沥青混凝土结构表征与参数构建

孙 勇，纪 伦，孙维刚，刘海权,3，李 俊,4，谭忆秋

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院, 哈尔滨 150090；2.黑龙江省八达路桥建设有限公司, 哈尔滨 150076；3.吉林省交通规划设计院, 长春 130021；4.中建丝路建设投资有限公司, 西安 710075)

目前针对沥青混凝土的研究主要集中在路用性能方面[1-2]，而针对结构的相关研究较少. 但沥青混凝土的结构与性能密不可分，一定程度上，结构决定性能，故对沥青混凝土结构研究是十分重要的[3-5]. 在沥青混凝土结构表征方面，国内外开展了一些研究，如：文献[6]中所用的贝雷法由Robert D. Bailey提出，是一种新的确定沥青混合料的方法. 其主要思路是通过控制粗集料和细集料关键筛孔的通过率，贝雷法粗细集料临界筛孔采用的是0.22D，这样设计的矿料级配具有良好的骨架结构，然后通过对粗细集料的比例进行调整，获得比较合适的矿料间隙率，按照设计密度进行级配设计，同时以此来保证骨架结构. 最后用三参数CA、FAc、FAf来进行检验，以确保设计的沥青混合料具有较好的路用性能. 文献[7-8]在碾压混凝土设计中引入BETA和ALPHA两参数，二者能够反映混合料各项性能指标的变化趋势，可以作为沥青混合料配合比设计的指标；文献[9]基于Delaunay三角剖分建立了胶浆面积、颗粒间最小距离及颗粒重心距离等参数, 但这些参数在分析时颇显繁琐，且不够全面.

为了进一步完善沥青混合料体积参数体系，在现有成果[10-14]的基础上，本文从沥青混凝土材料的体积及体积项组成关系出发，对沥青混凝土组成成分和结构特点进行分析，总结并构建体积参数. 选取不同级配和不同沥青用量的沥青混合料来计算其体积参数的结果，分析级配和沥青用量与参数之间的关系. 基于此研究，能够更好地理解沥青混凝土的结构与各项性能之间的关系，为研究结构与性能的关系以及进行配合比设计、施工质量控制提供依据.

1 沥青混合料体积参数及构建

1.1 沥青混合料较常见的体积参数

沥青混合料的体积参数是用来描述沥青混合料中各项组成之间的关系以及沥青混合料的内部结构的，是沥青混合料配合比设计的重要指标，主要参数为：1)空隙率VV.压实的沥青混凝土中，空隙体积占混合料总体积的百分比. 2)沥青体积百分率VA.压实沥青混凝土中，沥青的体积与试件总体积的百分比为沥青的体积百分率. 3)矿料间隙率VMA.压实沥青混凝土中除去集料体积后剩余的体积占总体积的百分比称为矿料间隙率. 4)沥青饱和度VFA.压实沥青混凝土中，沥青部分体积占矿料骨架以外的空隙部分体积的百分比称为沥青饱和度. 5)沥青膜厚度da. 在压实的沥青混合料中，沥青包裹在集料表面，所形成膜的厚度，mm. 6)粗集料体积百分比Vc[15]. 压实的沥青混凝土中粗集料的体积占总体积的百分比. 7)细集料体积百分率Vf[15]. 压实的沥青混凝土中细集料的体积占总体积的百分比. 8)胶浆体积百分率VM[15]. 压实的沥青混凝土中胶浆体积占总体积的百分比.

1.2 与沥青、集料材料相关体积数的构建

沥青混凝土参数的构建基于各组成成分之间的体积关系，其体积组成示意图如图1所示，图中VV为空隙率；VA为沥青体积百分率；VM为胶浆体积百分率；Vf为细集料体积百分率；Vc为粗集料体积百分率.

图1 沥青混凝土体积组成示意图

Fig.1 Schematic diagram of volume composition of asphalt concrete

本文具体构建如下体积参数：

1)粗细集料体积比Vc / f. 压实沥青混凝土中，全部粗集料(大于等于4.75 mm的颗粒)的体积与全部细集料(小于4.75 mm的颗粒)体积的比值. 计算公式为

粗细集料体积比的建立是为了更好地建立粗细集料之间的关系，通过试验寻找最佳比例，以达到最优的结构和性能.

2)粉胶体积比FAV. 压实的沥青混凝土中矿粉的体积与沥青的体积比. 计算公式为

3)粉浆体积比FBV. 压实的沥青混凝土中矿粉的体积与胶浆的体积比. 计算公式为

4)浆集体积比.沥青胶浆、空隙、集料三者构成沥青混合料，其中，胶浆(胶浆+空隙)与集料的比值对沥青混合料的结构和性能有着一定的影响.

(a)F1比.在压实的沥青混凝土中胶浆(沥青+0.075 mm以下部分)的体积与集料(0.075 mm及以上)体积的比值，计算公式为

急性化脓性中耳炎是临床常见耳病之一，常见致病菌有GAS等，普通的GAS毒力并不强，但侵袭性A族链球菌（invasive group A streptococcus,iGAS）可引起败血症、坏死性筋膜炎和链球菌中毒休克综合征等，病情十分凶险。急性中耳炎因GAS感染引起颅内并发症，临床上并不多见，挪威Haukeland University Hospital医院报道，在 2004～2009 年间，共收治6例，其中5例为耳源性脑膜炎[2]；GAS型脑膜炎占急性脑膜炎的0.3%～2%[4，5]，约60%的原发病灶为中耳炎及鼻窦炎[3]，死亡率高达 27%[3，6]，引起临床上的高度重视。

(b)F2比. 在压实的沥青混凝土中胶浆的体积、空隙体积之和与集料体积的比值. 计算公式为

1.3 与空隙相关的体积参数构建

1)细集料填充率Vf/(1-c). 压实沥青混合料细集料占除去粗集料外剩余部分的体积百分率. 计算公式为

2)骨架系数G. 用于描述沥青混合料在成型之后，沥青混合料中粗集料在细集料和胶浆中的分散情况. 测试方法为：同一种级配的沥青混合料，先用粗集料放入一定体积和质量的容积升进行振实，计算其振实密度；然后成型沥青混合料试件，计算成型后试件中粗集料的质量与试件体积的比. 骨架系数的计算公式为

式中ρcs为压实后的沥青混合料试件中粗集料(大于4.75 mm的颗粒)的质量与试件总体积的比,ρzs为同样配比的粗集料灌入容量筒经振实后的质量与容量筒容积的比.

为了更好地把握沥青混合料中骨架的形成情况，单靠粗集料体积占比和矿料间隙率是无法满足的，因此在基于研究需求的基础上建立了骨架系数这一参数，能清楚地反应沥青混合料在成型前后粗颗粒的分布变化，可以更加清晰地反映出骨架成型情况.

2 体积参数与级配、沥青用量关系分析

通过上述的分析，构建体积参数，为了更方便研究参数与级配的关系，进而进行更深一步的研究，在基于参数本身所表征的含义以及与沥青混合料结构组成材料方面的关系，将常见体积参数与构建参数进行分类,具体如下：1)沥青类.沥青体积百分率、沥青饱和度、沥青膜厚、胶浆体积百分率、胶浆膜厚度. 2)空隙类.空隙率、矿料间隙率、粗集料矿料间隙率、胶浆空隙率、骨架系数. 3)集料类.粗集料体积百分率、细集料体积百分率、粗细集料体积比、粉胶比、粉浆比、浆集体积比F1、浆集体积比F2、细集料填充率.

本文以AC-16中值作为中间级配，变化沥青用量(质量分数分别为4.2%，4.7%，5.2%)，进行参数性能分析. 为了增大各级配的差别，以(新级配1=级配中值+(级配上限-级配中值)×80%)作为J1，以(新级配2=级配中值+(级配中值-级配上限)×80%)作为J7. 然后不改变粗集料(大于等于4.7 mm的颗粒)的质量分数，细集料(大于等于0.075 mm，小于4.75 mm的颗粒)的质量分数由级配1、级配7分别与级配曲线中值求均值得级配2、级配6，如图2所示. 各级配沥青用量：J1、J2、J4、J6、J7质量分数为4.7%，J3质量分数为4.2%，J5质量分数为5.2%.

图2 级配曲线

2.1 体积参数的计算

按照规范规定的方法成型马歇尔试件，测其密度等物理量指标，然后计算其体积参数，计算结果见表1.

2.2 级配变化与参数关系分析

沥青混凝土级配的变化实际上是混凝土中矿料占比的变化. 按照参数类别分析级配与参数的关系，如图3所示. 由图3可以看出，沥青类参数随级配变化波动较大，规律不统一，具体如下：1)对于沥青体积百分率VA与沥青饱和度VFA来说，两者变化规律基本相同. J1、J2、J4、J6、J7因为沥青用量相同，参数稍有波动，但变化不大；而对于J3、J4、J5，因级配相同，沥青用量为线性增加，曲线呈线性上升趋势. 2)由图3(b)可以看出，胶浆体积百分率VM在J1、J2、J4、J6、J7五个级配点上，呈下降趋势. 分析其原因是随级配变化，细集料逐渐减少，矿粉比例减少，而沥青用量不变，所以随级配变化参数VM逐渐递减；而对于J3、J4、J5三个级配，因沥青用量的增加幅度大于矿粉减小的幅度，故参数VM逐渐增长. 3)由图3(d)可以看出，胶浆膜厚度db随级配波动幅度较小，处于0.04 mm上下，但从J3、J4、J5三个级配任可以看出，沥青用量的增加会使胶浆膜厚度增大. 从上述分析可以看出，沥青类参数与混合料中的沥青用量有明显的线性关系，沥青用量越多，沥青体积百分率VA与胶浆体积百分率VM越大，胶浆膜厚度db越大，同时胶浆体积百分率还与沥青混合料中集料的比例有关.

空隙类参数与沥青混凝土结构密切相关，其随级配变化规律如图4所示.

表1 马歇尔试件体积参数

(a)沥青体积百分率

(b)胶浆体积百分率

(c)沥青饱和度

(d)胶浆膜厚度

Fig.3 Variation analysis of asphalt parameters and gradation

(a)矿料间隙率

(b)空隙率

(c)胶浆空隙率

由图4(a)、4(b)、4(c)可以看出，在排除J3、J4、J5三个点后，曲线均表现为先增加后减小的趋势. 表明矿料间隙率VMA、空隙率VV与胶浆空隙率VK随着级配中粗集料的比例的增加而呈现先减少后增加的趋势；而从图4(b)、4(c)中J3、J4、J5三个点可以看出，随沥青用量逐渐增加，参数VV、VK逐渐递减. 表明沥青用量增多，集料的空隙被逐渐增加的沥青所填充，空隙体积减少，空隙率下降. 从上述分析可以看出，只考虑粗细集料比例时，当细集料较少时，由于没有足够的集料填充骨架空隙，空隙类参数较大；随着细集料的逐渐增加，空隙被逐渐填充，空隙体积减少，结构逐渐密实；随后细集料继续增加，撑开了粗集料构成的骨架，空隙增加. 而粗细集料比例不变,只改变沥青用量时，由于沥青用量的增加充分填充了集料的空隙，使得结构变密实，空隙减小.

集料类参数随级配变化规律如图5所示. 由图5(a)可以看出，图中，粗集料体积百分率Vc与细集料体积百分率Vf两条曲线呈现相反的变化，因为J1、J2、J4、J6、J7五个级配由细到粗，粗集料逐渐增多相应细集料减少，粗细集料变化规律相反. 而J3、J4、J5三个级配则基本不变. 图5(b)中，粗细集料体积比Vc/f与粗集料体积百分率的变化趋势基本相同. 图5(c)、5(d)中细集料填充率Vf / (1-c)与粉浆体积比FBV随级配变化均呈现递减的趋势，这是因为细集料的减少使得沥青，矿粉的比例相对减少，粗集料增加，细集料无法全部填充粗集料的空隙. 而两者区别在于图5(c)中J3、J4、J5三个级配细集料填充率Vf/1-c变化不大. 这说明沥青用量对细集料填充率Vf/(1-c)影响不大. 而图5(d)则相反，J3、J4、J5三个级配的粉浆体积比FBV逐渐递减. 这说明，粉浆体积比FBV与沥青用量具有线性相关性. 图5(e)中浆集体积比F1、F2两条曲线变化规律大致相同，整体呈递减趋势，出现差异的原因是F2中加入的空隙的体积，使得曲线出现波动. 从J3、J4、J5三个级配可以看出，F2比F1更加平缓，因为在不计入空隙时，增加沥青用量使得胶浆体积增加，会导致浆集体积比F1增大；在计入空隙体积后，增加沥青用量，部分沥青用来填充空隙，空隙体积增加，虽然胶浆体积仍增加,但不明显，浆集体积比F2变化不大. 图5(f)中曲线呈现梯度上升，对比其各级配发现，J2、J3、J4、J5、J6五个级配粗集料比例相同，骨架系数基本不变. 而J1粗集料含量最少，骨架系数最小，J7则最多，骨架系数最大. 这说明骨架系数G与混合料中粗集料的体积比有关，受其他因素的影响很小. 从上述分析可以看出，集料类参数都与混合料中粗细集料以及矿粉的比例有关，与沥青用量关系不大. 具体表现为: 随着细集料的减少，细集料体积百分率减少，粗集料体积百分率增加，粗细集料体积比增大，细集料的填充率下降，浆集体积比、粉浆体积比均下降；而粉浆体积比FBV、浆集体积比F1与沥青用量有明显的线性关系. 沥青用量越大，FBV越小，浆集体积比F1越大.

(a)粗细集料体积百分比

(b)粗细集料体积比

(c)细集料填充率

(d)粉浆体积比

(e)浆集体积比

(f)骨架系数

3 结 论

1)沥青类参数与混合料中的沥青用量有明显的线性关系，沥青用量越多，沥青体积百分率VA与胶浆体积百分率VM越大，胶浆膜厚度db越大，同时胶浆体积百分率还与沥青混合料中集料的比例有关.

2)对于空隙类参数，只考虑粗细集料比例时，细集料较少时，由于没有足够的集料填充骨架空隙，空隙类参数较大；随着细集料的逐渐增加，空隙被逐渐的填充，空隙体积减少，结构逐渐密实；随后细集料继续增加，撑开了粗集料构成的骨架，空隙增加. 而粗细集料比例不变只改变沥青用量时，由于沥青用量的增加充分填充了集料的空隙，使得结构变密实.

3)集料类参数都与混合料中粗细集料以及矿粉的比例有关，与沥青用量关系不大. 具体表现为: 随着细集料的减少，细集料体积百分率减少，粗集料体积百分率增加，粗细集料体积比增大，细集料的填充率下降，浆集体积比、粉浆体积比均下降；而粉浆体积比FBV、浆集体积比F1与沥青用量有明显的线性关系. 沥青用量越大，FBV越小，浆集体积比F1越大.