瀝青混合料的結(jié)構(gòu)及其特性

國(guó) 旗 張 勝

(1.大連力和公路工程有限公司，遼寧大連 116033;2.大連金港市政工程有限公司，遼寧大連 116600)

1 概述

瀝青混合料是由起骨架作用的粗集料和起填充作用的細(xì)集料以及起膠結(jié)作用的瀝青等按一定的比例組合而成的，是一種各向異性的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)材料，其性能不僅受材料成分和性質(zhì)的影響，還要受到其組成結(jié)構(gòu)的影響。在我國(guó)經(jīng)常采用半剛性基層和柔性的瀝青混合料面層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，這種上柔下剛的結(jié)構(gòu)對(duì)直接承受行車荷載的面層的性能要求十分苛刻，沙慶林院士曾表示路面的結(jié)構(gòu)破壞和嚴(yán)重轍槽對(duì)路面的使用性能影響巨大［1］，面層的結(jié)構(gòu)破損和轍槽的產(chǎn)生與材料的結(jié)構(gòu)性能息息相關(guān)。

路面的各種路用性能與混合料的結(jié)構(gòu)類型關(guān)系密切，主要反映在結(jié)構(gòu)類型與其抗剪性能、高低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)的耐久性等上面。可根據(jù)瀝青混合料的材料的級(jí)配情況將其結(jié)構(gòu)分為以下三種類型:

1)材料為連續(xù)級(jí)配時(shí)，各級(jí)集料均被次級(jí)集料隔開，無(wú)法直接形成骨架，但密實(shí)性較大，這種結(jié)構(gòu)類型稱為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu);

2)材料為連續(xù)開級(jí)配時(shí)，由于材料間遞減系數(shù)較大，粗集料含量較多，細(xì)集料無(wú)法填滿粗集料之間的空隙，形成了骨架空隙結(jié)構(gòu);

3)材料為間斷級(jí)配時(shí)，斷去了中間尺寸粒徑，這樣既有足夠的粗集料形成骨架也有較多的細(xì)集料將骨架的空隙填滿，形成了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)中材料骨架結(jié)構(gòu)的相互接觸各不相同，因此集料的嵌擠作用和瀝青的粘結(jié)作用也具有較大的差別，而嵌擠作用和粘結(jié)作用又與混合料的各種路用性能息息相關(guān)，所以應(yīng)該重視瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型與其性能的關(guān)系。

2 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型與路用性能的關(guān)系

2.1 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與抗剪強(qiáng)度

混合料的骨架結(jié)構(gòu)和集料顆粒的摩擦性能對(duì)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度有較大影響。但是目前國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)集料顆粒的相關(guān)規(guī)定僅限于材料表觀的個(gè)性描述，如顆粒有棱角、近似立方體、表面粗糙等，這對(duì)于了解和描述瀝青混合料抗剪強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要研究材料整體級(jí)配與摩擦性能的關(guān)系。直接剪切試驗(yàn)雖然操作簡(jiǎn)單但可用于集料顆粒摩擦性能研究［2］，根據(jù)三種典型結(jié)構(gòu)的特性統(tǒng)一選用公稱粒徑最大尺寸相同的瀝青混凝土AC-201(懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu))、瀝青瑪脂碎石SMA-20(骨架密實(shí)結(jié)構(gòu))以及瀝青碎石AM-20(骨架空隙結(jié)構(gòu))進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)［3］，得出對(duì)于抗剪強(qiáng)度隨級(jí)配的變化較為明顯，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度最大，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)最差。

僅從集料內(nèi)部的相互作用看三種典型結(jié)構(gòu)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的集料內(nèi)摩擦角大，相互咬合，能形成良好的嵌擠狀態(tài)，抗剪能力較強(qiáng)。懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浼?xì)集料較多、內(nèi)摩擦角小，承受剪力時(shí)粗集料被撐開，所以抗剪能力最低。骨架空隙結(jié)構(gòu)的材料特性處于兩者之間，與試驗(yàn)結(jié)果相互吻合。

2.2 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性

作為一種粘彈性材料，瀝青混合料的性能受溫度的變化和荷載作用的影響較大。目前通常用車轍試驗(yàn)中的動(dòng)穩(wěn)定度參數(shù)來(lái)表示瀝青混合料的高溫性能。在高溫狀態(tài)下，瀝青軟化，粘結(jié)力降低，此時(shí)瀝青混合料抵抗外界荷載的抗剪能力將依賴于礦質(zhì)材料的內(nèi)摩阻力，而瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型各自具有不同的接觸特點(diǎn)，內(nèi)摩阻力各不相同，進(jìn)而影響瀝青混合料的粘結(jié)性。懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)由于細(xì)集料和瀝青用量較多，粗集料處于懸浮狀態(tài)，內(nèi)摩阻力較低，易受到溫度影響，高溫穩(wěn)定性較差。相對(duì)而言，骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，在空間中形成了一系列的骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)，提高了混合料的內(nèi)摩阻力，在行車荷載作用下，改善了其抗車轍的能力，即提高了高溫穩(wěn)定性。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)在形成骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在骨架的空隙中填充著密實(shí)的較細(xì)的礦質(zhì)材料和瀝青的混合物，在一定程度上形成了約束作用，較骨架空隙結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。綜上所述提高瀝青混合料中的粗集料含量形成骨架結(jié)構(gòu)的同時(shí)采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)可有效地提高其高溫穩(wěn)定性。

為探討結(jié)構(gòu)類型與其低溫抗裂性能的關(guān)系，采用－10℃的小梁低溫彎曲破壞試驗(yàn)［4］。從低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料的低溫抗裂性能低于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這主要是由于粗集料含量較多時(shí)，相應(yīng)的低溫勁度偏大，其低溫性能受到一定的影響。僅從粗集料的含量方面來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)類型的影響明顯服從于試驗(yàn)的預(yù)期效果，具有良好的規(guī)律性，即骨架空隙結(jié)構(gòu)優(yōu)于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，而懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)低溫抗裂性則為最優(yōu)。

2.3 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與耐久性

2.3.1 水穩(wěn)定性能

所謂瀝青混合料的水穩(wěn)定性，即抗水損害能力。水損害是指瀝青混合料在有水存在的情況下，經(jīng)受荷載和溫度脹縮的反復(fù)作用，水分逐漸浸入到瀝青與集料的界面上，同時(shí)由于水動(dòng)力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝落，并導(dǎo)致集料之間的粘結(jié)力喪失而使混合料整體力學(xué)強(qiáng)度降低的過(guò)程［5］。瀝青混合料的抗水損害能力主要取決于集料的性質(zhì)、混合料的結(jié)構(gòu)類型，以及瀝青混合料的空隙率、瀝青膜的厚度等。除了荷載及水分供給條件等外在因素外，抗水損害能力是決定路面的水穩(wěn)定性的根本因素。

道路的水損害是造成路面結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。路面結(jié)構(gòu)層的孔隙率和滲透系數(shù)與道路抗水損害的性能關(guān)系密切，因此研究骨架結(jié)構(gòu)與其孔隙率和滲透系數(shù)的關(guān)系尤為重要。在控制級(jí)配與材料表觀特性等影響因素條件下［6］，瀝青混合料的孔洞特性表明:結(jié)構(gòu)類型不同時(shí)，其孔隙率相同的條件下，滲水系數(shù)仍然存在較大差異。由于干涉理論為基礎(chǔ)的干涉的存在［7］，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)與懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)相較來(lái)說(shuō)，其骨架松動(dòng)效應(yīng)有較高的概率，孔洞分布極不均勻，因此而導(dǎo)致的滲透系數(shù)分布沒(méi)有規(guī)律性。

現(xiàn)實(shí)的工程經(jīng)驗(yàn)中，骨架結(jié)構(gòu)采用粗級(jí)配時(shí)，比較容易產(chǎn)生滲水現(xiàn)象，原因在于骨料的附壁效應(yīng)［8］，相較懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)更容易滲水。對(duì)于骨架空隙結(jié)構(gòu)，水較容易侵蝕集料與瀝青膠漿形成的瀝青膜，因此可能存在比較大的水穩(wěn)定性破壞隱患。而懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料大多被瀝青包圍，水分不容易進(jìn)入，水穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)處于兩者之間，所以滲水特性上骨架空隙結(jié)構(gòu)最優(yōu)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)次之，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)最差。

2.3.2 疲勞特性

瀝青混合料的疲勞特性與空隙率、瀝青用量、集料特性等息息相關(guān)，根據(jù)相關(guān)疲勞試驗(yàn)可知［9］:瀝青混合料的疲勞壽命隨瀝青用量變化出現(xiàn)一最佳值，并且此最佳值位于馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳瀝青用量附近。從細(xì)觀角度看，以上試驗(yàn)結(jié)果是由于在此最佳瀝青用量附近，瀝青與礦料之間的粘聚力最佳，因而表現(xiàn)出較強(qiáng)的疲勞性能。

當(dāng)瀝青混合料的類型由開級(jí)配到密級(jí)配轉(zhuǎn)變時(shí)，空隙率由大到小，其抗疲勞性能逐漸增強(qiáng)，這主要是由于空隙率越大，瀝青混合料內(nèi)部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復(fù)作用下就越易引發(fā)微裂縫的擴(kuò)展破壞，從而降低疲勞壽命。因此密級(jí)配的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)疲勞性能最好，斷級(jí)配的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)次之，開級(jí)配的骨架空隙結(jié)構(gòu)最差。

2.4 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與抗滑性能

研究表明［10］，瀝青路面的抗滑性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)決定。通常情況下，微觀結(jié)構(gòu)考慮材料性能，要求要有較好的耐磨光性和耐磨耗特性;宏觀結(jié)構(gòu)考慮的是集料的大小及級(jí)配情況。在滿足微觀與宏觀雙方面的要求方面，礦料的性能及其組成顯得尤為重要。礦料的表面微觀結(jié)構(gòu)在行車速度較低時(shí)貢獻(xiàn)較大，而礦料的級(jí)配則在高速行車時(shí)抗滑能力起決定性作用［10］。對(duì)于一定級(jí)配的礦料組成，總有與之對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量。當(dāng)實(shí)際用量過(guò)大時(shí)，顆粒間自由瀝青量增多、粘附性變差、易產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性不好;而當(dāng)用量過(guò)少時(shí)，集料間的粘結(jié)力小，易松散、剝落。

在保持其他影響因素相同的情況下，材料級(jí)配的不同對(duì)路面的抗滑性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。對(duì)于密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其空隙率較小，表面光滑，因此路面紋理相對(duì)其他結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)較細(xì)，構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)均較小;骨架空隙結(jié)構(gòu)是通過(guò)強(qiáng)度較高的集料之間的相互嵌擠作用形成的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)骨架，其粘結(jié)料的粘結(jié)性能良好，結(jié)構(gòu)的空隙率大、表面粗糙，因此宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造都符合抗滑性能的要求;而對(duì)于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，宏觀構(gòu)造類似于骨架空隙結(jié)構(gòu)，但是由于骨架中填充著細(xì)集料和粘結(jié)料，使路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好，因而抗滑水平處于一個(gè)比較高的層次。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知:

1)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)各級(jí)集料均被次級(jí)集料所隔開，無(wú)法直接形成骨架，因此其摩擦角較低，抗滑性能較差;由于瀝青和細(xì)集料較多、粘聚力較高，水穩(wěn)性和疲勞性能較好;但在高溫穩(wěn)定性能上表現(xiàn)很差，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受溫度的影響很大。

2)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中集料形成了內(nèi)摩擦角較大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，高溫穩(wěn)定性能非常好，水穩(wěn)性表現(xiàn)良好，雖然低溫抗裂性能較低，疲勞性能表現(xiàn)一般，但是綜合低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性等路面使用性能，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最為理想。

3)骨架空隙結(jié)構(gòu)中細(xì)集料過(guò)少，空隙率大，骨架之間未被填滿，雖然具有較高的摩阻角但是其粘聚力較低，水穩(wěn)性、抗滑性能與疲勞性能較差，但是熱穩(wěn)定性能很好。若采用改性瀝青等技術(shù)措施可大大提高其使用性能［11］，目前排水路面大多采用此種結(jié)構(gòu)類型。

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