李 俊,陸海珠,李明亮,李英濤

(1. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2. 江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

粗集料骨架接觸狀態(tài)對瀝青混合料的性能影響顯著，骨架間隙太小導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實，且易出現(xiàn)集料壓碎現(xiàn)象；骨架間隙過大則會對瀝青混合料的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，因此瀝青混合料需要獲取足夠的骨架嵌擠力[1-2]。瀝青瑪蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt Mixture， SMA)和多孔瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture， PA)是典型的骨架型混合料，并且PA的粗集料用量達到80%以上，細集料用量相對較少，形成了典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)，對粗集料骨架穩(wěn)定性的要求更高[3]。我國現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中，規(guī)定了SMA的粗集料骨架間隙率的相應(yīng)控制范圍。但是在PA配合比設(shè)計時，尚未提出粗集料骨架間隙率的技術(shù)要求。因此，探究粗集料骨架間隙率對PA性能的影響，有利于PA配合比優(yōu)化設(shè)計，提高PA的耐久性。

圖像處理技術(shù)是獲取瀝青混合料骨架特性信息的方法之一，國內(nèi)外眾多學者采用該方法評價了粗集料骨架特性對密級配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響[4-10]。但是圖像處理技術(shù)作為一種研究手段，普及度有限，尤其對于施工單位很難應(yīng)用，因此試驗方法仍是評價粗集料骨架特性的主要方法。粗集料的形態(tài)特征是通過影響瀝青混合料的均勻性和壓實特性[11-14]，造成多孔瀝青混合料路用性能的差異，為此有學者采用貝雷法和粗集料空隙填充法對多孔瀝青混合料的礦料級配進行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得良好的骨架空隙結(jié)構(gòu)[15-16]。此外，針片狀顆粒含量作為影響粗集料骨架特性的關(guān)鍵因素之一，有學者具體分析了粗集料針片狀含量對多孔瀝青混合料路用性能的影響[17-20]。

由上述可知，關(guān)于粗集料骨架特性的研究，目前主要關(guān)注密級配瀝青路面。PA的粗集料骨架特性引起了行業(yè)的關(guān)注，有學者從優(yōu)化骨架空隙結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了PA礦料級配的改進方法，也研究了針片狀顆粒含量對PA路用性能的影響。但是粗集料骨架特性與PA路用性能的直接關(guān)聯(lián)性研究，目前仍較少?；诖?，本文針對現(xiàn)有骨架間隙率測試方法的缺陷，提出了粗集料骨架間隙率的優(yōu)化評價指標，并分析了粗集料骨架特性對PA體積指標和路用性能的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 粗集料骨架間隙率評價方法

《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)中“T 0309-2005粗集料堆積密度及空隙率試驗”規(guī)定了瀝青混合料粗集料骨架間隙率的測試方法，本文稱之為規(guī)范法。該方法的關(guān)鍵操作之一為容量筒的填滿，即用合適的集料填充表面大空隙，再用直尺大體刮平，目測估計表面凸起部分與凹陷部分的容積大致相等。但是實際操作時由于人為因素導(dǎo)致容量筒的填滿標準很難統(tǒng)一，因此粗集料骨架間隙率的計算結(jié)果誤差較大。

鑒于此問題，本文提出在粗集料大致與容量筒上沿齊平之后，通過注水的方式實現(xiàn)容量筒的填滿，以此減小操作誤差，提高粗集料骨架間隙率的準確性和穩(wěn)定性。本文稱之為改進法，具體操作步驟如下所述：

a.稱取容量筒的質(zhì)量m1。

b.按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)中“T 0301-2005 粗集料取樣法”取樣、縮分，質(zhì)量應(yīng)滿足試驗要求，在(105±5)℃的烘箱中烘干，也可以攤在清潔的地面上風干，拌勻后分成2份備用。

c.按搗實法的標準用粗集料將容量筒填充飽滿，稱取容量筒與粗集料的總質(zhì)量m2。

d.向容量筒內(nèi)緩緩注水，直至液面與容量筒口大致平齊，靜置一段時間使粗集料開口孔隙充分吸水；再次向容量筒內(nèi)注水，使液面與容量筒口恰好平齊，擦干筒外壁的水分，稱取容量筒、粗集料和水的總質(zhì)量m3。

e.僅用水裝滿容量筒，測量水溫，擦干筒外壁的水分，稱取容量筒與水的總質(zhì)量mw。

粗集料骨架間隙率按照式(1)計算。

(1)

式中：VCADRC為搗實狀態(tài)下粗集料骨架間隙率；ωx為粗集料吸水率。

1.2 試驗方案

將規(guī)范法計算得到的骨架間隙率記為VCA1，改進法計算得到的骨架間隙率記為VCA2。以PA作為研究對象，具體試驗方案如下所述。

a.以13.2、9.5、6.3、4.75 mm作為粗集料關(guān)鍵篩孔，固定4.75 mm,及以下篩孔集料的通過率，通過改變關(guān)鍵篩孔的通過率，對比分析VCA1和VCA2的規(guī)律性。各篩孔細集料的通過率如表1所示。選取13.2 mm篩孔的質(zhì)量通過率(通過13.2 mm篩孔的礦料質(zhì)量占全部礦料的百分比，計作P13.2，下同)、9.5 mm篩孔的質(zhì)量通過率(P9.5)、6.3和4.75 mm篩孔的質(zhì)量通過率之差(Pδ)作為影響因素，每個因素選取9個水平，采用均勻設(shè)計U9(93)試驗方案，不同試驗方案下各影響因素的具體水平如表2所示。

表1 各篩孔細集料的質(zhì)量通過率Table 1 Quality passing percent of fine aggregate through each sieve hole不同篩孔(mm)質(zhì)量通過率/%4.752.361.180.60.30.150.075191715118.575

表2 U9(93)試驗方案下各影響因素的具體水平Table 2 Specific levels of each influencing factor for U9(93) test scheme試驗編號不同影響因素下的質(zhì)量通過率/%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.選取13.2 mm篩孔質(zhì)量通過率(P13.2)、9.5 mm篩孔質(zhì)量通過率(P9.5)、6.3 mm篩孔的質(zhì)量通過率(P6.3)作為影響因素，每個因素選取8個水平，采用均勻設(shè)計U8(83)試驗方案，分析粗集料骨架間隙率對PA體積指標和路用性能影響。不同試驗方案下各影響因素具體水平如表3所示。

表3 U8(83)試驗方案下各影響因素的具體水平Table 3 Specific levels of each influencing factor for U8(83) test scheme試驗編號不同影響因素下的質(zhì)量通過率/%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 試驗結(jié)果與分析

2.1 骨架間隙率評價指標對比

對于PA，起骨架作用的主要是4.75 mm以上的粗集料。采用均勻設(shè)計U9(93)試驗方案，分別將13.2～16、9.5～13.2、6.3～9.5、4.75～6.3 mm單粒徑集料按照不同的比例進行摻配，形成具有不同級配的粗集料。不同級配粗集料下骨架間隙率測試結(jié)果如表4所示。

表4 U9(93)試驗方案下骨架間隙率Table 4 Voids of coarse aggregate for U9(93) test scheme試驗編號不同計算方法下的骨架間隙率/%VCA1VCA2139.7142.97239.7342.37339.9942.63440.1942.72540.0542.58640.7343.27738.9541.37839.2841.8939.7142.97

由表4可知，通過對比規(guī)范法和改進法計算得到的粗集料骨架間隙率，發(fā)現(xiàn)不同級配的粗集料改進法VCA2比規(guī)范法VCA1要大2%～3%，存在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差。骨架間隙率是粗集料顆粒之間相互接觸狀態(tài)的表征指標，瀝青混合料中不同粒徑的粗集料顆粒之間搭配越理想、嵌擠作用越強，粗集料的骨架穩(wěn)定性就越好。一般要求瀝青混合料中粗集料骨架間隙率VCAmix小于粗集料搗實狀態(tài)下的骨架間隙率VCADRC，以免粗集料骨架被細集料干涉、撐開。改進法VCA2大于規(guī)范法VCA1，表明實際情況下PA具有更大的骨架間隙率容許值，這為PA級配設(shè)計提供了更充足的調(diào)整空間。

以骨架間隙率VCA1、VCA2為因變量，關(guān)鍵篩孔通過率P13.2、P9.5、Pδ為自變量，采用多元線性回歸的方式得到式(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，骨架間隙率與P13.2、P9.5呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即增大13.2 mm和9.5 mm篩孔的通過率可以提高粗集料的骨架間隙率，但是P9.5對骨架間隙率的影響較小，P13.2對骨架間隙率的提高起主導(dǎo)作用。骨架間隙率與Pδ呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，即增加6.3 mm與4.75 mm之間的顆粒含量將會導(dǎo)致骨架間隙率的減小。

2.2 骨架間隙率對多孔瀝青混合料性能的影響

考慮到PA常用級配范圍和減小離析等施工因素，進一步縮小粗集料的級配變化范圍，采用均勻設(shè)計U8(83)試驗方案進行試驗設(shè)計。按照表3所示的級配混合各檔粒徑粗集料，分別測試粗集料混合物的VCA1和VCA2,如表5所示。由表5可得到與表4同樣的結(jié)論，即不同級配的粗集料改進法VCA2比規(guī)范法VCA1要大2%～3%，存在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差。

表5 U8(83)試驗方案下粗集料骨架間隙率Table 5 Voids of coarse aggregate for U8(83) test scheme試驗編號不同計算方法下的骨架間隙率/%VCA1VCA2139.743.0239.742.4340.042.6440.242.7540.042.6640.743.3739.041.4839.341.8

高黏度瀝青由70號基質(zhì)瀝青與高黏度改性劑按照88∶12的比例復(fù)合改性而成。為了減少影響PA各項性能指標的因素個數(shù)，將各檔細集料的質(zhì)量通過率設(shè)定為固定值，同時油石比固定為4.5%，僅考慮粗集料級配組成的影響。按照表1和表3所示的礦料級配拌制PA，開展骨架間隙率對PA體積指標和路用性能的影響研究。

2.2.1骨架間隙率對混合料體積指標的影響

分別測試不同粗集料級配條件下PA的空隙率VV、礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA。繪制VCA1、VCA2與VV、VMA、VFA的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 VCA1與VV、VMA、VFA的關(guān)系

圖2 VCA2與VV、VMA、VFA的關(guān)系

由圖1、圖2可知，粗集料骨架間隙率與VV、VMA呈現(xiàn)負相關(guān)的關(guān)系，與VFA呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。本文將細集料通過率設(shè)定為固定值，即細集料對不同級配的粗集料所起的填充作用是相似的。粗集料級配越粗，尤其是增大6.3～9.5 mm粗集料用量時，粗集料骨架間隙率整體上越大，同時PA的最佳油石比整體上越小。由于本文將油石比設(shè)定為固定值，多余的瀝青將與細集料形成瀝青砂漿充斥于粗集料骨架之間，導(dǎo)致PA的VV和VMA減小，引起PA的VFA增大。VV的減少將削弱PA的排水降噪等功能性指標，而VMA的減少和VFA的增大將對PA的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，對高溫穩(wěn)定性的影響最為顯著。

VV、VMA和VFA均是瀝青混合料配合比設(shè)計時重要的體積指標，根據(jù)粗集料骨架間隙率與各項體積指標之間的線性相關(guān)關(guān)系，合理控制PA的級配范圍，有利于提高PA結(jié)構(gòu)與功能的雙重耐久性。

2.2.2骨架間隙率對混合料路用性能的影響

分別測試不同粗集料級配條件下PA的馬歇爾穩(wěn)定度、飛散損失、動穩(wěn)定度和滲透系數(shù)，繪制VCA1、VCA2與各項路用性能指標的關(guān)系如圖3～圖6所示。

圖3 VCA1、VCA2與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系

圖4 VCA1、VCA2與飛散損失的關(guān)系

圖5 VCA1、VCA2與動穩(wěn)定度的關(guān)系

圖6 VCA1、VCA2與滲透系數(shù)的關(guān)系

由圖3～圖6可知，不同粗集料級配條件下PA的路用性能具有較大的變化，不同級配粗集料的VCA1、VCA2的變化幅度在2%以內(nèi)，但是PA各項路用性能指標的變化幅度均在30%以上，尤其是飛散損失、動穩(wěn)定度和滲透系數(shù)的變化幅度均在50%以上。整體上馬歇爾穩(wěn)定度分布在6～8 kN之間，飛散損失分布在10%～15%之間，動穩(wěn)定度分布在6 000～10 000次/mm之間，滲透系數(shù)分布在0.15～0.25 cm/s之間。

通過觀察各項路用性能指標的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，隨著粗集料骨架間隙率的增大，各項路用性能指標整體上隨之減小，呈現(xiàn)負相關(guān)性，但是相關(guān)系數(shù)不大。原因主要在于各項路用性能指標隨骨架間隙率變化的波動性較大，對骨架間隙率的敏感性較高，骨架間隙率的輕微變化會引起各項路用性能指標的顯著起伏。因此從PA施工質(zhì)量控制的角度考慮，應(yīng)控制粗集料骨架間隙率的穩(wěn)定性。

此外，通過對比VCA1、VCA2與各項路用性能指標的相關(guān)性可知，粗集料骨架間隙率與飛散損失、動穩(wěn)定度的相關(guān)系數(shù)較小，很難建立相互之間的定量關(guān)系。相比之下，粗集料骨架間隙率與馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)更大，并且VCA2與馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)要大于VCA1，這與粗集料骨架間隙率和馬歇爾穩(wěn)定度、滲透系數(shù)同為體積參數(shù)的本質(zhì)相符合，同時也驗證了改進法VCA2相比規(guī)范法VCA1具有更高的準確性和穩(wěn)定性。

綜上所述，雖然未能建立PA性能指標與粗集料骨架間隙率之間的定量關(guān)系，但是試驗結(jié)果表明，在保持4.75 mm和以下篩孔集料的級配完全相同時，粗集料的骨架特性對PA性能具有顯著影響。因此，在PA配合比設(shè)計時，不僅要考慮目標空隙率，也要考慮粗集料的級配組成和骨架特性，使PA的性能更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

a.采用改進法測試得到的粗集料骨架間隙率比規(guī)范法大2%～3%，并且增大13.2 mm集料的通過率、減小6.3和4.75 mm集料的通過率之差，有利于提高骨架間隙率，而9.5 mm集料的通過率對骨架間隙率的影響較小。

b.多孔瀝青混合料性能受到粗集料骨架間隙率的顯著影響，骨架間隙率的小幅變化會引起各項性能指標的明顯起伏。在多孔瀝青混合料配合比設(shè)計階段應(yīng)關(guān)注粗集料的級配組成和骨架特性，以提高多孔瀝青混合料的性能穩(wěn)定性。

c.瀝青用量較大時，多余的瀝青與細集料形成瀝青砂漿填充于粗集料骨架之間，一定程度上導(dǎo)致多孔瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率減少，瀝青飽和度增大。建議后續(xù)開展最佳油石比下不同級配粗集料的骨架間隙率與多孔瀝青混合料性能指標的關(guān)聯(lián)性研究，以便更加客觀地建立相互之間的定量關(guān)系。