礦料級配對大空隙瀝青混合料空隙參數(shù)的影響敏感性研究

摘要：文章為研究礦料級配對大空隙瀝青混合料空隙率及連通孔隙率的影響敏感性，通過改變13.2 mm、2.36 mm、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率以及2.36～4.75 mm含量，調(diào)試了16組礦料級配，測試了不同礦料級配下混合料的空隙率及連通孔隙率，分析了不同因素對混合料體積參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：9.5 mm篩孔通過率變化對空隙率影響較小，但對連通孔隙率影響顯著，在一定范圍內(nèi)9.5 mm篩孔通過率越低，連通孔隙率越大；2.36 mm篩孔通過率與空隙率及連通孔隙率均具有高度的線性相關(guān)性，且對二者影響敏感性相當(dāng)；2.36～4.75 mm含量lt;6%時，其含量變化對空隙率及連通孔隙率影響較顯著，但其含量gt;6%時，混合料空隙率將降低至20%以下，會影響其透水效果；0.075 mm篩孔通過率對空隙率及連通孔隙率均有一定的影響，但對連通孔隙率影響更顯著。

關(guān)鍵詞：道路工程；大空隙瀝青混合料；礦料級配；空隙率；連通空隙率

U414.1A040124

0 引言

目前我國瀝青路面主要采用密級配瀝青路面形式，路面空隙率通常在3%～6%，具有良好的防滲水效果，可有效地提高路面的耐久性。然而在南方沿海地區(qū)，雨水充沛，雨天路表面易積水，造成行車水漂和水霧，嚴(yán)重影響行車安全性。大空隙瀝青路面由于具有較大的空隙結(jié)構(gòu)，可快速排走路表雨水，大幅提高雨天行車舒適性和安全性，近年來在高等級公路得到一定規(guī)模的推廣應(yīng)用。

然而大空隙瀝青混合料的路用性能與空隙率直接相關(guān)，空隙率越大，混合料耐久性越差；空隙率越小，路面的透水功能越差。如何實現(xiàn)大空隙瀝青混合料的路用性能與透水功能的平衡和協(xié)調(diào)，是大空隙瀝青混合料設(shè)計的關(guān)鍵［1-2］。大量研究表明，礦料級配與大空隙瀝青混合料的空隙率直接相關(guān)［3-4］。蔣瑋等［5］研究了2.36 mm、4.75 mm關(guān)鍵篩孔通過率對PAC-10空隙率的影響，發(fā)現(xiàn)2.36 mm篩孔通過率與空隙率具有更高的線性相關(guān)性。肖晶晶等［6］研究了1.18 mm、2.36 mm、4.75 mm等篩孔通過率對PAC-13空隙率的影響，發(fā)現(xiàn)2.36 mm篩孔通過率與空隙率具有更高的線性相關(guān)性，2.36～4.75 mm集料含量是影響混合料骨架-空隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。李翔等［7］研究瀝青類型、公稱粒徑、關(guān)鍵篩孔等因素對OGFC-13混合料空隙率的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青類型對混合料空隙率影響不大，但對連通空隙率有顯著影響，表現(xiàn)為瀝青黏度越高，連通孔隙率越小；相同空隙率下，公稱粒徑越大，連通孔隙率越大。關(guān)泊、劉樹祥等［8-9］基于礦料級配與混合料礦料間隙率的關(guān)系，提出了礦料間隙率預(yù)估方法。

綜上所述，目前關(guān)于礦料級配對大空隙瀝青混合料空隙參數(shù)的影響研究主要集中在2.36 mm、4.75 mm篩孔通過率，對比研究的因素相對較少。另外，大空隙瀝青混合料的透水性能主要取決于連通孔隙率，而礦料級配對大空隙瀝青混合料連通孔隙率的影響敏感性方面的研究也鮮有報道。為此，選取13.2 mm、2.36 mm、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率以及2.36～4.75 mm含量四個因素，進(jìn)一步探索各因素對PAC-13混合料空隙率、連通孔隙率的影響敏感性，為大空隙瀝青混合料的空隙率和連通孔隙率的精準(zhǔn)設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

試驗用膠結(jié)料為高黏度改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料采用輝綠巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2 試驗方案

1.2.1 礦料級配

選取13.2 mm、2.36 mm、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率以及2.36～4.75 mm含量四個因素，每個因素選擇4～5個水平進(jìn)行材料組成設(shè)計。各考察因素、水平及檢測指標(biāo)如表3所示，各因素及水平下組成的礦料級配如表4所示。

1.2.2 油石比初選

根據(jù)表4初擬的因素及水平共設(shè)計16組礦料級配，為降低油石比對試驗結(jié)果的影響，每種級配下混合料采用相同的瀝青油膜厚度，油石比參考《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3350-03-2020），根據(jù)設(shè)計瀝青油膜厚度及集料比表面積預(yù)估最佳瀝青用量?？紤]到大空隙瀝青混合料中細(xì)集料用量少，油石比偏高會造成析漏而影響混合料性能，因此瀝青油膜厚度按11 μm進(jìn)行設(shè)計，瀝青用量Pb由式（1）計算：

Pb=A×h（1）

式中：Pb——瀝青用量（%）；

A——集料總表面積（mm2）；

h——瀝青薄膜厚度，取11 μm。

其中集料總表面積通過式（2）計算得出：

A=（2+0.02a+0.04b+0.08c+0.3e+0.6f+1.6g）/48.74（2）

式中：a、b、c、d、e、f、g——4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm篩孔通過率（%）。

2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表4和式（1）、式（2）計算不同礦料級配的瀝青用量，并采用馬歇爾試驗雙面擊實50次成型試件，每組礦料級配下混合料分別成型6個平行試件，分別測試不同礦料級配下混合料的空隙率、連通孔隙率、穩(wěn)定度和流值，分析不同因素對大空隙瀝青混合料空隙參數(shù)的影響規(guī)律。如表5所示。

2.1 9.5 mm篩孔通過率對空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-5、JP-13～JP-16五組級配下混合料試驗結(jié)果繪制9.5 mm通過率對混合料空隙率及連通孔隙率影響關(guān)系曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著9.5 mm通過率增加，混合料的空隙率及連通孔隙率均呈減小趨勢。當(dāng)9.5 mm篩孔通過率從15%增加至55%時，空隙率從23.9%降低至23.0%，空隙率減小了0.9%，降低幅度為3.8%；連通孔隙率從19.1%降低至15.9%，減小了3.2%，降低幅度為16.8%。這表明9.5 mm篩孔通過率變化對總的空隙率影響較小，但對連通孔隙率有較顯著影響。

這主要是因為9.5 mm以上粗集料的比表面積很小，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），9.5 mm以上粗集料的表面積系數(shù)幾乎為0，4.75～9.5 mm粒徑集料的表面積系數(shù)為0.004 1，在細(xì)集料含量不變的情況下，9.5 mm以上粗集料含量減少，4.75～9.5 mm含量相應(yīng)增加，對礦料比表面積貢獻(xiàn)相對較小，對混合料中的自由瀝青及瀝青膠漿數(shù)量影響較小，因此對總的空隙率影響程度較小。但隨著9.5 mm通過率增加，較大粒徑的粗集料含量減少，較小粒徑的粗集料含量增加，造成在相同質(zhì)量的混合料中集料的數(shù)量增加，根據(jù)顆粒的堆積理論，形成的礦料骨架結(jié)構(gòu)中較大空隙數(shù)量減少，封閉孔隙數(shù)量增加，因此連通孔隙率明顯降低。

根據(jù)9.5 mm篩孔通過率對空隙率及連通孔隙率影響規(guī)律，在進(jìn)行大空隙瀝青混合料礦料級配設(shè)計時，在空隙率范圍變化不大的情況下可通過降低9.5 mm篩孔通過率適當(dāng)提高連通孔隙率，從而在保障混合料耐久性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升混合料的透水功能。

2.2 2.36 mm篩孔通過率對空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-1～JP-4四組級配下混合料試驗結(jié)果，繪制2.36 mm篩孔通過率對混合料空隙率及連通孔隙率影響關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，空隙率及連通孔隙率均隨2.36 mm篩孔通過率的增加而降低，且具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上，這表明2.36 mm通過率對大空隙瀝青混合料空隙率有顯著影響。從2.36 mm通過率與空隙率及連通孔隙率的擬合曲線可以看出，兩條曲線斜率非常接近，表明2.36 mm篩孔通過率對大空隙瀝青混合料的空隙率及連通孔隙率的影響高度一致?？障堵始斑B通孔隙率與2.36 mm通過率相關(guān)關(guān)系如式（3）所示。

V=-0.838×p2.36+33.726；R2=0.999 7（3）

因此，在進(jìn)行大空隙瀝青混合料設(shè)計時，可根據(jù)目標(biāo)空隙率按式（3）初步確定2.36 mm通過率，再根據(jù)設(shè)計級配下混合料的馬歇爾試驗結(jié)果對礦料級配進(jìn)行微調(diào)，可有效提升礦料級配設(shè)計的效率。

2.3 2.36～4.75 mm含量對空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-2、JP-5～JP-8五組級配下混合料試驗結(jié)果繪制2.36～4.75 mm含量對混合料空隙率及連通孔隙率影響關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著2.36～4.75 mm含量的增加，混合料的空隙率逐漸降低，空隙率的變化速率逐漸減小，表明2.36～4.75 mm含量越低，其含量變化對混合料空隙率及連通孔隙率影響越顯著。當(dāng)2.36～4.75 mm含量gt;6%時，隨著2.36～4.75 mm含量的增加混合料的空隙率及連通孔隙率變化趨于穩(wěn)定，且混合料的空隙率lt;20%。這表明當(dāng)2.36～4.75 mm含量gt;6%時，其含量的變化對大空隙瀝青混合料的空隙率及連通孔隙率影響較小。

根據(jù)國內(nèi)排水瀝青路面應(yīng)用經(jīng)驗，當(dāng)空隙率達(dá)到20%～23%時可實現(xiàn)良好的透水效果。因此在進(jìn)行大空隙瀝青混合料設(shè)計時建議2.36～4.75 mm含量≤6%，且應(yīng)嚴(yán)格控制其含量波動范圍，降低對混合料空隙率影響。

2.4 0.075 mm篩孔通過率對空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-5、JP-9～JP-12五組級配下混合料試驗結(jié)果繪制0.075 mm通過率對混合料空隙率及連通孔隙率影響關(guān)系曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著0.075 mm通過率增加，混合料的空隙率及連通孔隙率逐漸減小，根據(jù)擬合曲線可知，0.075 mm通過率與空隙率及連通孔隙率具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上。0.075 mm通過率與空隙率及連通孔隙率關(guān)系曲線如式（4）、式（5）所示。

V=-1.282 5×p0.075+28.217；R2=0.942 4（4）

Vc=-1.507 9×p0.075+22.796；R2=0.988 2（5）

從式（4）和式（5）斜率可以看出，隨著0.075 mm通過率增加連通孔隙率衰減速度更快，連通孔隙率對0.075 mm通過率變化更為敏感。這主要是因為0.075 mm以下的填料含量越高，礦料的比表面積越大，吸附的結(jié)構(gòu)瀝青越多，形成的瀝青膠漿數(shù)量越多。而瀝青混合料的空隙率是由連通孔隙和封閉孔隙組成，隨著瀝青膠漿數(shù)量增加，瀝青膠漿不斷填充混合料內(nèi)部的連通孔隙，連通孔隙被分割成更多數(shù)量的封孔空隙，因此隨著總空隙減少的同時，連通孔隙在加劇減少。因此在大空隙瀝青混合料設(shè)計時應(yīng)重視0.075 mm通過率控制。

3 結(jié)語

13.2 mm、2.36 mm、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率以及2.36～4.75 mm含量均對大空隙瀝青混合料的空隙率及連通孔隙率有不同程度的影響，但不同因素對空隙率及連通孔隙率的影響敏感性具有明顯的差異。通過相關(guān)的試驗研究得到如下結(jié)論：

（1）9.5 mm篩孔通過率變化對空隙率影響較小，但對連通孔隙率影響顯著，在一定范圍內(nèi)9.5 mm篩孔通過率越低，連通孔隙率越大。因此在空隙率范圍變化不大的情況下可通過降低9.5 mm篩孔通過率適當(dāng)提高連通孔隙率，從而在保障混合料耐久性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升混合料的透水功能。

（2）2.36 mm篩孔通過率與空隙率及連通孔隙率均具有高度的線性相關(guān)性，且對二者影響敏感性相當(dāng)?？筛鶕?jù)2.36 mm篩孔通過率與空隙率、連通孔隙率的關(guān)系模型對礦料級配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升礦料級配設(shè)計的效率。

（3）2.36～4.75 mm含量lt;6%時，其含量變化對空隙率及連通孔隙率影響較顯著，但其含量gt;6%時，混合料空隙率將降低至20%以下，會影響其透水效果。因此在進(jìn)行大空隙瀝青混合料設(shè)計時建議2.36～4.75 mm含量≤6%，且應(yīng)嚴(yán)格控制其含量波動范圍，降低對混合料空隙率影響。

（4）0.075 mm篩孔通過率對空隙率及連通孔隙率均有一定的影響，但對連通孔隙率影響更顯著，在混合料設(shè)計時應(yīng)予以重視。

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