級配曲線走向與瀝青混凝土空隙率關系的研究＊

徐慧寧 譚憶秋 李曉民 馬韶軍

（哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1） 哈爾濱 150090）

（甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司2） 蘭州 730030）

0 引 言

瀝青混合料是由石料、瀝青、空氣三相組成的復合材料，其中礦料級配是影響瀝青混合料性能的主要因素；而體積參數作為瀝青混合料空間結構組成的直接外在表現形式，與級配之間存在密切的聯系.特別是20世紀90年代，隨著體積設計法的提出，瀝青混合料體積參數與礦料級配的關系成為國際道路界的熱點問題.

Obaidat、呂文江、蘇洲等的研究顯示，瀝青混合料體積參數隨著粗集料用量和內部級配的變化而發生較大改變［1－3］.李艷春運用灰關聯分析表明礦料級配對瀝青混合料體積參數有較大影響［4－5］.徐慧寧應用雙因素方差分析，證明了體積參數的變化主要是由于級配變化造成的［6］.與此同時，Shen指出，級配變化時，瀝青混合料空隙率與礦料間隙率具有相同的變化規律［7］；Abdel－Jawad，Abdullah的研究顯示，由偏粗級配形成的瀝青混合料通常具有較高的空隙率，這一結果在一定程度上證實了Bailey的研究成果［8］.而劉樹堂認為在其他因素相同的情況下，礦料級配曲線與理論最大密度線的相似性決定了空隙率的大小［9］.本文以AC－16型瀝青混合料為研究對象，以4.75 mm篩孔作為關鍵篩孔，通過調整礦料級配中粗、細集料內部比例及4.75mm通過率，對能夠敏感反映級配變化的體積參數——瀝青混合料空隙率，隨級配走向改變的變化規律進行了研究；并運用數理統計的方法，進行了瀝青混合料空隙率對級配變化的敏感程度分析.

1 材 料

1.1 集料與填料

集料為黑龍江省優質地產安山巖.集料采用落錘式破碎機加工，顆粒立方體形狀較好，強度高，硬度大，有較好的耐磨性.礦粉由石灰巖磨細而成，表觀相對密度為2.672，0.075mm通過的質量分數為80.3%.

1.2 瀝青

瀝青材料采用中海110＃基質瀝青，主要技術指標見表1.

表1 瀝青技術性質

2 試驗方案設計

試驗級配見表2.

3 試驗結果及討論

依據JTJ 052－2000（T0702－2000）的方法，對表2所列級配進行馬歇爾試件擊實成型，集料、瀝青加熱溫度分別為160，145℃，每組級配制作5個平行試件；采用JTJ 052－2000（T0705－2000）的方法測定各試件的瀝青混合料空隙率，見表3.

表2 試驗級配匯總

表3 瀝青混合料空隙率匯總

3.1 級配走向變化對瀝青混合料空隙率變化趨勢的影響

圖1a）顯示，細集料級配發生變化時，隨著細集料級配由偏細的上限級配變化到偏粗的下限級配，瀝青混合料空隙率逐漸變大.圖1b）顯示，4.75mm通過率和細集料級配同時發生變化時，空隙率的變化與圖1a）所示規律相同，即細集料取上限級配時空隙率最小，取下限級配時的空隙率最大，中間級配的空隙率居于二者之間，并且這種關系不隨粗集料內部結構、關鍵篩孔通過率變化而改變.

圖1 細集料變化對空隙率變化趨勢的影響

由圖2a）可知，粗集料發生變化時，瀝青混合料空隙率產生規律性變化，粗集料采用中間級配時空隙率最??；采用上限級配時空隙率最大；采用下限級配時的空隙率介于二者之間.圖2b）顯示，保持細集料級配不變，同時改變粗集料和4.75 mm通過率對瀝青混合料空隙率變化規律產生了較大的影響，這說明有必要對4.75mm通過率對空隙率產生的影響進行研究.

同時，將圖2a），b）中的數據比較可見，變化4.75mm通過率，改變了原有級配中9.5～4.75 mm與4.75～2.36mm之間顆粒的比例關系，這種改變使得空隙率發生了明顯的變化，上述現象說明16～9.5mm之間粒徑并不是引起瀝青混合料空隙率變化的主導因素，這一觀點在下面的分析中被證實.

圖2 粗集料變化對空隙率變化趨勢的影響比較圖

圖3中數據表明，對于粗、細集料均取上限的級配sx－11，當4.75mm通過率上升5%時，空隙率隨之下降.對于粗、細集料均取下限的級配sx－22，其中粗集料中大粒徑顆粒含量較多，形成了豐富的空隙，而細集料由于級配偏粗不能充分的填充這些空隙，適當減少4.75mm通過率可增大9.5～4.75mm檔對于更大骨架的填充作用，導致了空隙率的降低.由此可以看出，不同粒徑石料的分布狀況對于空隙率的形成起到重要的作用.

圖3 4.75mm通過率變化對空隙率的影響

3.2 瀝青混合料空隙率對級配走向變化敏感程度的研究

此部分采用空隙率的絕對變化表征空隙率對級配走向變化的敏感程度.為避免礦料顆?？臻g分布的隨機性引起的空隙率差異，防止個別異常值導致計算結果與實際情況出現偏差，本部分借鑒數理統計中秩和檢驗的方法（見參考文獻［10］），進行級配走向變化對瀝青混合料空隙率影響程度的分析.各試驗級配的瀝青混合料空隙率列于表3.

按照式（1）～（3）定義如下計算參數：

式中：VV（上限）為取上限級配時瀝青混合料空隙率；VV（下限）為取下限級配時瀝青混合料空隙率；為取中值級配時瀝青混合料空隙率的平均值；VV（4.75mm）iii為4.75mm 通過率變化時瀝青混合料空隙率為4.75mm通過率取中值時瀝青混合料空隙率的平均值.

表4顯示，無論粗集料級配處于何種水平，改變細集料內部結構都會使空隙率發生較大變化，最大變化幅度可達3.212%，最小的也有2.211%.表5秩和檢驗結果表明，在95%置信水平條件下，細集料級配變化相同幅度時，級配的變化趨勢（趨于級配下限或上限）對于空隙率變化幅度并無顯著影響，即瀝青混合料空隙率對細集料變化具有相同的變化速率，不受級配變化趨勢的影響.表6秩和檢驗結果顯示：在95%置信水平條件下，當粗集料處于中間級配時，空隙率對細集料級配變化的敏感程度最大；而當粗集料處于上限級配時，空隙率對細集料級配變化的敏感程度最小.

無論細集料處于何種水平，粗集料級配走向的變化均會導致瀝青混合料空隙率的變化.分析表8秩和檢驗結果知：在95%置信水平條件下，當細集料采用中值或上限級配時，粗集料結構變細（趨于上限級配）時的空隙率的變化幅度顯著大于粗集料結構變粗（趨于下限）時的；當細集料屬于下限級配時，粗集料的變化方向對于空隙率的變化幅度沒有顯著影響，可認為此時瀝青混合料空隙率對粗集料的變化具有相同的變化速率.

表4 細集料變化時空隙率變化幅度匯總 %

表5 細集料變化方向對空隙率變化幅度影響秩和檢驗表

表6 細集料變化時粗集料級配走向對空隙率變化幅度影響秩和檢驗表

表7 粗集料變化時空隙率變化幅度匯總 %

由表9秩和檢驗結果知：在95%置信水平條件下，當細集料處于偏細的上限級配時，粗集料的波動對于空隙率將產生較大的影響，而當細集料取偏粗的下限級配時，粗集料的變化對空隙率的影響非常微小.造成這種現象的原因是由于當細集料偏細時，對空隙率的填充效果較強，粗集料波動導致的骨架形成效果受此種填充作用影響較大；而細集料取下限時由于細顆粒含量較少，填充效果不如前者強烈，因此粗集料的變化受此種約束較少，空隙率變化幅度不大.

表9 粗集料變化時細集料級配走向對空隙率變化幅度影響秩和檢驗表

表10 4.75mm通過率變化時空隙率變化幅度匯總%

表11 4.75mm通過率變化對空隙率變化幅度影響秩和檢驗表

由表10～11可知：4.75mm通過率的變化會使空隙率產生一定幅度的變化，且當通過率變大時的變化幅度顯著大于通過率變小時的變化幅度.3.

3 影響瀝青混合料空隙率變化的顯著性因素分析

綜合前述分析結果，將各級配空隙率變化的平均值作為比較指標，運用秩和檢驗考察級配各組成部分對瀝青混合料空隙率變化的影響程度.

表12 影響瀝青混合料空隙率變化關鍵因素秩和檢驗表

由表12可知，在95%置信水平時，改變4.75 mm通過率與變化粗集料內部結構所引起的瀝青混合料空隙率的變化幅度無顯著差異；而細集料變化引起的空隙率變化幅度卻顯著大于4.75 mm通過率變化引起的空隙率變化幅度.由此可知，細集料變化是影響瀝青混合料空隙率變化的最顯著因素.

4 結 論

1）隨著細集料級配由偏細的上限級配變化到偏粗的下限級配，瀝青混合料的空隙率逐漸變大；粗集料采用中間級配空隙率最小，采用上限級配，空隙率最大；4.75mm通過率對于空隙率也有重要的影響.

2）秩和檢驗結果表明，粗、細集料內部結構及4.75mm通過率的變化都會對瀝青混合料空隙率產生影響.當細集料改變時，粗集料的走向對空隙率的變化幅度有一定影響，當粗集料改變時，細集料的走向對空隙率的變化幅度也有一定的影響；此外，瀝青混合料空隙率對細集料的變化具有相同的變化速率；但當粗集料變化時，如果細集料屬于中值或上限級配，粗集料結構變細時空隙率的變化速率顯著大于粗集料結構變粗時的；當細集料屬于下限級配時，粗集料的變化方向對于空隙率的變化速率沒有顯著影響.

3）通過比較改變4.75mm通過率前后的瀝青混合料空隙率可知，粗、細集料顆粒分布的均衡關系對于瀝青混合料空隙率有一定的影響.

4）秩和檢驗結果顯示，細集料級配的變化是導致瀝青混合料空隙率變化的最顯著因素.

［1］Obaidat M T，Abdullah W S，Nazem M，et al.Influence of aggregate type and gradation on voids of asphalt concrete pavements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1998（5）：76－85.

［2］呂文江，陳愛文，郝培文，等.貝雷法參數CA比對瀝青混合料性能的影響［J］.長安大學學報：自然科學版，2005（4）：5－8.

［3］蘇 洲，李立寒，陳洪坡.SMA混合料體積結構影響因素的試驗研究［J］.公路交通科技，2006（11）：40－43.

［4］李艷春，孟 巖，周驪巍，等.瀝青混合料空隙率影響因素的灰關聯分析［J］.中國公路學報，2007（1）：30－34.

［5］彭 勇，孫立軍.空隙率對瀝青混合料性能影響［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（5）：826－829.

［6］徐慧寧.體積指標對瀝青混合料路用性能的影響［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，2007.

［7］Shen Derhsien，Kuo Mingfeng，Du Jiachong.Properties of gap－aggregate gradation asphalt mixture and permanent deformation［J］.Construction and Building Materials，2005（19）：147－153.

［8］Abdel－Jawad Y A，Abdullah W S.Design of maximum density aggregate grading［J］.Construction and Building Materials，2002（16）：495－508.

［9］劉樹堂，毛洪錄，姚占勇.瀝青混合料空隙率與礦料級配曲線關系研究［J］.山東大學學報：工學版，2005（4）：95－98.

［10］孫 虎.應用數理統計［M］.北京：清華大學出版社，2006.