离析模式对沥青混合料密度和构造深度的影响

张争奇，黄硕磊，石伟，崔文社

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2. 陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710000)

质量均匀与稳定是对结构与材料的基本要求，作为沥青路面也是如此，离析既是一种沥青路面质量缺陷，也是导致路面破坏的原因，其表现就是路面局部位置的质量发生变异，而质量的不均匀会导致路面缺陷，并易引起路面损坏，离析是影响沥青路面使用寿命的关键因素之一，细料聚集的地方，缺少骨架支撑，会出现车辙、网裂和拥包等现象；而粗料聚集的地方，缺少细料填充，会出现渗水，在重荷载作用下，形成水动力，使沥青膜剥离而损坏。沥青混合料的离析现象[1-5]导致沥青路面早期病害现象较为严重。国内外研究者一般将离析划分成集料离析和温度离析，但这种离析分类并不能准确表达路面不均匀产生的原因。按照离析对路面质量的影响，离析是指沥青面层在经摊铺压实后一定区域范围内材料组成与设计不符，并具有不同的性质，因此，按照引起沥青路面质量不均匀的原因，离析可分为集料离析、温度离析和压实离析。其中集料离析是指矿料级配变异引起的粗细集料分布不均而引起的离析现象，温度离析主要是指沥青混合料从运输到碾压完成过程中所产生的局部温度不均匀的现象，并最终引起沥青路面质量的不均匀；而压实离析是由于压实机具组合(或碾压方法、碾压遍数、碾压速度等)不合理导致压实功不足，引起区域性的低密度，即压实离析。另外，国内外研究者在研究沥青路面离析时[6-10]，大多采用空隙率作为沥青混合料离析程度的判别指标，这是因为对沥青路面进行钻取芯样，并通过抽提筛分后可以准确获得沥青混合料的最大理论密度，以此可计算出混合料的真实空隙率。但是当采用无损检测技术来检测路面密度时[11-15]，得不到测点的实际级配和沥青含量等数据，因此无法获得芯样的混合料真实最大理论密度，也就无法算出混合料的真实空隙率，不利于沥青路面施工质量的控制。基于以上分析，本文按照沥青路面不均匀性的产生原因，及不同离析的特点，将路面离析划分成集料离析、温度离析和压实离析，并在室内分别设计了无离析、细集料、轻度、中度和重度离析沥青混合料；通过室内模拟，成型不同离析模式组合的马歇尔试件和板式车辙试件，并分别测定与分析试件的密度、车辙板试件的密度和构造深度，研究离析对沥青路面的影响，确定沥青路面质量控制指标。

1 室内沥青混合料设计

集料采用陕西临潼生产的角闪岩和石灰岩，13.2 mm以上各档集料选用石灰岩，其余各档集料选用角闪岩，矿粉由石灰岩磨制，沥青采用埃索90#SBS改性沥青，经检验所选用的集料和沥青的各项指标均满足规范要求。

1.1 无离析沥青混合料设计

本试验选用AC-13，AC-20和AC-25沥青混合料进行室内模拟试验。采用马歇尔法进行沥青混合料配合比设计。AC-13，AC-20和AC-25沥青混合料特性参数见表1。

1.2 离析混合料设计

美国NCHRP 9-11提出了基于沥青混合料特性指标的离析程度划分标准，即采用关键筛孔通过率和沥青含量来进行离析程度的划分，见表2。

本文采用关键筛孔通过率、沥青含量将沥青混合料的离析程度分为细集料离析、无离析、轻度离析、中度离析和重度离析5个等级。

国内外相关研究认为，沥青混合料发生离析的程度主要与9.5，4.75和2.36 mm这3个筛孔的通过率有关。本文在国内外研究的基础上，同时参考了贝雷法中粗细集料的粒径划分思想，通过控制4.75 mm和9.5 mm 2个关键性筛孔的通过率，并基于表2的级配离析划分标准来模拟不同集料离析程度的沥青混合料。

采用4.75 mm和9.5 mm 2个筛孔将松散的无离析混合料筛分成A，B，C 3档料。本研究所设计的AC-13，AC-20和AC-25松散的无离析沥青混合料中，A，B，C 3档混合料的筛分比例分别为：A:B:C=24.7:39.5:35.8，A:B:C=20.3:36.5:43.2 和 A:B:C= 15.1:30.7:54.2。其中：A为4.75 mm筛孔以下部分混合料；B为4.75~9.5 mm筛孔部分混合料；C为9.5 mm筛孔以上部分混合料。

表2 沥青路面离析等级判别界限Table 2 Distinguish boundary of segregation grade in asphalt pavement

通过燃烧法，采用HYRS-6型沥青含量测试仪测得AC-13，AC-20和AC-25中A，B和C 3档混合料沥青含量(见表3)，同时得到每一档料的燃烧后筛分级配(见表4)，由此建立离析混合料级配变化与沥青含量变化的关系式(如表5所示)。

根据表2中不同离析程度的划分标准确定的3种混合料在不同离析程度下A，B和C 3档料的组成比例如表6所示。

由此分别得到AC-13，AC-20和AC-25在不同离析程度下沥青混合料的沥青含量，如表7所示。注：A为4.75 mm筛孔以下部分混合料的质量；B为4.75~9.5 mm筛孔部分混合料的质量；C为9.5 mm筛孔以上部分混合料的质量

表3 无离析混合料各部分沥青含量Table 3 Asphalt content of each part of no segregation mixture

表4 各类混合料中A，B和C部分燃烧后筛分通过率Table 4 Passing rate of A, B and C parts of all kinds of mixture after burning

表5 离析混合料级配变化与沥青含量变化之间的关系Table 5 Relationship between the change of segregation mixture gradation and asphalt content

表6 不同级配离析程度下A，B和C 3档料的组成比例Table 6 Proportion of A, B, C in different gradation segregation degree

表7 各类型离析混合料的沥青含量Table 7 Asphalt content of each type segregation mixture

2 离析混合料成型方案

2.1 各种离析模式因子取值的确定

集料离析程度的确定，参照表2。

有研究表明当混合料的初始温度大于 140 ℃时，温度离析对混合料的压实度不会造成太大影响。在进行混合料温度离析室内模拟试验时，将混合料成型温度分别设定为：160，145，130和115 ℃。

本试验采用的车辙板成型仪在正常情况下来回碾压 32次能达到与标准马歇尔试件相当的密实度。在进行压实离析模拟试验时，将成型仪的碾压次数分别控制为：44，38，32，26和20次。

2.2 成型方案

为了研究不同离析模式因子组合作用下沥青混合料密度和构造深度的变化规律，根据各离析因子不同离析程度的划分标准提出以下2种离析沥青混合料的成型方案：

第 1种方案：集料离析+温度离析的组合，测密度。将不同程度集料离析的混合料在不同的击实温度下成型马歇尔试件，用表干法测马歇尔试件的毛体积密度，采用计算法获得试件的最大理论密度。该方案主要用于研究温度离析对混合料密度的影响。

第 2种方案：集料离析+压实离析，测密度和构造深度。采用轮碾成型仪将不同程度集料离析的混合料在不同碾压次数下制作车辙板(统一在 150℃温度下成型)，采用铺砂法测定车辙板表面的构造深度，然后钻取车辙板芯样后用表干法检测密度。该方案主要用于研究集料离析和压实离析对混合料密度和构造深度的影响。

3 各种离析因子对混合料密度的影响

3.1 集料离析和压实离析对密度的影响规律

根据车辙板芯样的检测密度数据可以得到3种类型混合料产生不同程度集料离析时，在不同碾压情况下的密度变化规律，如图1所示。

由图1可以发现，在相同压实条件下，3种类型混合料的密度都是随着集料离析程度变大出现先增大后减小的规律，在无集料离析时出现密度最大值，这主要是基于AC级配类型最大密度曲线理论的结果。

图1 混合料密度随集料和压实离析的变化情况Fig. 1 Change of mixture density with aggregate segregation and compaction

同时发现，在同一集料离析程度时，3种类型混合料的密度都是随着压实次数的增多而增大。但粗集料离析混合料的密度增长幅度较小，分别为1.79%，2.17%和1.1%，将AC-20的H和M离析程度混合料压实 44次的密度换算成空隙率分别为7.5%和8.9%，说明混合料发生粗集料离析后，即使在充分的压实情况下，也无法达到要求的空隙率。

3.2 温度离析对密度的影响规律

根据马歇尔试件的毛体积密度数据可以得到 3种类型混合料产生不同程度集料离析时，在不同初始成型温度下的密度变化规律，如图2所示。

图2 混合料密度随温度离析的变化情况Fig. 2 Change of mixture density with temperature segregation

从图2可以看出，在标准压实条件下，3种类型混合料的密度随着初始成型温度的升高而增大，经计算，当混合料无集料离析(N)时，AC-13，AC-20和AC-25混合料在初始成型温度为145 ℃时的空隙率分别为4.02%，4.07%和4.26%，可见当混合料初始成型温度大于145 ℃时，其空隙率可以达到设计要求。

由图2可发现，当混合料成型温度大于145 ℃后，混合料的密度增长幅度较小，而不同程度集料离析混合料的密度区别越来越明显，可见，在相同压实条件下，当成型温度大于145 ℃时，混合料的密度主要受集料离析程度的影响。

由以上分析可知，集料、成型温度以及压实次数这3种离析因子都会影响沥青混合料的密度，而且这3种离析因子中的任何一种发生显著变异时都会给混合料的密度造成很大影响。由此可见，密度指标对沥青路面施工变异性具有较高的敏感性，本文建议采用密度作为路面总体施工质量稳定性的检测指标。

4 各种离析模式对构造深度的影响

4.1 压实离析和温度离析对构造深度的影响

考虑到温度离析与压实离析都是通过影响混合料空隙率大小来影响构造深度，对构造深度的影响效果相类似，所以温度离析对构造深度的影响可参考压实离析。根据车辙板表面的构造深度数据可以得到3种类型混合料产生不同程度集料离析时，在不同压实情况下的构造深度变化规律，如图 3所示。

由图3可知，3种类型混合料车辙板随着碾压次数的增多，并没有出现构造深度明显减小的变化规律，说明混合料空隙率的变化对构造深度的影响程度有限。

由图4可以看到，3种类型混合料车辙板的构造深度随碾压次数的增长变化幅度较小，则认为当车辙板碾压次数超过 20后，碾压次数的变化对其表面构造深度的影响很小。说明在本试验模拟的离析条件下，压实变异性对沥青混合料车辙板构造深度产生的影响并不显著。因此可认为，在沥青路面施工没有发生极端压实不均匀的情况下，压实离析或温度离析对沥青路面构造深度造成的影响可以忽略。

4.2 集料离析对构造深度的影响

根据车辙板表面的构造深度数据可以得到3种类型混合料的构造深度随不同程度集料离析的变化规律，如图5所示。

图3 混合料构造深度随压实次数的变化情况Fig. 3 Change of mixture texture depth with rolling frequency

图4 混合料在不同压实次数下的平均构造深度Fig. 4 Average texture depth of the mixture under different compaction times

图5 混合料构造深度随集料离析程度的变化情况Fig. 5 Change of mixture texture depth with aggregate segregation degree

由图5可知，当混合料出现由细到粗的不同程度集料离析时，其表面构造深度呈现出明显的由小到大的规律变化，当混合料级配偏粗时，构造深度偏大，达到2.054 mm，当混合料级配偏细时，构造深度偏小，为0.73 mm。且3种不同类型混合料呈相似的变化规律，由此可以推断，路表构造深度与混合料的集料离析程度密切相关。

由图6可以发现，不同程度集料离析的混合料构造深度与无离析混合料的有着明显的差异，且集料离析程度越严重差异性越大，构造深度变化的大致规律为细集料离析＜无离析＜粗集料离析。相比AC-13型混合料，AC-20和AC-25型混合料的构造深度随着粗集料离析程度呈现出更显著的变化规律。与无离析混合料相比，产生粗集料离析的混合料构造深度的变化规律基本遵循N＜L＜M＜H，而产生不同程度细集料离析的混合料的构造深度则区别较小。

图6 混合料不同程度集料离析时的构造深度平均值Fig. 6 Average texture depth of mixture indifferent segregation degrees

综上所述，基于压实离析与温度离析所引起的空隙率变化对混合料构造深度影响较小，而集料离析对混合料构造深度的影响呈现出良好的规律性，因此，可以通过检测路表构造深度的变异情况来判别沥青路面的集料离析情况，依此评价沥青混合料的摊铺均匀性。

5 结论

1) 集料、成型温度和压实次数均会显著影响沥青混合料的密度。基于密度指标对沥青路面施工变异性具有较高的敏感性，本文建议采用密度作为路面总体施工稳定性的检测指标，可以采用无损检测技术诸如无核密度仪快速检测沥青路面现场密度。

2) 混合料发生粗集料离析后，即使在充分压实情况下，也无法达到要求的空隙率；当成型温度大于145 ℃时，混合料的密度主要受集料离析程度的影响。

3) 在本试验模拟的离析条件下，当车辙板碾压次数超过 20后，碾压次数的变化对其表面构造深度的影响很小。即沥青路面施工没有发生极端压实不均匀的情况时，压实离析或温度离析对沥青路面构造深度的影响可以忽略。

4) 不同程度集料离析的混合料构造深度与无离析混合料的有着明显的差异，且离析程度越严重差异性越大，构造深度变化的规律为细集料离析＜无离析＜粗集料离析。

5) 集料离析对混合料构造深度的影响呈现出良好的规律性，因此，可以通过检测路表构造深度的变异情况来判别沥青路面的集料离析情况，依此评价沥青混合料摊铺均匀性。

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