级配曲线走向与沥青混凝土空隙率关系的研究＊

徐慧宁 谭忆秋 李晓民 马韶军

（哈尔滨工业大学交通科学与工程学院1） 哈尔滨 150090）

（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司2） 兰州 730030）

0 引 言

沥青混合料是由石料、沥青、空气三相组成的复合材料，其中矿料级配是影响沥青混合料性能的主要因素；而体积参数作为沥青混合料空间结构组成的直接外在表现形式，与级配之间存在密切的联系.特别是20世纪90年代，随着体积设计法的提出，沥青混合料体积参数与矿料级配的关系成为国际道路界的热点问题.

Obaidat、吕文江、苏洲等的研究显示，沥青混合料体积参数随着粗集料用量和内部级配的变化而发生较大改变［1－3］.李艳春运用灰关联分析表明矿料级配对沥青混合料体积参数有较大影响［4－5］.徐慧宁应用双因素方差分析，证明了体积参数的变化主要是由于级配变化造成的［6］.与此同时，Shen指出，级配变化时，沥青混合料空隙率与矿料间隙率具有相同的变化规律［7］；Abdel－Jawad，Abdullah的研究显示，由偏粗级配形成的沥青混合料通常具有较高的空隙率，这一结果在一定程度上证实了Bailey的研究成果［8］.而刘树堂认为在其他因素相同的情况下，矿料级配曲线与理论最大密度线的相似性决定了空隙率的大小［9］.本文以AC－16型沥青混合料为研究对象，以4.75 mm筛孔作为关键筛孔，通过调整矿料级配中粗、细集料内部比例及4.75mm通过率，对能够敏感反映级配变化的体积参数——沥青混合料空隙率，随级配走向改变的变化规律进行了研究；并运用数理统计的方法，进行了沥青混合料空隙率对级配变化的敏感程度分析.

1 材 料

1.1 集料与填料

集料为黑龙江省优质地产安山岩.集料采用落锤式破碎机加工，颗粒立方体形状较好，强度高，硬度大，有较好的耐磨性.矿粉由石灰岩磨细而成，表观相对密度为2.672，0.075mm通过的质量分数为80.3%.

1.2 沥青

沥青材料采用中海110＃基质沥青，主要技术指标见表1.

表1 沥青技术性质

2 试验方案设计

试验级配见表2.

3 试验结果及讨论

依据JTJ 052－2000（T0702－2000）的方法，对表2所列级配进行马歇尔试件击实成型，集料、沥青加热温度分别为160，145℃，每组级配制作5个平行试件；采用JTJ 052－2000（T0705－2000）的方法测定各试件的沥青混合料空隙率，见表3.

表2 试验级配汇总

表3 沥青混合料空隙率汇总

3.1 级配走向变化对沥青混合料空隙率变化趋势的影响

图1a）显示，细集料级配发生变化时，随着细集料级配由偏细的上限级配变化到偏粗的下限级配，沥青混合料空隙率逐渐变大.图1b）显示，4.75mm通过率和细集料级配同时发生变化时，空隙率的变化与图1a）所示规律相同，即细集料取上限级配时空隙率最小，取下限级配时的空隙率最大，中间级配的空隙率居于二者之间，并且这种关系不随粗集料内部结构、关键筛孔通过率变化而改变.

图1 细集料变化对空隙率变化趋势的影响

由图2a）可知，粗集料发生变化时，沥青混合料空隙率产生规律性变化，粗集料采用中间级配时空隙率最小；采用上限级配时空隙率最大；采用下限级配时的空隙率介于二者之间.图2b）显示，保持细集料级配不变，同时改变粗集料和4.75 mm通过率对沥青混合料空隙率变化规律产生了较大的影响，这说明有必要对4.75mm通过率对空隙率产生的影响进行研究.

同时，将图2a），b）中的数据比较可见，变化4.75mm通过率，改变了原有级配中9.5～4.75 mm与4.75～2.36mm之间颗粒的比例关系，这种改变使得空隙率发生了明显的变化，上述现象说明16～9.5mm之间粒径并不是引起沥青混合料空隙率变化的主导因素，这一观点在下面的分析中被证实.

图2 粗集料变化对空隙率变化趋势的影响比较图

图3中数据表明，对于粗、细集料均取上限的级配sx－11，当4.75mm通过率上升5%时，空隙率随之下降.对于粗、细集料均取下限的级配sx－22，其中粗集料中大粒径颗粒含量较多，形成了丰富的空隙，而细集料由于级配偏粗不能充分的填充这些空隙，适当减少4.75mm通过率可增大9.5～4.75mm档对于更大骨架的填充作用，导致了空隙率的降低.由此可以看出，不同粒径石料的分布状况对于空隙率的形成起到重要的作用.

图3 4.75mm通过率变化对空隙率的影响

3.2 沥青混合料空隙率对级配走向变化敏感程度的研究

此部分采用空隙率的绝对变化表征空隙率对级配走向变化的敏感程度.为避免矿料颗粒空间分布的随机性引起的空隙率差异，防止个别异常值导致计算结果与实际情况出现偏差，本部分借鉴数理统计中秩和检验的方法（见参考文献［10］），进行级配走向变化对沥青混合料空隙率影响程度的分析.各试验级配的沥青混合料空隙率列于表3.

按照式（1）～（3）定义如下计算参数：

式中：VV（上限）为取上限级配时沥青混合料空隙率；VV（下限）为取下限级配时沥青混合料空隙率；为取中值级配时沥青混合料空隙率的平均值；VV（4.75mm）iii为4.75mm 通过率变化时沥青混合料空隙率为4.75mm通过率取中值时沥青混合料空隙率的平均值.

表4显示，无论粗集料级配处于何种水平，改变细集料内部结构都会使空隙率发生较大变化，最大变化幅度可达3.212%，最小的也有2.211%.表5秩和检验结果表明，在95%置信水平条件下，细集料级配变化相同幅度时，级配的变化趋势（趋于级配下限或上限）对于空隙率变化幅度并无显著影响，即沥青混合料空隙率对细集料变化具有相同的变化速率，不受级配变化趋势的影响.表6秩和检验结果显示：在95%置信水平条件下，当粗集料处于中间级配时，空隙率对细集料级配变化的敏感程度最大；而当粗集料处于上限级配时，空隙率对细集料级配变化的敏感程度最小.

无论细集料处于何种水平，粗集料级配走向的变化均会导致沥青混合料空隙率的变化.分析表8秩和检验结果知：在95%置信水平条件下，当细集料采用中值或上限级配时，粗集料结构变细（趋于上限级配）时的空隙率的变化幅度显著大于粗集料结构变粗（趋于下限）时的；当细集料属于下限级配时，粗集料的变化方向对于空隙率的变化幅度没有显著影响，可认为此时沥青混合料空隙率对粗集料的变化具有相同的变化速率.

表4 细集料变化时空隙率变化幅度汇总 %

表5 细集料变化方向对空隙率变化幅度影响秩和检验表

表6 细集料变化时粗集料级配走向对空隙率变化幅度影响秩和检验表

表7 粗集料变化时空隙率变化幅度汇总 %

由表9秩和检验结果知：在95%置信水平条件下，当细集料处于偏细的上限级配时，粗集料的波动对于空隙率将产生较大的影响，而当细集料取偏粗的下限级配时，粗集料的变化对空隙率的影响非常微小.造成这种现象的原因是由于当细集料偏细时，对空隙率的填充效果较强，粗集料波动导致的骨架形成效果受此种填充作用影响较大；而细集料取下限时由于细颗粒含量较少，填充效果不如前者强烈，因此粗集料的变化受此种约束较少，空隙率变化幅度不大.

表9 粗集料变化时细集料级配走向对空隙率变化幅度影响秩和检验表

表10 4.75mm通过率变化时空隙率变化幅度汇总%

表11 4.75mm通过率变化对空隙率变化幅度影响秩和检验表

由表10～11可知：4.75mm通过率的变化会使空隙率产生一定幅度的变化，且当通过率变大时的变化幅度显著大于通过率变小时的变化幅度.3.

3 影响沥青混合料空隙率变化的显著性因素分析

综合前述分析结果，将各级配空隙率变化的平均值作为比较指标，运用秩和检验考察级配各组成部分对沥青混合料空隙率变化的影响程度.

表12 影响沥青混合料空隙率变化关键因素秩和检验表

由表12可知，在95%置信水平时，改变4.75 mm通过率与变化粗集料内部结构所引起的沥青混合料空隙率的变化幅度无显著差异；而细集料变化引起的空隙率变化幅度却显著大于4.75 mm通过率变化引起的空隙率变化幅度.由此可知，细集料变化是影响沥青混合料空隙率变化的最显著因素.

4 结 论

1）随着细集料级配由偏细的上限级配变化到偏粗的下限级配，沥青混合料的空隙率逐渐变大；粗集料采用中间级配空隙率最小，采用上限级配，空隙率最大；4.75mm通过率对于空隙率也有重要的影响.

2）秩和检验结果表明，粗、细集料内部结构及4.75mm通过率的变化都会对沥青混合料空隙率产生影响.当细集料改变时，粗集料的走向对空隙率的变化幅度有一定影响，当粗集料改变时，细集料的走向对空隙率的变化幅度也有一定的影响；此外，沥青混合料空隙率对细集料的变化具有相同的变化速率；但当粗集料变化时，如果细集料属于中值或上限级配，粗集料结构变细时空隙率的变化速率显著大于粗集料结构变粗时的；当细集料属于下限级配时，粗集料的变化方向对于空隙率的变化速率没有显著影响.

3）通过比较改变4.75mm通过率前后的沥青混合料空隙率可知，粗、细集料颗粒分布的均衡关系对于沥青混合料空隙率有一定的影响.

4）秩和检验结果显示，细集料级配的变化是导致沥青混合料空隙率变化的最显著因素.

［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］吕文江，陈爱文，郝培文，等.贝雷法参数CA比对沥青混合料性能的影响［J］.长安大学学报：自然科学版，2005（4）：5－8.

［3］苏 洲，李立寒，陈洪坡.SMA混合料体积结构影响因素的试验研究［J］.公路交通科技，2006（11）：40－43.

［4］李艳春，孟 岩，周骊巍，等.沥青混合料空隙率影响因素的灰关联分析［J］.中国公路学报，2007（1）：30－34.

［5］彭 勇，孙立军.空隙率对沥青混合料性能影响［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（5）：826－829.

［6］徐慧宁.体积指标对沥青混合料路用性能的影响［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，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］刘树堂，毛洪录，姚占勇.沥青混合料空隙率与矿料级配曲线关系研究［J］.山东大学学报：工学版，2005（4）：95－98.

［10］孙 虎.应用数理统计［M］.北京：清华大学出版社，2006.