瀝青混合料的結構及其特性

國 旗 張 勝

(1.大連力和公路工程有限公司，遼寧大連 116033;2.大連金港市政工程有限公司，遼寧大連 116600)

1 概述

瀝青混合料是由起骨架作用的粗集料和起填充作用的細集料以及起膠結作用的瀝青等按一定的比例組合而成的，是一種各向異性的空間網絡結構的非均質材料，其性能不僅受材料成分和性質的影響，還要受到其組成結構的影響。在我國經常采用半剛性基層和柔性的瀝青混合料面層相結合的結構形式，這種上柔下剛的結構對直接承受行車荷載的面層的性能要求十分苛刻，沙慶林院士曾表示路面的結構破壞和嚴重轍槽對路面的使用性能影響巨大［1］，面層的結構破損和轍槽的產生與材料的結構性能息息相關。

路面的各種路用性能與混合料的結構類型關系密切，主要反映在結構類型與其抗剪性能、高低溫穩定性、水穩定性以及結構的耐久性等上面。可根據瀝青混合料的材料的級配情況將其結構分為以下三種類型:

1)材料為連續級配時，各級集料均被次級集料隔開，無法直接形成骨架，但密實性較大，這種結構類型稱為懸浮密實結構;

2)材料為連續開級配時，由于材料間遞減系數較大，粗集料含量較多，細集料無法填滿粗集料之間的空隙，形成了骨架空隙結構;

3)材料為間斷級配時，斷去了中間尺寸粒徑，這樣既有足夠的粗集料形成骨架也有較多的細集料將骨架的空隙填滿，形成了骨架密實結構。三種結構中材料骨架結構的相互接觸各不相同，因此集料的嵌擠作用和瀝青的粘結作用也具有較大的差別，而嵌擠作用和粘結作用又與混合料的各種路用性能息息相關，所以應該重視瀝青混合料的結構類型與其性能的關系。

2 瀝青混合料的結構類型與路用性能的關系

2.1 瀝青混合料的結構與抗剪強度

混合料的骨架結構和集料顆粒的摩擦性能對瀝青混合料的抗剪強度有較大影響。但是目前國內規范對集料顆粒的相關規定僅限于材料表觀的個性描述，如顆粒有棱角、近似立方體、表面粗糙等，這對于了解和描述瀝青混合料抗剪強度是遠遠不夠的，還需要研究材料整體級配與摩擦性能的關系。直接剪切試驗雖然操作簡單但可用于集料顆粒摩擦性能研究［2］，根據三種典型結構的特性統一選用公稱粒徑最大尺寸相同的瀝青混凝土AC-201(懸浮密實結構)、瀝青瑪脂碎石SMA-20(骨架密實結構)以及瀝青碎石AM-20(骨架空隙結構)進行對比試驗［3］，得出對于抗剪強度隨級配的變化較為明顯，骨架密實結構抗剪強度最大，懸浮密實結構則表現最差。

僅從集料內部的相互作用看三種典型結構，骨架密實結構的集料內摩擦角大，相互咬合，能形成良好的嵌擠狀態，抗剪能力較強。懸浮密實結構因為其細集料較多、內摩擦角小，承受剪力時粗集料被撐開，所以抗剪能力最低。骨架空隙結構的材料特性處于兩者之間，與試驗結果相互吻合。

2.2 瀝青混合料的結構與高溫穩定性和低溫抗裂性

作為一種粘彈性材料，瀝青混合料的性能受溫度的變化和荷載作用的影響較大。目前通常用車轍試驗中的動穩定度參數來表示瀝青混合料的高溫性能。在高溫狀態下，瀝青軟化，粘結力降低，此時瀝青混合料抵抗外界荷載的抗剪能力將依賴于礦質材料的內摩阻力，而瀝青混合料的結構類型各自具有不同的接觸特點，內摩阻力各不相同，進而影響瀝青混合料的粘結性。懸浮密實結構由于細集料和瀝青用量較多，粗集料處于懸浮狀態，內摩阻力較低，易受到溫度影響，高溫穩定性較差。相對而言，骨架結構的瀝青混合料，在空間中形成了一系列的骨架嵌鎖結構，提高了混合料的內摩阻力，在行車荷載作用下，改善了其抗車轍的能力，即提高了高溫穩定性。骨架密實結構在形成骨架嵌鎖結構的同時，在骨架的空隙中填充著密實的較細的礦質材料和瀝青的混合物，在一定程度上形成了約束作用，較骨架空隙結構更為穩定。綜上所述提高瀝青混合料中的粗集料含量形成骨架結構的同時采用骨架密實結構可有效地提高其高溫穩定性。

為探討結構類型與其低溫抗裂性能的關系，采用－10℃的小梁低溫彎曲破壞試驗［4］。從低溫抗裂性能試驗結果來看，骨架密實結構瀝青混合料的低溫抗裂性能低于懸浮密實結構的瀝青混合料。這主要是由于粗集料含量較多時，相應的低溫勁度偏大，其低溫性能受到一定的影響。僅從粗集料的含量方面來說，其結構類型的影響明顯服從于試驗的預期效果，具有良好的規律性，即骨架空隙結構優于骨架密實結構，而懸浮密實結構低溫抗裂性則為最優。

2.3 瀝青混合料的結構與耐久性

2.3.1 水穩定性能

所謂瀝青混合料的水穩定性，即抗水損害能力。水損害是指瀝青混合料在有水存在的情況下，經受荷載和溫度脹縮的反復作用，水分逐漸浸入到瀝青與集料的界面上，同時由于水動力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝落，并導致集料之間的粘結力喪失而使混合料整體力學強度降低的過程［5］。瀝青混合料的抗水損害能力主要取決于集料的性質、混合料的結構類型，以及瀝青混合料的空隙率、瀝青膜的厚度等。除了荷載及水分供給條件等外在因素外，抗水損害能力是決定路面的水穩定性的根本因素。

道路的水損害是造成路面結構破壞的主要因素之一。路面結構層的孔隙率和滲透系數與道路抗水損害的性能關系密切，因此研究骨架結構與其孔隙率和滲透系數的關系尤為重要。在控制級配與材料表觀特性等影響因素條件下［6］，瀝青混合料的孔洞特性表明:結構類型不同時，其孔隙率相同的條件下，滲水系數仍然存在較大差異。由于干涉理論為基礎的干涉的存在［7］，骨架密實結構與懸浮密實結構相較來說，其骨架松動效應有較高的概率，孔洞分布極不均勻，因此而導致的滲透系數分布沒有規律性。

現實的工程經驗中，骨架結構采用粗級配時，比較容易產生滲水現象，原因在于骨料的附壁效應［8］，相較懸浮密實結構來說，骨架密實結構更容易滲水。對于骨架空隙結構，水較容易侵蝕集料與瀝青膠漿形成的瀝青膜，因此可能存在比較大的水穩定性破壞隱患。而懸浮密實結構，粗集料大多被瀝青包圍，水分不容易進入，水穩定性表現良好，骨架密實結構處于兩者之間，所以滲水特性上骨架空隙結構最優，骨架密實結構次之，懸浮密實結構最差。

2.3.2 疲勞特性

瀝青混合料的疲勞特性與空隙率、瀝青用量、集料特性等息息相關，根據相關疲勞試驗可知［9］:瀝青混合料的疲勞壽命隨瀝青用量變化出現一最佳值，并且此最佳值位于馬歇爾試驗確定的最佳瀝青用量附近。從細觀角度看，以上試驗結果是由于在此最佳瀝青用量附近，瀝青與礦料之間的粘聚力最佳，因而表現出較強的疲勞性能。

當瀝青混合料的類型由開級配到密級配轉變時，空隙率由大到小，其抗疲勞性能逐漸增強，這主要是由于空隙率越大，瀝青混合料內部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復作用下就越易引發微裂縫的擴展破壞，從而降低疲勞壽命。因此密級配的懸浮密實結構疲勞性能最好，斷級配的骨架密實結構次之，開級配的骨架空隙結構最差。

2.4 瀝青混合料的結構與抗滑性能

研究表明［10］，瀝青路面的抗滑性能主要由其微觀結構和宏觀結構決定。通常情況下，微觀結構考慮材料性能，要求要有較好的耐磨光性和耐磨耗特性;宏觀結構考慮的是集料的大小及級配情況。在滿足微觀與宏觀雙方面的要求方面，礦料的性能及其組成顯得尤為重要。礦料的表面微觀結構在行車速度較低時貢獻較大，而礦料的級配則在高速行車時抗滑能力起決定性作用［10］。對于一定級配的礦料組成，總有與之對應的最佳瀝青用量。當實際用量過大時，顆粒間自由瀝青量增多、粘附性變差、易產生相對滑移，從而導致穩定性不好;而當用量過少時，集料間的粘結力小，易松散、剝落。

在保持其他影響因素相同的情況下，材料級配的不同對路面的抗滑性能也會產生較大影響。對于密實懸浮結構來說，其空隙率較小，表面光滑，因此路面紋理相對其他結構來說較細，構造深度和摩擦系數均較小;骨架空隙結構是通過強度較高的集料之間的相互嵌擠作用形成的穩定的結構骨架，其粘結料的粘結性能良好，結構的空隙率大、表面粗糙，因此宏觀構造和微觀構造都符合抗滑性能的要求;而對于骨架密實結構，宏觀構造類似于骨架空隙結構，但是由于骨架中填充著細集料和粘結料，使路面結構的穩定性更好，因而抗滑水平處于一個比較高的層次。

3 結語

通過以上分析可知:

1)懸浮密實結構各級集料均被次級集料所隔開，無法直接形成骨架，因此其摩擦角較低，抗滑性能較差;由于瀝青和細集料較多、粘聚力較高，水穩性和疲勞性能較好;但在高溫穩定性能上表現很差，其結構強度受溫度的影響很大。

2)骨架密實結構中集料形成了內摩擦角較大的骨架嵌擠結構，高溫穩定性能非常好，水穩性表現良好，雖然低溫抗裂性能較低，疲勞性能表現一般，但是綜合低溫抗裂性、高溫穩定性、水穩性等路面使用性能，骨架密實結構表現最為理想。

3)骨架空隙結構中細集料過少，空隙率大，骨架之間未被填滿，雖然具有較高的摩阻角但是其粘聚力較低，水穩性、抗滑性能與疲勞性能較差，但是熱穩定性能很好。若采用改性瀝青等技術措施可大大提高其使用性能［11］，目前排水路面大多采用此種結構類型。

［1］沙慶林.高速公路瀝青混合料路面的早期破壞［J］.公路，2004(11)：1-4.

［2］王瑞宜.瀝青混合料集料顆粒間的摩擦性能的直剪試驗評價［J］.中南公路工程，2005(3)：52.

［3］何昌軒.瀝青混合料骨架結構抗剪強度特性的試驗研究［J］.交通運輸工程與信息學報，2007，5(4)：84-88.

［4］王富玉，李艷玲.新SAC13瀝青混合料路用性能及施工應用［J］.RMCM，2009(2)：39-41.

［5］孫德棟，彭 波.瀝青路面設計與施工技術［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003：75-76.

［6］張 蕾.基于細觀分析的瀝青混合料組成結構研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學博士論文，2008.

［7］陳旭慶.級配類型對瀝青混合料性能的影響［D］.南京：東南大學碩士論文，2003.

［8］弗朗索瓦·德拉拉爾.混凝土混合料的配合［M］.廖 欣，譯.北京：化學工業出版社，2004：33.

［9］郝培文，張景濤.不同級配類型瀝青混合料抗疲勞特性研究［J］.石油瀝青，1998，12(2)：20-24.

［10］趙戰利.瀝青路面抗滑表層研究［D］.西安：長安大學碩士學位論文，2002.

［11］劉 剛.纖維改性排水性瀝青混合料組成設計與性能研究［D］.武漢：武漢理工大學碩士學位論文，2006.