摘要：文章為研究礦料級(jí)配對(duì)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(jí)配，測(cè)試了不同礦料級(jí)配下混合料的空隙率及連通孔隙率，分析了不同因素對(duì)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(duì)空隙率影響較小，但對(duì)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(duì)二者影響敏感性相當(dāng)；2.36～4.75 mm含量lt;6%時(shí)，其含量變化對(duì)空隙率及連通孔隙率影響較顯著，但其含量gt;6%時(shí)，混合料空隙率將降低至20%以下，會(huì)影響其透水效果；0.075 mm篩孔通過率對(duì)空隙率及連通孔隙率均有一定的影響，但對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)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(shí)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(jì)的關(guān)鍵［1-2］。大量研究表明，礦料級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)OGFC-13混合料空隙率的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青類型對(duì)混合料空隙率影響不大，但對(duì)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?。幌嗤障堵氏?，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(jí)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(jí)配對(duì)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(duì)比研究的因素相對(duì)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(jí)配對(duì)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(bào)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(gè)因素，進(jìn)一步探索各因素對(duì)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(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)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(yàn)方案

1.2.1 礦料級(jí)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(gè)因素，每個(gè)因素選擇4～5個(gè)水平進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)。各考察因素、水平及檢測(cè)指標(biāo)如表3所示，各因素及水平下組成的礦料級(jí)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(jì)16組礦料級(jí)配，為降低油石比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每種級(jí)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(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3350-03-2020），根據(jù)設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)，瀝青用量Pb由式（1）計(jì)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(jì)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(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表4和式（1）、式（2）計(jì)算不同礦料級(jí)配的瀝青用量，并采用馬歇爾試驗(yàn)雙面擊實(shí)50次成型試件，每組礦料級(jí)配下混合料分別成型6個(gè)平行試件，分別測(cè)試不同礦料級(jí)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(duì)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(duì)空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-5、JP-13～JP-16五組級(jí)配下混合料試驗(yàn)結(jié)果繪制9.5 mm通過率對(duì)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(shì)。當(dāng)9.5 mm篩孔通過率從15%增加至55%時(shí)，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(duì)總的空隙率影響較小，但對(duì)連通孔隙率有較顯著影響。

這主要是因?yàn)?.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(duì)礦料比表面積貢獻(xiàn)相對(duì)較小，對(duì)混合料中的自由瀝青及瀝青膠漿數(shù)量影響較小，因此對(duì)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(duì)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(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-1～JP-4四組級(jí)配下混合料試驗(yàn)結(jié)果，繪制2.36 mm篩孔通過率對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)時(shí)，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(jì)級(jí)配下混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果對(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行微調(diào)，可有效提升礦料級(jí)配設(shè)計(jì)的效率。

2.3 2.36～4.75 mm含量對(duì)空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-2、JP-5～JP-8五組級(jí)配下混合料試驗(yàn)結(jié)果繪制2.36～4.75 mm含量對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，其含量的變化對(duì)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(yàn)，當(dāng)空隙率達(dá)到20%～23%時(shí)可實(shí)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(jì)時(shí)建議2.36～4.75 mm含量≤6%，且應(yīng)嚴(yán)格控制其含量波動(dòng)范圍，降低對(duì)混合料空隙率影響。

2.4 0.075 mm篩孔通過率對(duì)空隙參數(shù)的影響

根據(jù)表5中JP-5、JP-9～JP-12五組級(jí)配下混合料試驗(yàn)結(jié)果繪制0.075 mm通過率對(duì)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(duì)0.075 mm通過率變化更為敏感。這主要是因?yàn)?.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(shí)，連通孔隙在加劇減少。因此在大空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(duì)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(yàn)研究得到如下結(jié)論：

（1）9.5 mm篩孔通過率變化對(duì)空隙率影響較小，但對(duì)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(duì)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(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升礦料級(jí)配設(shè)計(jì)的效率。

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

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

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