江志遠1，徐昌文2，謝遠新3

（1?青島市交通規(guī)劃設計院，山東青島 266102；2?陜西新西谷土木科技有限公司，陜西西安 710024；3?重慶鵬方路面工程技術研究院，重慶 400060）

摘 要：為評價級配變化對瀝青混合料結構組成特性的影響，以體積參數為研究對象，采用旋轉壓實方式成型瀝青混合料，并對其展開后續(xù)試驗。計算空隙率、間隙率、飽和度等體積參數，并得出各體積指標的單因素方差分析結果。統計分析結果表明：級配的變化對混合料的各項體積指標均有顯著影響，其中以粗集料間隙率（VCA）變化幅度最大。

關鍵詞：道路工程；試驗研究；瀝青混合料；體積參數

0 引 言

在試驗條件確定的情況下，集料的物理力學性能受諸多因素的影響，如顆粒形狀、顆粒強度、顆粒間的摩擦系數、級配組成、成型后的空隙率等［1］；同時，成型時試件的初始架構對物理力學性能的影響也不容忽視?，F有的試驗和測試技術無法從細觀層面準確分析混合料內部顆粒間、顆粒與膠漿間的相互作用及規(guī)律，只能從宏觀層面定性研究各因素對混合料性能造成的影響［2?5］。

盡管已有學者運用顆粒離散元和變形體離散元等數值方法模擬分析集料細觀力學規(guī)律，并試圖建立細觀力學參數與宏觀力學參數之間的聯系［6?16］，但目前仍處于起步階段，其實用性還有待進一步研究。綜合來看，體積參數仍是分析集料結構特性的有力工具，故本文通過試驗研究瀝青混合料體積參數影響因素。

1 試驗方法

在《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）要求的AC?20型瀝青混合料級配范圍的基礎上，按照4．75 mm篩的通過率選擇粗、中、細3個級配作為研究對象，粗、中、細級配設計結果見表1，級配曲線如圖1所示。

表1 AC?20型混合料級配設計結果

篩孔／mm粗級配／%中級配／%細級配／% 26．5 100．0 100．0 100．0 19 95．9 96．5 97．1 16 83．4 86．5 89．6 13．2 69．8 74．1 78．5 9．5 56．6 63．6 69．6 4．75 31．0 41．0 51．0 2．36 22．2 28．8 35．5 1．18 16．1 20．3 24．6 0．6 11．8 14．5 17．1 0．3 8．7 10．2 11．6 0．15 6．5 7．1 7．7 0．075 5．0 5．0 5．0

圖1 試驗中采用的AC?20型混合料級配曲線

采用GTM（美國工程兵旋轉壓實剪切試驗，Gyratory Teting Machine）法確定最佳油石比，并成型試件。GTM工作參數為：垂直壓力0?7 MPa；旋轉角度1?46°；試件成型控制條件為極限平衡狀態(tài)（每旋轉100次的密度變化小于0?016 g·cm－3）；成型溫度為155℃～160℃（膠結料均為橡膠改性瀝青）。

2 試驗數據

采用試件毛體積相對密度（表干法測定）表征瀝青混合料密度。考慮到不同集料會影響瀝青膠結料的吸收，采用集料有效密度計算瀝青混合料的最大理論密度，并據此計算混合料空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積參數，各體積指標單因素方差分析結果見表2～6。

表2 級配變化對毛體積相對密度影響的方差分析

分析項目級配變化對毛體積相對密度（γf）的方差分析粗級配中級配細級配樣本量n 5 5 5統計數據樣本和12．317 12．368 12．217樣本平方和30．342 30．594 29．851樣本平均值2．463 2．474 2．443組間離差平方和0．007 09組內離差平方和0．000 48總離差平方和0．002 85組間自由度υ12方差分析組內自由度υ212總自由度υ 14組間方差0．003 55組內方差0．000 04 F值88．37 F0．95（υ1，υ2）3．89判斷結論F＞F0．95，級配變化對毛體積相對密度有顯著影響

表3 級配變化對空隙率影響的方差分析

級配變化對空隙率（VV）的方差分析分析項目粗級配中級配細級配樣本量n 5 5 5樣本和13．2 11．1 16．9統計數據樣本平方和34．8 25．4 57．4樣本平均值2．6 2．2 3．4組間離差平方和10．3組內離差平方和0．8總離差平方和4．2組間自由度υ12方差分析組內自由度υ212總自由度υ 14組間方差5．2組內方差0．06 F值82．44 F0．95（υ1，υ2）3．89判斷結論F＞F0．95，級配變化對空隙率有顯著影響

表4 級配變化對礦料間隙影響的方差分析

分析項目級配變化對礦料間隙率（VMA）的方差分析粗級配中級配細級配樣本量n 5 5 5統計數據樣本和62．5 60．3 65．7樣本平方和780．3 728．2 863．2樣本平均值12．5 12．1 13．1組間離差平方和8．8組內離差平方和0．6總離差平方和484．1組間自由度υ12方差分析組內自由度υ212總自由度υ 14組間方差4．4組內方差0．05 F值86．58 F0．95（υ1，υ2）3．89判斷結論F＞F0．95，級配變化礦料間隙率有顯著影響

表5 級配變化對瀝青飽和度影響的方差分析

分析項目級配變化對瀝青飽和度（VFA）的方差分析粗級配中級配細級配樣本量n 5 5 5統計數據樣本和394．7 407．9 371．2樣本平方和31 166．7 33 302．4 27 557．3樣本平均值78．9 81．6 74．2組間離差平方和415．2組內離差平方和33．5總離差平方和320．0組間自由度υ12方差分析組內自由度υ212總自由度υ 14組間方差207．6組內方差2．79 F值74．34 F0．95（υ1，υ2）3．89判斷結論F＞F0．95，級配變化對瀝青飽和度有顯著影響

3 結果分析

從表7中可以看出，級配的變化對混合料的各項體積指標均有顯著影響。在選用的5項體積指標中，按F值大小進行排序依次為VCA、γf、VMA、VV、VFA，即粗集料間隙率VCA受級配變化的影響顯著性最強，瀝青飽和度受級配變化的影響顯著性最弱。

表6 級配變化對粗集料間隙率影響的方差分析

分析項目級配變化對粗集料間隙率（VCA）的方差分析粗級配中級配細級配樣本量n 5 5 5統計數據樣本和198．3 242．1 287．9樣本平方和7 866．1 11 720．6 16 580．1樣本平均值39．7 48．4 57．6組間離差平方和2 409．4組內離差平方和1．3總離差平方和371 806．1組間自由度υ12方差分析組內自由度υ212總自由度υ 14組間方差1 204．7組內方差0．11 F值10 852．29 F0．95（υ1，υ2）3．89判斷結論F＞F0．95，級配變化對粗集料間隙率有顯著影響

表7 體積指標的單因素方差分析匯總

因素γfVV／% VMA／% VFA／% VCA／%組間離差平方和0．007 09 10．3 8．8 415．2 2 409．4組內離差平方和0．000 48 0．8 0．6 33．5 1．3 F值88．37 82．44 86．58 74．34 10 852．29 95%保證率臨界值F0．953．89結論有顯著影響有顯著影響有顯著影響有顯著影響有顯著影響

數據分析時以粗級配作為評價基準，以中級配和細級配各體積指標相對粗級配體積指標的變化率作為評價對象，分析級配變化時體積指標的變化幅度（敏感程度），結果如表8所示。

表8中數據清楚表明，瀝青混合料中各項體積指標隨級配變化幅度（敏感程度）的差異較大。其中，VCA和VV變化幅度最大，VMA和VFA變化

表8 相對于粗級配的體積指標變化率%

體積指標粗級配中級配細級配毛體積相對密度γf0 0．41－0．81空隙率VV 0－15．32 28．62礦料間隙率VMA 0－3．54 4．92瀝青飽和度VFA 0 3．23－6．34粗集料間隙率VCA 0 18．08 31．12

幅度居中，γf變化幅度最小。

4 討論及結論

依據上述分析，建議采用VCA作為評價細級配瀝青混合料結構組成的體積指標，其體積參數見表9。

4．1 VV

試驗結果表明，最佳油石比下，粗級配、中級配及細級配空隙率分別為2．6%、2．4%及3．4%，若與現行技術規(guī)范規(guī)定的馬歇爾方法設計體積指標相比較，其空隙率過?。坏捎贕TM采用旋轉剪切方式對試件進行壓實成型，成型過程中壓實功大，且以力學指標作為設計控制因素，體積參數僅作為參考性指標，因此空隙率小并不能說明GTM設計的瀝青混合料路用性能差。4．2 VMA

表9 體積參數匯總

級配類型粗集料用量／%油石比／%混合料VCA／% VMA／%松堆狀態(tài)的VCA／%插搗狀態(tài)的VCA／%振實狀態(tài)的VCA／% 3．4 40．01 13．1 3．7 39．89 12．7粗級配69 4．0 39．25 12．2 44．33 43．27 39．39 4．3 39．65 12．5 4．6 39．51 12．7 3．7 49．07 13．3 4．0 48．73 13．0中級配59 4．3 48．19 12．1 44．65 42．44 38．92 4．6 48．11 11．7 4．9 47．98 11．9 3．7 57．79 13．7 4．0 57．73 13．6細級配49 4．3 57．51 13．1 45．47 43．62 39．20 4．6 57．44 12．8 4．9 57．46 12．9

VMA表征的是瀝青混合料中去除礦料外所占的體積百分率，由剩余空隙率和有效瀝青體積百分率兩部分組成。對于空隙率VV，目前的研究觀點普遍認為，VV和有效瀝青體積百分率都分布在一定的范圍之內，那么由兩者構成的VMA也應分布在某一個范圍內，且應限制VMA最小值以保證耐久性。固然，VMA對瀝青混合料的耐久性有重要的影響，但究竟采用VMA和瀝青膜厚度哪個指標更適于評價瀝青混合料的耐久性，目前尚無明確的結論。

試驗中采用最佳油石比配制的粗、中、細級配的VMA分別為12．5%、12．1%及13．1%。3組級配除粗粒徑和細粒徑的比例有所變化外，粗集料和細集料本身組成無明顯差異（3個級配在級配曲線上基本平行）。在這個條件下，粗集料和細集料的比例或細集料的含量對VMA的大小有決定性影響。細集料含量較少時混合料VMA值較大（粗級配中VMA的值為12?5%），在此情況下混合料中的VMA由粗集料含量決定。若級配中細集料的含量有所增加，并恰好處在某一個特定范圍時，VMA數值最?。ㄖ屑壟渲蠽MA的值為12?1%）；當細集料繼續(xù)增加時，VMA也隨之增加，此時VMA由細集料決定（細級配VMA為13．1%）。若以VMA變化規(guī)律作為骨架密實結構的評價標準，顯然中級配為骨架密實結構。

貝雷法設計瀝青混合料對粗細集料的分界點FAC（反映細集料中粗料部分與細料部分的嵌擠與填充情況的參數）大小在粗集料組成相同、粗細集料比例相同的特定條件下，對礦料間隙率VMA有顯著影響。試驗結果表明，FAC較大的中級配其VMA小于FAC較小的細級配，即FAC減小，混合料VMA增大。分析這一現象，FAC小，1．18～4?75 mm部分過多，此時對4．75 mm以上部分將產生較大干擾，級配曲線在1．18 mm以下位置形成凹型曲線，細料部分不能完全填充空隙，因此造成VMA數值較大。

5 結 語

（1）集料振實狀態(tài)的VCA較插搗狀態(tài)減小6%～7%，應為緊排骨架狀態(tài)，且與混合料成型后的VCA更為接近。因此，對搓揉方式或振動方式成型的混合料，采用振實狀態(tài)VCA為評價標準更為合理。

（2）一般認為混合料中VCA小于松堆狀態(tài)（貝雷法）或插搗狀態(tài)時的VCA，混合料中形成了骨架結構，但此骨架結構的穩(wěn)定與否尚難判定，表現為粗級配的動穩(wěn)定度較中級配低；另一方面，中級配按此標準評價時沒有形成骨架結構，但卻表現出優(yōu)于形成骨架結構的路用性能。骨架結構在一定范圍內被撐開后，若有足夠的側向約束仍具有優(yōu)良的路用性能，而緊排骨架結構由于缺乏足夠的側向約束（成型時外力完全作用在骨架上，骨架內填充物未受力，無法達到密實狀態(tài)，進而無法提供強大的側向約束），屬靜不定結構，有外部荷載作用時易發(fā)生結構失穩(wěn)。因此，在填充物未達到密實前，整體結構應處于松散狀態(tài)，達到密實后剛好形成骨架結構，即設計之初應避免緊排骨架而應采用松排骨架。建議采用表征緊排骨架狀態(tài)的VCA與混合料實際狀態(tài)VCA的比值來反映骨架狀態(tài)，并使該比值處于合理范圍之內。

（3）VMA的大小直接決定細集料體積特性，過多的細料用量會將骨架結構撐開，細料用量過少又無法保證有足夠的填充物。因此，建議采用所設計級配實測集料的VMA與混合料VMA的比值來判別混合料是否達到密實狀態(tài)，其數值應接近100%。

參考文獻：

［1］ 譚憶秋，徐慧寧，JADTDY A I，等．瀝青混合料體積參數分布規(guī)律［J］．吉林大學學報：工學版，2011，41（2）：360?365．

［2］ 陳忠達，袁萬杰，高春海，等．多級嵌擠密級配設計方法研究［J］．中國公路學報，2006，19（1）：32?37．

［3］ 常曉琳，馬 剛，周 偉，等．顆粒形狀及粒間摩擦角對堆石體宏觀力學行為的影響［J］．巖土工程學報，2012，34（4）：646?653．

［4］ 劉紅瑛．瀝青混合料體積參數特性及其級配設計方法研究［D］．西安：長安大學，2007．

［5］ 王艷麗．瀝青混合料級配優(yōu)化研究［D］．西安：長安大學，2008．

［6］ 譚憶秋，任俊達，紀 倫，等．基于X?ray CT的瀝青混合料空隙測試精度影響因素分析［J］．哈爾濱工業(yè)大學學報，2014，46（6）：65?71．

［7］ 李闖民．瀝青混合料體積參數研究［D］．南京：東南大學，2005．

［8］ 宋 毅．應用分形理論描述瀝青混合料級配離析及其相關問題研究［D］．廣州：華南理工大學，2010．

［9］ 朱慧峰，孫 強．級配離析對瀝青混合料體積參數的影響分析［J］．黑龍江交通科技，2012（3）：50?51．

［10］ 薛小剛，張爭奇，王秉綱，等．瀝青混合料體積參數通用圖的應用研究［J］．鄭州大學學報：工學版，2007，28（4）：109?112．

［11］ 段瑩超，王 輝，唐明明．礦料級配對瀝青混合料體積參數的影響［J］．公路與汽運，2012（3）：92?94．

［12］ 李 萍，李輝山，路明周，等．瀝青混合料體積參數與高溫性能間的關系［J］．蘭州理工大學學報，2008，34（6）：144?147．

［13］ 張銘銘，郝培文．排水性瀝青混合料體積參數特性［J］．長安大學學報：自然科學版，2011，31（6）：6?10．

［14］ YOUSEFI B．Comparison of the Field Measurements of Asphalt Concrete Densities Obtained by Ground?penetrating Radar，Pave?ment Quality Indicator and the Borehole Coring Methods［J］．Road Materials and Pavement Design，2014，15（4）：759?773．

［15］ 劉洪海，范鵬云，岳鵬程，等．影響瀝青混合料體積參數的因素與質量控制［J］．武漢理工大學學報，2007，29（9）：55?58．

［16］ 李立寒，郭亞兵，鄭 航，等．級配組成與瀝青混合料體積參數的關系［J］．建筑材料學報，2005，8（6）：625?631．

［責任編輯：杜衛(wèi)華］

Experimental Study on Influencing Factors of Volume Parameters of Asphalt Mixture

JIANG Zhi?yuan1，XU Chang?wen2，XIE Yuan?xin3
（1．Qingdao Transportation Planning and Design Institute，Qingdao 266102，Shandong，China；2．Shaanxi Xinxigu Civil Technology Co．，Ltd．，Xi?an 710024，Shaanxi，China；3．Chongqing Pengfang Pavement Engineering Research Institute，Chongqing 400060，China）

Abstract：In order to evaluate the effect of gradation variation on the structural characteristics of asphalt mixture，the volume parameters were chosen as the research object，and the sample of asphalt mixture was prepared by rotary compaction for subsequent tests．The volume parameters such as porosity，voids in aggregate and saturation were calculated，and the results of one?way analysis of variance of each parameter were obtained．The change of gradation has a significant effect on the volume indicators of the asphalt mixture，among which voids in coarse aggregate（VCA）shows the largest change．

Key words：road engineering；experimental study；asphalt mixture；volume parameter

中圖分類號：U414．03

文獻標志碼：B

文章編號：1000?033X（2017）08?0071?05

收稿日期：2017?03?02

基金項目：交通運輸部應用基礎研究項目（2015 319 817 110）

作者簡介：江志遠（1970?），男，山東即墨人，高級工程師，主要從事路基、路面方面的研究工作。