瀝青混凝土結構表征與參數構建

孫 勇，紀 倫，孫維剛，劉海權,3，李 俊,4，譚憶秋

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 哈爾濱 150090；2.黑龍江省八達路橋建設有限公司, 哈爾濱 150076；3.吉林省交通規劃設計院, 長春 130021；4.中建絲路建設投資有限公司, 西安 710075)

目前針對瀝青混凝土的研究主要集中在路用性能方面[1-2]，而針對結構的相關研究較少. 但瀝青混凝土的結構與性能密不可分，一定程度上，結構決定性能，故對瀝青混凝土結構研究是十分重要的[3-5]. 在瀝青混凝土結構表征方面，國內外開展了一些研究，如：文獻[6]中所用的貝雷法由Robert D. Bailey提出，是一種新的確定瀝青混合料的方法. 其主要思路是通過控制粗集料和細集料關鍵篩孔的通過率，貝雷法粗細集料臨界篩孔采用的是0.22D，這樣設計的礦料級配具有良好的骨架結構，然后通過對粗細集料的比例進行調整，獲得比較合適的礦料間隙率，按照設計密度進行級配設計，同時以此來保證骨架結構. 最后用三參數CA、FAc、FAf來進行檢驗，以確保設計的瀝青混合料具有較好的路用性能. 文獻[7-8]在碾壓混凝土設計中引入BETA和ALPHA兩參數，二者能夠反映混合料各項性能指標的變化趨勢，可以作為瀝青混合料配合比設計的指標；文獻[9]基于Delaunay三角剖分建立了膠漿面積、顆粒間最小距離及顆粒重心距離等參數, 但這些參數在分析時頗顯繁瑣，且不夠全面.

為了進一步完善瀝青混合料體積參數體系，在現有成果[10-14]的基礎上，本文從瀝青混凝土材料的體積及體積項組成關系出發，對瀝青混凝土組成成分和結構特點進行分析，總結并構建體積參數. 選取不同級配和不同瀝青用量的瀝青混合料來計算其體積參數的結果，分析級配和瀝青用量與參數之間的關系. 基于此研究，能夠更好地理解瀝青混凝土的結構與各項性能之間的關系，為研究結構與性能的關系以及進行配合比設計、施工質量控制提供依據.

1 瀝青混合料體積參數及構建

1.1 瀝青混合料較常見的體積參數

瀝青混合料的體積參數是用來描述瀝青混合料中各項組成之間的關系以及瀝青混合料的內部結構的，是瀝青混合料配合比設計的重要指標，主要參數為：1)空隙率VV.壓實的瀝青混凝土中，空隙體積占混合料總體積的百分比. 2)瀝青體積百分率VA.壓實瀝青混凝土中，瀝青的體積與試件總體積的百分比為瀝青的體積百分率. 3)礦料間隙率VMA.壓實瀝青混凝土中除去集料體積后剩余的體積占總體積的百分比稱為礦料間隙率. 4)瀝青飽和度VFA.壓實瀝青混凝土中，瀝青部分體積占礦料骨架以外的空隙部分體積的百分比稱為瀝青飽和度. 5)瀝青膜厚度da. 在壓實的瀝青混合料中，瀝青包裹在集料表面，所形成膜的厚度，mm. 6)粗集料體積百分比Vc[15]. 壓實的瀝青混凝土中粗集料的體積占總體積的百分比. 7)細集料體積百分率Vf[15]. 壓實的瀝青混凝土中細集料的體積占總體積的百分比. 8)膠漿體積百分率VM[15]. 壓實的瀝青混凝土中膠漿體積占總體積的百分比.

1.2 與瀝青、集料材料相關體積數的構建

瀝青混凝土參數的構建基于各組成成分之間的體積關系，其體積組成示意圖如圖1所示，圖中VV為空隙率；VA為瀝青體積百分率；VM為膠漿體積百分率；Vf為細集料體積百分率；Vc為粗集料體積百分率.

圖1 瀝青混凝土體積組成示意圖

Fig.1 Schematic diagram of volume composition of asphalt concrete

本文具體構建如下體積參數：

1)粗細集料體積比Vc / f. 壓實瀝青混凝土中，全部粗集料(大于等于4.75 mm的顆粒)的體積與全部細集料(小于4.75 mm的顆粒)體積的比值. 計算公式為

粗細集料體積比的建立是為了更好地建立粗細集料之間的關系，通過試驗尋找最佳比例，以達到最優的結構和性能.

2)粉膠體積比FAV. 壓實的瀝青混凝土中礦粉的體積與瀝青的體積比. 計算公式為

3)粉漿體積比FBV. 壓實的瀝青混凝土中礦粉的體積與膠漿的體積比. 計算公式為

4)漿集體積比.瀝青膠漿、空隙、集料三者構成瀝青混合料，其中，膠漿(膠漿+空隙)與集料的比值對瀝青混合料的結構和性能有著一定的影響.

(a)F1比.在壓實的瀝青混凝土中膠漿(瀝青+0.075 mm以下部分)的體積與集料(0.075 mm及以上)體積的比值，計算公式為

急性化膿性中耳炎是臨床常見耳病之一，常見致病菌有GAS等，普通的GAS毒力并不強，但侵襲性A族鏈球菌（invasive group A streptococcus,iGAS）可引起敗血癥、壞死性筋膜炎和鏈球菌中毒休克綜合征等，病情十分兇險。急性中耳炎因GAS感染引起顱內并發癥，臨床上并不多見，挪威Haukeland University Hospital醫院報道，在 2004～2009 年間，共收治6例，其中5例為耳源性腦膜炎[2]；GAS型腦膜炎占急性腦膜炎的0.3%～2%[4，5]，約60%的原發病灶為中耳炎及鼻竇炎[3]，死亡率高達 27%[3，6]，引起臨床上的高度重視。

(b)F2比. 在壓實的瀝青混凝土中膠漿的體積、空隙體積之和與集料體積的比值. 計算公式為

1.3 與空隙相關的體積參數構建

1)細集料填充率Vf/(1-c). 壓實瀝青混合料細集料占除去粗集料外剩余部分的體積百分率. 計算公式為

2)骨架系數G. 用于描述瀝青混合料在成型之后，瀝青混合料中粗集料在細集料和膠漿中的分散情況. 測試方法為：同一種級配的瀝青混合料，先用粗集料放入一定體積和質量的容積升進行振實，計算其振實密度；然后成型瀝青混合料試件，計算成型后試件中粗集料的質量與試件體積的比. 骨架系數的計算公式為

式中ρcs為壓實后的瀝青混合料試件中粗集料(大于4.75 mm的顆粒)的質量與試件總體積的比,ρzs為同樣配比的粗集料灌入容量筒經振實后的質量與容量筒容積的比.

為了更好地把握瀝青混合料中骨架的形成情況，單靠粗集料體積占比和礦料間隙率是無法滿足的，因此在基于研究需求的基礎上建立了骨架系數這一參數，能清楚地反應瀝青混合料在成型前后粗顆粒的分布變化，可以更加清晰地反映出骨架成型情況.

2 體積參數與級配、瀝青用量關系分析

通過上述的分析，構建體積參數，為了更方便研究參數與級配的關系，進而進行更深一步的研究，在基于參數本身所表征的含義以及與瀝青混合料結構組成材料方面的關系，將常見體積參數與構建參數進行分類,具體如下：1)瀝青類.瀝青體積百分率、瀝青飽和度、瀝青膜厚、膠漿體積百分率、膠漿膜厚度. 2)空隙類.空隙率、礦料間隙率、粗集料礦料間隙率、膠漿空隙率、骨架系數. 3)集料類.粗集料體積百分率、細集料體積百分率、粗細集料體積比、粉膠比、粉漿比、漿集體積比F1、漿集體積比F2、細集料填充率.

本文以AC-16中值作為中間級配，變化瀝青用量(質量分數分別為4.2%，4.7%，5.2%)，進行參數性能分析. 為了增大各級配的差別，以(新級配1=級配中值+(級配上限-級配中值)×80%)作為J1，以(新級配2=級配中值+(級配中值-級配上限)×80%)作為J7. 然后不改變粗集料(大于等于4.7 mm的顆粒)的質量分數，細集料(大于等于0.075 mm，小于4.75 mm的顆粒)的質量分數由級配1、級配7分別與級配曲線中值求均值得級配2、級配6，如圖2所示. 各級配瀝青用量：J1、J2、J4、J6、J7質量分數為4.7%，J3質量分數為4.2%，J5質量分數為5.2%.

圖2 級配曲線

2.1 體積參數的計算

按照規范規定的方法成型馬歇爾試件，測其密度等物理量指標，然后計算其體積參數，計算結果見表1.

2.2 級配變化與參數關系分析

瀝青混凝土級配的變化實際上是混凝土中礦料占比的變化. 按照參數類別分析級配與參數的關系，如圖3所示. 由圖3可以看出，瀝青類參數隨級配變化波動較大，規律不統一，具體如下：1)對于瀝青體積百分率VA與瀝青飽和度VFA來說，兩者變化規律基本相同. J1、J2、J4、J6、J7因為瀝青用量相同，參數稍有波動，但變化不大；而對于J3、J4、J5，因級配相同，瀝青用量為線性增加，曲線呈線性上升趨勢. 2)由圖3(b)可以看出，膠漿體積百分率VM在J1、J2、J4、J6、J7五個級配點上，呈下降趨勢. 分析其原因是隨級配變化，細集料逐漸減少，礦粉比例減少，而瀝青用量不變，所以隨級配變化參數VM逐漸遞減；而對于J3、J4、J5三個級配，因瀝青用量的增加幅度大于礦粉減小的幅度，故參數VM逐漸增長. 3)由圖3(d)可以看出，膠漿膜厚度db隨級配波動幅度較小，處于0.04 mm上下，但從J3、J4、J5三個級配任可以看出，瀝青用量的增加會使膠漿膜厚度增大. 從上述分析可以看出，瀝青類參數與混合料中的瀝青用量有明顯的線性關系，瀝青用量越多，瀝青體積百分率VA與膠漿體積百分率VM越大，膠漿膜厚度db越大，同時膠漿體積百分率還與瀝青混合料中集料的比例有關.

空隙類參數與瀝青混凝土結構密切相關，其隨級配變化規律如圖4所示.

表1 馬歇爾試件體積參數

(a)瀝青體積百分率

(b)膠漿體積百分率

(c)瀝青飽和度

(d)膠漿膜厚度

Fig.3 Variation analysis of asphalt parameters and gradation

(a)礦料間隙率

(b)空隙率

(c)膠漿空隙率

由圖4(a)、4(b)、4(c)可以看出，在排除J3、J4、J5三個點后，曲線均表現為先增加后減小的趨勢. 表明礦料間隙率VMA、空隙率VV與膠漿空隙率VK隨著級配中粗集料的比例的增加而呈現先減少后增加的趨勢；而從圖4(b)、4(c)中J3、J4、J5三個點可以看出，隨瀝青用量逐漸增加，參數VV、VK逐漸遞減. 表明瀝青用量增多，集料的空隙被逐漸增加的瀝青所填充，空隙體積減少，空隙率下降. 從上述分析可以看出，只考慮粗細集料比例時，當細集料較少時，由于沒有足夠的集料填充骨架空隙，空隙類參數較大；隨著細集料的逐漸增加，空隙被逐漸填充，空隙體積減少，結構逐漸密實；隨后細集料繼續增加，撐開了粗集料構成的骨架，空隙增加. 而粗細集料比例不變,只改變瀝青用量時，由于瀝青用量的增加充分填充了集料的空隙，使得結構變密實，空隙減小.

集料類參數隨級配變化規律如圖5所示. 由圖5(a)可以看出，圖中，粗集料體積百分率Vc與細集料體積百分率Vf兩條曲線呈現相反的變化，因為J1、J2、J4、J6、J7五個級配由細到粗，粗集料逐漸增多相應細集料減少，粗細集料變化規律相反. 而J3、J4、J5三個級配則基本不變. 圖5(b)中，粗細集料體積比Vc/f與粗集料體積百分率的變化趨勢基本相同. 圖5(c)、5(d)中細集料填充率Vf / (1-c)與粉漿體積比FBV隨級配變化均呈現遞減的趨勢，這是因為細集料的減少使得瀝青，礦粉的比例相對減少，粗集料增加，細集料無法全部填充粗集料的空隙. 而兩者區別在于圖5(c)中J3、J4、J5三個級配細集料填充率Vf/1-c變化不大. 這說明瀝青用量對細集料填充率Vf/(1-c)影響不大. 而圖5(d)則相反，J3、J4、J5三個級配的粉漿體積比FBV逐漸遞減. 這說明，粉漿體積比FBV與瀝青用量具有線性相關性. 圖5(e)中漿集體積比F1、F2兩條曲線變化規律大致相同，整體呈遞減趨勢，出現差異的原因是F2中加入的空隙的體積，使得曲線出現波動. 從J3、J4、J5三個級配可以看出，F2比F1更加平緩，因為在不計入空隙時，增加瀝青用量使得膠漿體積增加，會導致漿集體積比F1增大；在計入空隙體積后，增加瀝青用量，部分瀝青用來填充空隙，空隙體積增加，雖然膠漿體積仍增加,但不明顯，漿集體積比F2變化不大. 圖5(f)中曲線呈現梯度上升，對比其各級配發現，J2、J3、J4、J5、J6五個級配粗集料比例相同，骨架系數基本不變. 而J1粗集料含量最少，骨架系數最小，J7則最多，骨架系數最大. 這說明骨架系數G與混合料中粗集料的體積比有關，受其他因素的影響很小. 從上述分析可以看出，集料類參數都與混合料中粗細集料以及礦粉的比例有關，與瀝青用量關系不大. 具體表現為: 隨著細集料的減少，細集料體積百分率減少，粗集料體積百分率增加，粗細集料體積比增大，細集料的填充率下降，漿集體積比、粉漿體積比均下降；而粉漿體積比FBV、漿集體積比F1與瀝青用量有明顯的線性關系. 瀝青用量越大，FBV越小，漿集體積比F1越大.

(a)粗細集料體積百分比

(b)粗細集料體積比

(c)細集料填充率

(d)粉漿體積比

(e)漿集體積比

(f)骨架系數

3 結 論

1)瀝青類參數與混合料中的瀝青用量有明顯的線性關系，瀝青用量越多，瀝青體積百分率VA與膠漿體積百分率VM越大，膠漿膜厚度db越大，同時膠漿體積百分率還與瀝青混合料中集料的比例有關.

2)對于空隙類參數，只考慮粗細集料比例時，細集料較少時，由于沒有足夠的集料填充骨架空隙，空隙類參數較大；隨著細集料的逐漸增加，空隙被逐漸的填充，空隙體積減少，結構逐漸密實；隨后細集料繼續增加，撐開了粗集料構成的骨架，空隙增加. 而粗細集料比例不變只改變瀝青用量時，由于瀝青用量的增加充分填充了集料的空隙，使得結構變密實.

3)集料類參數都與混合料中粗細集料以及礦粉的比例有關，與瀝青用量關系不大. 具體表現為: 隨著細集料的減少，細集料體積百分率減少，粗集料體積百分率增加，粗細集料體積比增大，細集料的填充率下降，漿集體積比、粉漿體積比均下降；而粉漿體積比FBV、漿集體積比F1與瀝青用量有明顯的線性關系. 瀝青用量越大，FBV越小，漿集體積比F1越大.