细集料相对密度对沥青混合料矿料间隙率的影响研究

尹义林，金牛娟，陈 亮，胡永刚

（上海市市政规划设计研究院，上海市 200031）

0 引言

压实沥青混合料的矿料间隙率（VMA）是指沥青混合料试件中矿料部分以外的体积占混合料总体积的百分率[1]。在沥青混合料配合比设计中，VMA是沥青混合料的重要体积指标之一。2004年9月发布的JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》根据集料的公称最大粒径和设计空隙率规定了各种沥青混合料的最小VMA要求值。配合比设计过程中，在最佳沥青用量确定后，应检验最佳沥青用量下试件的VMA值是否满足相应的空隙率对应的最小VMA要求值[2]。最小VMA要求值是参考国外标准调整制定的[2]。我国对VMA的研究仍停留在室内研究和理论探讨中[3]。

由VMA指标的计算公式[1,2]可知，该指标是由矿料占沥青混合料总质量的质量分数（Ps）、试件的毛体积相对密度（γf）、矿料合成毛体积相对密度（γsb）决定的。在矿料合成毛体积密度如何计算上，存在分歧，意见集中在细集料相对密度该如何取值。历年的试验规程也有不同的表述，2000年6月发布的JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T 0705试验方法规定细集料相对密度采用表观相对密度代替[4]，即采用T 0328试验方法（容量瓶法）[5]。究其原因，这主要是因为细集料毛体积相对密度T 0330试验方法（坍落筒法）本身存在局限性，国际上存在争议，饱和面干状态难以界定，试验重复性和再现性差[2,4,5]。为与国际接轨[1,5]，2011年新发布的JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对T 0705试验方法的一些参数计算做了较大修订，其中规定了计算时，细集料相对密度采用毛体积相对密度。显然，细集料相对密度取值不同，会导致计算结果不同，因此，对于同一沥青混合料，VMA计算结果也是不同的。自新试验规程[1]实施以来，细集料相对密度对VMA计算结果的影响研究基本未见报道。

本文仅以AC-13沥青混合料为研究对象，与同行讨论不同试验方法测定的细集料相对密度对VMA、VFA体积指标计算结果的影响。

1 试验

1.1 原材料

粗、细石灰岩集料：安徽池州金凯矿业有限公司生产。填料：浙江湖州杨家埠汇众建材经营部生产。沥青：70号A级，中国石化炼油销售有限公司提供。各规格矿料相对密度及吸水率试验结果见表1。

表1 各规格矿料相对密度及吸水率试验结果

对细集料（0～2.36）mm的相对密度，本试验采用了2种方法分别进行试验。方法1：根据原试验规程JTJ 052-2000的规定，按T 0328试验方法（容量瓶法）执行，采用表观相对密度。方法2：根据新试验规程JTG E20-2011的规定，按T 0330试验方法（坍落筒法）执行，采用毛体积相对密度；或采用细集料中筛取的大于2.36 mm部分按T 0304试验方法（网篮法）测定的毛体积相对密度代替[1]。对方法2，本试验采用T 0304试验方法。

1.2 配合比

由于VMA值受沥青混合料试件空隙率和沥青用量等多种因素的影响；矿料级配对矿料合成相对密度、对沥青混合料的压实特性也有影响。有必要拉大级配和沥青用量的差别，以期研究不同配合比下的VMA值改变情况。因此，本试验设计了3种级配，通过调整各规格矿料比例，使3种级配的关键筛孔（2.36 mm）通过率分别处于规范级配范围中值、中值±5%附近。对每种级配分别采用3个沥青用量，即最佳沥青用量5.0%、最佳沥青用量±0.3%进行试验，最佳沥青用量的确定过程本文不作赘述。

各规格矿料占矿料总质量的比例见表2。

表2 各规格矿料占矿料总质量的比例

1.3 试件成型与试验

采用击实法，双面各击实75次，分别成型不同配合比的标准马歇尔试件；表干法测定试件的毛体积相对密度；真空法测定理论最大相对密度[1]。

2 结果与讨论

2.1 细集料相对密度对矿料合成毛体积相对密度计算结果的影响

γsb的计算公式为[1]：

式中：γsb为矿料的合成毛体积相对密度，无量纲；P1、P2、Pn为各规格矿料占矿料总质量的比例（%），其和为 100；γ1、γ2、γn为各规格矿料相对密度，无量纲。

根据表1、表2和式（1），按方法1和方法2分别计算得到的γsb见表3。

由表1可见，由于对细集料（0～2.36）mm吸水率大，按T 0304试验方法测得的毛体积相对密度（2.620）小于按T 0328试验方法测得的表观相对密度（2.695），而其他矿料相对密度取值相同，按

表3 不同试验方法的矿料合成毛体积相对密度计算结果

式（1）计算，因此，如表3所示，按JTG E20-2011规定计算获得的结果比按JTJ 052-2000规定计算获得的结果均要小。另外，按JTG E20-2011规定，细集料（0～2.36）mm的比例越大，γsb越小。

2.2 细集料相对密度对VMA和VFA计算结果的影响

沥青混合料体积指标VV、VMA、VFA的计算公式为[1,2]：

根据沥青用量（Ps）、矿料质量占沥青混合料质量的质量分数（Ps）、表3所列的矿料合成毛体积相对密度（γsb），以及试验测得的不同配合比沥青混合料试件毛体积相对密度（γf）和理论最大相对密度（γt），按式（2）～式（4），计算沥青混合料的体积指标。

根据表4[2]，插值确定不同VV对应的最小VMA要求值。

表4 AC-13沥青混合料的VMA要求

按JTJ 052-2000，细集料采用表观相对密度时的沥青混合料体积指标计算结果见表5。

按JTG E20-2011，细集料采用毛体积相对密度时的沥青混合料体积指标计算结果见表6。

比较表5和表6可见，对于同一配合比的沥青混合料，γsb不同导致VMA和VFA计算结果不同。按式（3），γsb减小，VMA计算结果减小；再按式（4），VMA计算结果减小，VFA计算结果减小。因此，表6中的VMA和VFA计算结果均相应的比表5中的要小。另外，对于级配2和级配3，沥青用量4.7%时，表5中，按JTJ 052-2000，细集料相对密度采用表观相对密度，VMA计算结果满足规范要求；而表6中，按JTG E20-2011，细集料相对密度采用毛体积相对密度，VMA计算结果改变为不满足规范要求。对于级配3，沥青用量4.7%时，VFA计算结果由65.0%降低为62.6%，改变为不符合65%～75%的规范要求[2]。可见，在某种级配和沥青用量的条件下，细集料相对密度如何取值会影响到沥青混合料试验结果合格与否的判定。

表5 细集料采用表观相对密度时的沥青混合料体积指标计算结果

表6 细集料采用毛体积相对密度时的沥青混合料体积指标计算结果

为使VMA指标能满足规范要求，配合比设计人员通常会通过增加沥青用量或调整矿料级配变细等途径来减小VV值，从而使VMA值能大于较小VV对应的最小VMA要求值，以满足规范要求。例如，如表6所示，对级配3，沥青用量4.7%增加到5.0%后，VFA计算结果改变为能满足规范要求。

根据表5和表6，细集料相对密度采用不同相对密度时的沥青混合料的VMA和VFA计算结果变化情况见表7。

细集料（0～2.36）mm的吸水率大，按T 0304试验方法测得的毛体积相对密度与按T 0328试验方法测得的表观相对密度相差较大，且细集料（0～2.36）mm在AC-13沥青混合料中的质量分数较大，因此，对γsb计算结果影响较大，导致对VMA和VFA计算结果显著下降。以致对某些配合比的沥青混合料，体积指标由满足规范要求改变为不满足要求。

表7 VMA和VFA的减小情况汇总

可见，细集料相对密度采用毛体积相对密度时，矿料合成毛体积相对密度以及沥青混合料的VMA和VFA计算结果要比采用表观相对密度时的计算结果显著下降。可见，矿料合成毛体积相对密度参数的计算方法与国际接轨了，相应的沥青混合料的体积评价指标要求也应做相应的调整。

3 结论

（1）对矿料合成毛体积相对密度以及沥青混合料的VMA和VFA，细集料相对密度采用毛体积相对密度时，要比采用表观相对密度时的计算结果显著下降。

（2）现行试验规程JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对矿料合成毛体积相对密度参数的计算方法作了调整，导致对某些配合比的沥青混合料，体积指标由满足规范要求改变为不满足要求。现行规范JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》在修订时，相应的沥青混合料的体积评价指标VMA和VFA要求也应作相应的调整。

[1]JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[2]JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]郝培文,徐金枝,肖曼,等.矿料间隙率标准研究进展[J].长安大学学报：自然科学版,2008,28(1):21-25.

[4]JTJ 052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[5]JTG E42-2005,公路工程集料试验规程[S].