的體單元。

3.3劃分網(wǎng)格切分體單元

以集料最大公稱粒徑為邊長，劃分出芯樣的網(wǎng)格，再切割出體單元。本次實驗中，對于AC-13級配的瀝青混合料芯樣，高度為63.5cm，直徑為101.6cm，因此，芯樣切4層，每層切36塊，一共144個體單元，切除芯樣周圍無法切成標準立方體單元的部分。切割過程如圖1所示。

另外，瀝青混合料芯樣體單元的質量分布采用密度分布進行表征，由于該體單元內(nèi)部含有空隙，因此采用表干法測出體單元的毛體積相對密度，以此表征體單元的質量分布。

瀝青混合料芯樣體單元的剛度采用彈性模量進行表征，由于芯樣體單元的質量和體積太小，無法采用靜態(tài)回彈模量試驗機進行試驗。因此，本文將采用手持式回彈儀進行試驗。

4均勻性評價結果分析

4.1傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性評價

傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性采用壓實度和密度兩個指標進行評價，按照《公路工程瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）附錄E中的評定方法，壓實度采用現(xiàn)場取芯并按照式（6）進行計算，現(xiàn)場的密度采用無核密度儀進行取點檢測，而實驗室中，密度測試有別于現(xiàn)場，采用表干法進行測試。

式（7）～（9）中：Ko為壓實度或密度的平均值;Ki為第i個試件的壓實度或密度;s為壓實度或密度的標準差;Cv為變異系數(shù);N為評定路段內(nèi)的測點個數(shù)，其自由度為N-1。

4.2基于多指標的混合料均勻性分析

室內(nèi)通過回彈儀測試體單元的彈性模量特征值，采用表干法測得體單元的毛體積相對密度，最后通過三氯乙烯浸泡得出瀝青混合料的瀝青含量，結果見圖4。

由圖4（a）和圖4（b）可以看出彈性模量特征值整體和毛體積相對密度的變化趨勢為第一層和第四層相對較小，數(shù)據(jù)離散性較大，而中間兩層的表觀相對密度和彈性模量特征值較大，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)離散性較小。這符合瀝青路面碾壓的規(guī)律，即表層和底部空隙率較大，導致密度和剛度分布不均勻系數(shù)較大，而中間層壓實度高，因此分布不均勻系數(shù)較小。而圖4（c）中各層的瀝青含量變化曲線基本一致，各層位含量的差值較小，這表明瀝青混合料的組成成分分布很均勻。

對測得的體單元數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出剛度分布、質量分布和組成成分分布的差異系數(shù)，根據(jù)式（3）、（4）和式（5）得到每一層中三個指標的均勻指數(shù)，并取三者的平均值作為該瀝青混合料的均勻性指數(shù)，結果見表7。

3.3結果分析

傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性評價分析包括壓實度和密度兩個指標，其評判的標準為合格率，瀝青路面鋪筑的壓實度和密度的合格率要達到93%。從表6可以看出，各層體單元壓實度和密度的變異系數(shù)均很小，但變異系數(shù)的變化趨勢為表層和底層高于中間兩層，這表明瀝青路面中間層的壓實度和密度較高，均勻性很好，表層和底層的差異性相對較大。而從合格率來看，該瀝青混合料的合格率為63.2%，遠低于規(guī)范要求的合格率，均勻性很差。因此，按照規(guī)范的評判標準，該瀝青混合料均勻性評價結果自相矛盾。

按照瀝青混合料均勻性新方法評價結果如表7所示，各層密度均勻性和組成成分均勻性差異系數(shù)都低于0.05，根據(jù)表5的等級劃分依據(jù)，這兩個指標都屬于高度均勻，而剛度均勻性差異系數(shù)為1.4左右，屬于中度均勻。綜上所述：該瀝青混合料試件的剛度最終的均勻性等級為中度均勻，綜合均勻性指數(shù)為0.896。

5結論

本文提出了瀝青混合料均勻性的新定義，建立了瀝青混合料均勻性評價的指標體系，結合AC-13級配的瀝青混合料均勻性實驗，研究了瀝青混合料的均勻性，并與傳統(tǒng)評價方法進行了對比分析，取得了如下結果。

（1）按照現(xiàn)有規(guī)范執(zhí)行的瀝青混合料均勻性評價，實際檢測的只有密度指標，雖然本次實驗所用瀝青混合料的壓實度和密度變異系數(shù)很小，均勻性很好，但合格率僅為63.2%，達不到規(guī)范的要求，因此采用傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性評價分析自相矛盾。

（2）按照瀝青混合料均勻性新的評價指標體系，即采用組分成分均勻、質量分布均勻和剛度均勻三大指標分層進行評價，在傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性評價基礎上，既考慮了瀝青混合料各層的離異性，又考慮了組成成分和力學性能的差異性，給出了明確的均勻性指數(shù)評價公式和均勻性評價等級。評定本次實驗所用瀝青混合料的均勻性等級為中度均勻，綜合均勻性指數(shù)為0.896。

（3）除了本研究所采用的AC-13級配的瀝青混合料類型，不同級配類型、集料性質和瀝青用量的瀝青混合料，其均勻性仍然需要實驗進一步確定。此外，通過對比研究發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的瀝青混合料均勻性評價指標過于單一，評判標準過于籠統(tǒng)，而新的評價指標體系指標更全面，評價標準更精確。因此，新的瀝青混合料均勻性評價體系更加客觀和全面。