空隙率對瀝青混合料性能的影響

李艷麗 王 超 白芳舒

(1.平頂山市公路交通勘察設計院，河南 平頂山 467000；2.遼寧省高速公路管理局，遼寧 沈陽 110000； 3.大連理工大學道路工程研究所，遼寧 大連 116000)

·建筑材料及應用·

空隙率對瀝青混合料性能的影響

李艷麗1王 超2白芳舒3

(1.平頂山市公路交通勘察設計院，河南 平頂山 467000；2.遼寧省高速公路管理局，遼寧 沈陽 110000； 3.大連理工大學道路工程研究所，遼寧 大連 116000)

簡述了瀝青混合料空隙率的含義，通過分析空隙率對瀝青混合料的強度與勁度、高溫穩定性、低溫抗裂性、疲勞特性、水穩定性、表面特性六個方面的影響，得出了一些有價值的結論，以供參考。

空隙率，瀝青混合料，路用性能，體積組成

隨著我國高速公路建設迅猛發展和交通事業服務水平的不斷提高，與此同時路面早期病害的產生也有所發展，致使瀝青路面的使用性能與壽命低于應有的設計水平。空隙率作為影響瀝青混合料各項體積指標中的核心，對瀝青混合料性能的影響至關重要。

1 空隙率定義

瀝青混合料空隙率是指試件被壓實后,其內部除礦料毛體積和有效瀝青體積外的間隙(不包括礦料自身內部的孔隙)體積占試件毛體積的百分比。壓實瀝青混合料的體積組成見圖1。

瀝青混合料配合比設計的基本思想就是要求在標準壓實功的作用下形成嵌擠緊密的礦料間隙。用適宜的瀝青填充，留下適當的殘留空隙[1]。

空隙率對瀝青混合料的強度、勁度、高溫穩定性、低溫抗裂性、疲勞特性、耐老化性、表面特性都有影響。本文將針對上述六個因素，分析空隙率對瀝青混合料性能的影響。

2 空隙率對瀝青混合料性能的影響

2.1 空隙率對瀝青混合料強度、勁度的影響

瀝青混合料的力學強度包含礦質集料顆粒之間的嵌擠力(內摩阻力)、瀝青與集料之間的粘結力以及瀝青的內聚力三部分。

密級配瀝青混合料強度較高，開級配強度則明顯降低。也就是說，瀝青混合料的強度與其空隙率的大小關系密切，空隙率小則強度高；反之，則強度低。范·德·波爾引入勁度的概念來描述瀝青混合料的力學性質：

其中,S(t,T)為荷載作用時間t和溫度T條件下瀝青混合料的模量，稱之為勁度模量，也簡稱勁度；σ為荷載應力；ε(t,T)為瀝青混合料在荷載作用時間t，溫度T時的應變。

可見,勁度的表達式是在特定的溫度和時間條件下的應力與應變的關系,雖然形式上與彈性胡克定律一樣，但它說明了瀝青混合料的粘彈性性質，因而得到了廣泛認可。

在一定的溫度和荷載作用時間下，瀝青混合料的勁度模量隨密度的增大而增大，換言之，瀝青混合料的孔隙率增大，而導致勁度的降低。

彭勇、孫立軍[2]通過試驗(試件空隙率小于3%)得出空隙率與破壞勁度模量的關系如圖2所示。當瀝青混合料處于-10 ℃時，其破壞勁度模量隨空隙率的增大而降低。空隙率從1.8%增至2.5%，瀝青混合料低溫(-10 ℃)劈裂破壞勁度模量相應地從2 000 MPa降至1 000 MPa左右，降幅達50%。通過回歸分析，空隙率與破壞勁度模量的關系為單調遞減。本試驗回歸系數R2達0.833 9。

2.2 空隙率對瀝青混合料高溫穩定性的影響

由于交通量的增大，路面車轍日趨嚴重。在行駛載重汽車的車道，城市道路交叉路口，公共汽車停車站，高速公路收費站等部位，車轍較嚴重。當車轍造成的路面變形呈軌道狀，其將嚴重影響行車安全，這是因為車槽中的積水會引起水飄；同時車轍加深，使方向盤難以控制，增加行車的危險性。

如上節所述，瀝青混合料的勁度模量與溫度、荷載作用時間以及荷載的大小有密切關系，其中尤其以溫度的影響最大，這是因為瀝青的粘度隨溫度的變化是呈半對數關系。

當溫度升高時，瀝青粘度下降迅速，從而導致集料顆粒間的粘結力降低，結合料勁度模量減小，荷載作用下的變形增大。高溫下瀝青混合料的抗流動變形能力是其穩定性的主要研究內容。

在一定范圍內，隨著空隙率的增大，瀝青混合料強度降低。其中，剩余空隙率為3%～5%的密實型瀝青混合料強度較高。但當空隙率低于3%，隨著溫度升高，瀝青體積軟化膨脹，形成泛油，危及道路安全。

2.3 空隙率對瀝青混合料低溫抗裂性的影響

當溫度降低，瀝青面層產生收縮變形，導致瀝青內部拉應力增大。當降溫速度過快，瀝青面層的應力松弛模量增大，應力松弛性能降低，導致瀝青面層的應力來不及松弛，出現過大的應力積累。當瀝青內部的拉應力大于瀝青混合料極限強度，便使路面產生橫向裂縫。

菅原照雄[3]對瀝青混合料的空隙率、瀝青用量以及混合料類型對低溫引起溫度應力的破壞進行了研究。根據試驗結果，他認為空隙率對混合料開裂的溫度有一定影響。空隙率越小，破壞的溫度應力就越高，破壞的溫度也越低。但空隙率變化幅度不大時，這種影響不很明顯。

2.4 空隙率對瀝青混合料疲勞特性的影響

隨著社會發展，交通量日益增多，長期交通荷載反復作用將導致瀝青路面產生疲勞破壞。目前，對瀝青混合料的疲勞性能研究方法主要有：力學近似法、能耗方法、現象學方法。力學近似法采用斷裂力學原理分析疲勞裂縫，運用Paris方程描述裂縫擴展與應力強度因子關系；能耗方法研究累積能耗與疲勞壽命的關系；現象學方法認為瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復作用下產生不可恢復強度衰減累積引起的現象。水恩波[4]通過實驗得出,SUP16級配混合料疲勞壽命隨空隙率的變化曲線如圖3所示。試驗結果表明，空隙率為7.4%時，疲勞壽命為226 962次。當空隙率增加1%時，疲勞壽命降低50 990次，僅為前者的77.5%；當空隙率增加2%時，疲勞壽命僅為58%。

2.5 空隙率對瀝青混合料耐老化性的影響

瀝青路面的老化過程一般分為兩個階段，施工過程中的熱老化和路面使用過程中的長期老化。瀝青混合料抗老化能力不僅與瀝青材料、自然氣候條件有關，也與混合料的空隙率大小、瀝青用量等相關。其中在瀝青混合料短期老化過程中，拌合過程的熱老化是最為嚴重的，瀝青針入度降低到拌和前的80%～85%；長期老化過程漫長而復雜，當路面針入度減小至35～50(0.1 mm)之間時，路面容易產生開裂，針入度小于25(0.1 mm)時，路面容易產生龜裂，而空隙率是其主要影響因素。

為提高瀝青混合料的耐久性，延遲瀝青路面的使用壽命，應盡可能采用密室式瀝青混合料，降低空隙率，減少陽光、雨水通過空隙侵入混合料內，減輕瀝青的氧化和剝落。現有一種多孔性的瀝青混合料在高速公路上應用，雖然它的空隙率高達20%左右，但由于集料顆粒表面裹覆著較厚的瀝青膜，因而仍能保持長久的使用壽命。另外，在混合料中摻加纖維材料，由于能吸收較多的瀝青，而有益于耐久性的改善。

據日本東名高速公路的調查，從路面中收回的瀝青其針入度與空隙率有如下關系：

P=-12.6Va+77.3。

其中,P為回收瀝青針入度；Va為空隙率。上式的相關系數為0.73。

殼牌公司對用100號瀝青所拌制的瀝青混合料進行了調查研究，在經歷拌合后瀝青針入度降為70，鋪筑在路面上經過5年，對空隙率3%～12%的不同路段調查發現，回收瀝青的針入度與空隙率有很好的關系。其中空隙率在5%以下的在使用中硬化甚微，而空隙率大于9%的，則針入度由70降至25以下。在其他路段的調查同樣發現，空隙率小于5%的路段其老化并不嚴重。

2.6 空隙率對瀝青混合料表面特性的影響

瀝青混合料的表面特性是指瀝青混合料鋪筑成路面后，所應具有的抗滑性、吸收噪聲和反光特性，而瀝青路面的這些性質都與混合料的組成結構所構成的表面宏觀構造有密切的關系。

2.6.1 空隙率對抗滑性能的影響

為確保道路交通安全，瀝青路面需具有足夠的抗滑性。光滑路面表面在雨后形成很厚的水膜，使輪胎與路面之間的摩阻力降低，極易造成行車滑溜引發交通事故。

隨著車速的提高，瀝青路面的摩阻系數降低。光滑表面的摩阻系數最低，磨光的路面摩阻系數較低。

但并非道路紋理越細，表面摩阻系數越高。低速行駛時，細紋理的表面摩阻系數較高，因為低速行駛時，細紋理表面的構造深度來得及排除表面水，故仍能保持與輪胎有較好的接觸；但高速行車時則粗紋理的表面摩阻系數較高，因為高速行駛時，路表面水來不及從高速滾動的車輪下排除，在輪胎與路面表面之間形成一層水膜，以致車輪產生飄滑現象。粗紋理構造提供了較大的通道，使輪胎下的水能迅速排除，從而使輪胎與路面表面保持良好的接觸，因而有很好的抗滑性能。

許多國家在高速公路上鋪筑高空隙的排水式瀝青路面。美國聯邦公路管理局從20世紀60年代起就鼓勵鋪筑這種路面。同傳統的瀝青路面相比，許多州的交通事故數量明顯降低。

2.6.2 空隙率對路面噪聲的影響

隨著交通運輸的迅猛發展，交通噪聲污染影響范圍擴大，持續時間加長，越來越多的人受到交通噪聲污染的困擾。如果噪聲持續時間較長，會造成人們注意力不集中、反映遲鈍、容易疲勞，影響工作和學習，嚴重的還會引起人們頭昏、血壓升高、失眠等病狀，危害健康。這類噪聲的來源包括汽車發動機震動，進出口排放系統，行進過程中的加、減速及制動時輪胎與路面的摩擦等。為了降低交通噪聲，世界各國積極開展研究，發現開級配的低噪聲瀝青路面能有效降低交通噪聲。低噪聲瀝青路面的主要特點是開級配瀝青混合料的高空隙率，不僅具有良好的滲水功能，而且具有良好的吸聲特性。王佐明[5]采用正交試驗方法來分析在半無限厚材料和厚度d(剛性背襯)材料中,四個結構摻量對材料垂直入射吸聲系數α的影響,以及四個摻量之間的交互作用。為了直觀了解孔隙率Ω對材料垂直入射吸聲系數的影響,在駐波管中對厚度60 mm不同孔隙率的試樣進行了吸聲系數頻響測試。圖4表明，低噪聲瀝青路面比普通密級配瀝青路面吸音能力強，其峰值接近0.7。

圖5表明，材料垂直入射吸聲系數峰值αp與孔隙率Ω之間的關系,兩者之間存在擬合公式:αp=0.042Ω-0.053。

2.6.3 空隙率對路面反光特性的影響

調查研究表明，夜間因素為構成交通事故的主要原因。夜間車輛肇事量、肇事程度、駛離道路的情況均大于白天；行人肇事危險性為白天的兩倍。由此可見，道路及其環境(尤其是路面因素)對駕駛視覺的影響很大，路面能見度關系到行車安全[6]。

細密的光滑路面是造成路面鏡面反射的主要原因，因此多孔性排水式瀝青路面能夠得到廣泛應用。

3 結語

本文針對空隙率對瀝青混合料性能的影響，得到以下結論：1)空隙率增高，瀝青混合料強度降低、勁度降低；2)空隙率為3%～5%的密實型混合料，高溫穩定性較好；3)對于低溫抗裂性能：空隙率越小，破壞的溫度應力就越高，破壞的溫度也越低，但空隙率變化幅度不大時，這種影響很不明顯；4)空隙率越大，疲勞壽命降低；5)空隙率越大，老化速度越快；6)多孔性瀝青路面的表面特性較好。

[1] 佟軍華.論壓實瀝青混合料的密度、空隙率與壓實度問題[J].遼寧省交通高等學院學報,2003(5)：32-33.

[2] 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,2009(10)：60-61.

[3] [日]菅原照雄.瀝青混合料力學性能研究論文集[C].張肖寧，譯.1982.

[4] 水恩波.空隙率對SUP16型瀝青混合料路用性能的影響[J].科技致富向導，2012(3)：53-55.

[5] 王佐明.低噪聲瀝青路面聲學特性的理論初探[J].同濟大學學報，1997(8)：70-72.

[6] Masad E.,Jandhyala V.K., Dasgupta N., et al. Characterization of Air Void Distribution in Asphalt Mixes Using X-ray Computed Tomography[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2002,14(2)：122-129.

The influence of porosity to asphalt mixture performance

Li Yanli1Wang Chao2Bai Fangshu3

(1.PingdingshanHighwaySurveyandDesignInstitute,Pingdingshan467000,China; 2.LiaoningHighwayManagementBureau,Shenyang110000,China; 3.RoadEngineeringInstitute,DalianUniversityofScienceandTechnology,Dalian116000,China)

This paper briefly described the connotation of asphalt mixture porosity, through the analysis on the influence of porosity to the strength and stiffness, high temperature stability, low temperature crack resistance, fatigue characteristics, water stability, surface characteristics six aspects of asphalt mixture, obtained some valuable conclusions, for reference.

porosity, asphalt mixture, pavement performance, volume composition

2015-01-16

李艷麗(1970- ),女，高級工程師； 王 超(1974- ),男，高級工程師； 白芳舒(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0095-03

TU535

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