聚合物膠粉復合改性瀝青混合料空隙率影響因素研究

摘要：文章基于室內試驗測定不同級配混合料在不同油石比下的空隙率大小，采用分形維數、關鍵篩孔通過率和PCSI等參數從級配角度對空隙率進行評價，并通過SPSS軟件分析各影響因素與空隙率（VV）的相關性。研究表明：PCSI接近0時，瀝青混合料密度越接近最大值，空隙率越小；空隙率隨著分形維數的增加而減小，Dc和Df分別控制在2.2～2.5和0.5～0.7時，空隙率取得最小值；P4.75和P2.36分別控制在55%～60%和35%～40%時，混合料更容易密實，且增大P0.075值，能夠有效增加瀝青膠漿含量，減小空隙率；通過Kendall法分析各因素對空隙率的影響程度，分析發現P0.075影響最大，Dc、Df次之，P2.36、PCSI次之，D再次之，P4.75影響程度最小。

關鍵詞：橡膠瀝青；應力吸收層；空隙率；影響因素

中圖分類號：U414.1A160514

0 引言

橡膠瀝青作為一種環保型橡膠瀝青，其通過對廢舊輪胎的回收利用，在一定程度上緩解了廢舊輪胎對環境的污染問題，符合綠色交通理念，經過多年發展，其制備工藝及性能指標得到大幅度提升及大力推廣。橡膠瀝青應力吸收層作為高等級路面抗反射裂縫的功能層，需要保證良好的密實度，以提升瀝青路面整體性能。由于空隙率是重要的控制指標，故對空隙率影響因素展開研究有著重要意義。

余華［1］從油石比、毛體積密度和粒徑lt;2.36 mm的單檔礦料含量的角度對混合料空隙率展開研究，其研究表明油石比對空隙率影響最大，其次是粒徑lt;0.15 mm的礦料含量。李艷春等［2］基于灰關聯法分析了礦料級配、瀝青含量、集料性質、毛體積密度及吸水率等指標對混合料空隙率的影響，研究發現瀝青含量是空隙率的最主要影響因素、其次是瀝青lt;0.075 mm的集料含量以及吸水率。張志強等［3］進行了集料、瀝青用量、級配類型的交叉試驗，研究發現集料密度對空隙率的影響最大，并提出在工程中將其與最大密度線結合可以得到更好的空隙率控制效果。鄧乃銘等［4］研究了剪切壓實成型瀝青混合料的空隙率影響因素，研究發現剪切壓實次數、油石比及粒徑lt;0.075 mm集料含量是混合料試件空隙率的主要影響因素。肖晶晶等［5］研究發現2.36 mm篩孔的通過率與空隙率相關性最大，該篩孔通過率每增加3%，空隙率減少約2%，認為該檔集料對混合料的骨架-空隙結構有著重要影響。Hu J等［6］探究了集料關鍵篩孔對混合料空隙率的影響。Leiva F等［7］分析了主控制篩孔PCSI對空隙率的影響。LI X等［8］研究發現P2.36、VMA和黏度等因素均與空隙率有著重要影響。目前，空隙率相關研究成果主要從級配類型、集料性質、瀝青含量3個方面進行探討，但在橡膠瀝青應力吸收層方面的研究成果較少。此外，在實際工程中，集料類別相對固定，瀝青含量采用最佳油石比，故從級配角度對空隙率進行研究更有意義。

本文基于室內試驗，測定不同級配在不同油石比下的混合料空隙率，采用貝雷參數、關鍵篩孔通過率和PCSI等參數從級配角度對空隙率進行評價，并通過SPSS軟件分析各因素對空隙率的影響程度，以期為橡膠瀝青應力吸收層的級配設計、優化提供借鑒。

1 原材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗采用自研橡膠瀝青，該瀝青由70#基質瀝青、SBS顆粒和廣西交科集團提供的30～80目橡膠粉等集料按照一定的比例制備而成。采用石灰巖碎石作為試驗用粗、細集料，石灰粉為填料。其中橡膠瀝青性能指標見表1。

1.2 混合料級配

對比國內外瀝青混合料應力吸收層相關規范標準，匯總發現應力吸收層混合料級配多采用10型連續級配［9-19］，且細集料用量較多，與普通連續型密級配瀝青混合料差異不明顯，各級配范圍之間存在交叉、重疊。將匯總的級配范圍分為A、B、C 3個區域，結合民族（MZ）大道、貴港（GG）與融河（RH）高速公路具體工程級配，擬定設計級配見圖1。

1.3 試驗方案

根據廣西已建應力吸收層工程預估試驗用瀝青混合料最佳油石比，以0.5%為間隔，調整3～4個不同的油石比進行混合料配合比設計，每組平行試樣4個，馬歇爾試驗結果如表2所示。并采用分形維數、PCSI和篩孔通過率等指標，對不同油石比下的瀝青混合料空隙率進行評價。

（1）PCSI為第一控制篩指數，是貝雷法中第一控制篩孔PPCS與n=0.45時的Fuller密度曲線對應篩孔的差值，按式（1）計算：

式中：k——在篩孔尺寸與通過率的雙對數坐標中進行線性回歸得到的擬合直線斜率，當只取2.36 mm以上或以下部分時，可分別根據擬合直線計算得出粗集料和細集料的級配分形維數Dc和Df。

將關鍵篩孔4.75 mm、2.36 mm和0.075 mm通過率用P4.75、P2.36和P0.075表示，作為級配評價指標，本文空隙率的各評價參數，如表3所示。

2 試驗結果分析

2.1 PCSI對混合料空隙率的影響分析

以PCSI指標對不同油石比下的混合料空隙率進行評價，兩者關系如圖2所示。

由圖2可知，指標PCSI能夠有效地評價空隙率。隨著PCSI的增大，不同油石比下的混合料空隙率先逐漸減小，在接近-5的位置，空隙率達到最小值，隨后又逐漸增大，且兩者的相關性良好。A·N·泰波認為Fuller曲線指數應由0.5改成n，n是一個變數，當n=0.45時瀝青混合料能達到最大密度。本文以級配第一控制篩孔與n=0.45時的Fuller密度曲線對應篩孔的差值PCSI為評價指標，理論上PCSI越接近0，混合料的密度越接近最大值，空隙率越小，故在進行級配設計時，參考該指標能一定程度地提升混合料的密實度。

2.2 分形維數對混合料空隙率的影響分析

采用分形維數D、粗集料部分分形維數Dc和細集料部分分形維數Df對空隙率進行評價，如圖3所示。

隨著分形維數D的增加，混合料空隙率不斷減小，并趨緩。由圖3（a）可知，D和空隙率的相關總體良好，其中6.0%油石比下的R2達到0.682 3，7.0%油石比下的R2達到0.847 7，而6.5%油石比R2稍差。分形維數D越大，表明混合料中集料的粒徑復雜度增加，細集料的含量增加，粗顆粒骨架間空隙得到填充，混合料更加密實，而圖3（a）中空隙率隨著D的增加尚未出現最小值，故適當增加礦料級配中細料含量，將容易得到和易性更好，更容易壓實的級配混合料。

將Dc和Df分別控制在2.2～2.5和0.5～0.7，瀝青混合料更容易壓實，空隙率小。由圖3（b），圖3（c）可知，不同油石比的下Dc、Df和空隙率相關性良好，R2均gt;0.8。Dc增大，代表著粗集料中較細顆粒的含量增加；Df增大，亦代表著細料部分中更細顆粒含量增加。而圖中大部分數據明顯呈現出隨著Dc增大，空隙率減小，隨著Df增大，空隙率增大現象，其主要原因在于Dc和Df的計算公式以2.36 mm篩孔為分界線，Dc增大意味著集料顆粒接近2.36 mm的含量增加，Df增大則集料顆粒接近2.36 mm的顆粒減少，且本文的礦料級配整體上細集料含量是明顯較少的，故該情況下保證集料粒徑在2.36 mm的顆粒含量有利于混合料的密實。

2.3 篩孔通過率對混合料空隙率的影響分析

以P4.75、P2.36和P0.075作為混合料空隙率評價參數，研究關鍵篩孔對空隙率的影響，并繪制兩者之間的線性圖，如圖4所示。

將P4.75和P2.36范圍分別控制在55%～60%和35%～40%，有利于減小混合料空隙率。由圖4（a）、圖4（b）可知，隨著P4.75和P2.36的增加，空隙率先減小，而后增大，且兩者與空隙率的相關性較好。其中大部分數據表現為隨著P4.75和P2.36的增加，空隙率不斷減小，主要在于集料骨架之間空隙得到細顆粒的填充；而隨著細集料的含量繼續增加，2.36～4.75 mm集料對混合料骨架形成干涉，影響混合料的壓實，故空隙率增大。

隨著P0.075的增大，空隙率不斷減小。由圖4（c）可知，P0.075和空隙率的相關性良好，其中6.0%油石比下的R2為0.757，6.5%油石比R2為0.544，7.0%油石比R2為0.897 8。因0.075 mm以下顆粒含量增加，混合料的膠漿進一步增多，裹附在集料顆粒表面的瀝青膜厚度增加，在相同的壓實功作用下混合料更容易壓實，此外混合料的自由瀝青含量亦會增多，對空隙率進一步填充，故空隙率不斷減小。

2.4 各因素權重分析

采用SPSS軟件對各因素與空隙率的影響程度進行分析，因試驗數據總量較少，且通過散點圖發現各參數與空隙率未呈現正態分布，故本文采用Kendall模型進行數據分析。

由表4可知，分形維數、關鍵篩孔通過率和PCSI對空隙率有著顯著影響。各參數的Sig值均lt;0.05，表明其與空隙率的相關性顯著，其中Dc和Df的Sig置信區間為0.0 與空隙率密切相關。通過對比Kendall相關系數大小，可以得知各相關因素對空隙率的影響程度從大到小排序為：P0.075＞Dc、Df＞P2.36、PCSI＞D＞P4.75。

3 結語

（1）PCSI為貝雷法中第一控制篩孔PPCS與n=0.45時的Fuller密度曲線對應篩孔的差值，理論上PCSI越接近0，混合料空隙率越小。

（2）隨著分形維數的增加，集料中細顆粒含量增加，有利于提高混合料的密實度，減小空隙率；將Dc和Df分別控制在2.2～2.5和0.5～0.7，混合料空隙率最小。

（3）在一定程度上增加4.75 mm、2.36 mm的篩孔通過率能夠有效地減小空隙率值，但當2.36～4.75 mm集料的含量過多，則會對集料骨架產生干涉，且當P4.75和P2.36范圍分別控制在55%～60%和35%～40%時，混合料密實度最好。此外，增加0.075的篩孔通過率，能夠增加瀝青膠漿，減小空隙率。

（4）通過SPSS軟件采用Kendall模型分析各因素對空隙率的影響程度，發現P0.075影響能力最大，Dc、Df次之，P2.36、PCSI次之，D再次之、P4.75影響程度最小。因本文第一控制篩孔PPCS是2.36 mm，故PCSI與P2.36影響程度一致。

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收稿日期：2023-10-12

作者簡介：彭云霞（1986—），工程師，研究方向：公路工程。