沥青混合料的变异性及对沥青路面性能的影响

杨志刚 何长清

(1.贵州省贵阳公路管理局，贵州 贵阳 550002; 2.重庆市重庆交通大学，重庆 400074)

1 沥青混合料的变异机理和类型

沥青混合料是由沥青材料和各种不同粒径大小的矿石集料组成的胶结聚合体，通常在外力的作用下聚合物的内部会发生运动。沥青混合料的离析可从宏观和微观两方面来理解，从宏观上看，沥青混合料的离析是由于沥青与集料的不同性质及集料颗粒大小的差异而使混合料各部分的受力不同导致了分离;从微观来看，离析是沥青混合料在颗粒运动过程中渗漏、几何重组及整体或部分发生对流等现象的一个过程。沥青混合料的变异类型可以分为集料离析、沥青和集料的离析、温度离析［1］。

2 沥青含量变异性

沥青含量是沥青混合料设计和生产的最关键性指标。沥青含量的大小会直接影响混合料的离析程度。国外有研究表明，混合料中沥青含量的轻微增加能显著地减少混合料的离析现象，并建议在沥青混合料设计时，取沥青含量=最佳沥青用量+0.2%，根据工程实例，当真实沥青含量偏离达到0.3个百分点的时候，就会显著影响混合料的使用性能［2］。当沥青含量过低时，不能完全裹覆石料，在施工时难以压实，同时使石料间黏结不足，强度显著下降，路面通车后容易产生开裂、松散等各种病害;而沥青含量过高时，混合料孔隙率过小，在高温天气下容易产生泛油等病害，严重时甚至使混合料内部形成石料悬浮在自由沥青中的形态，在行车荷载作用下极易导致材料流动变形，直接破坏路面结构［3］。

以贵州省某高速公路路面工程第二十七标段为例，路面采用沥青混凝土路面，上面层为设计厚度4 cm的AC-13C沥青混凝土，根据《公路沥青路面施工技术规范》［4］沥青混合料的设计要求，结合贵州省的气候环境以及当地施工经验，通过实验室对集料筛分试验，确定以最佳油石比为5.5%进行施工。通过现场取料的方式，对不同时间沥青含量的数据进行监测。由于各种外界因素的影响，在试验过程中也会出现一定的误差，因此，现场取混合料所测得油石比与设计油石比的差值在±0.3%内都满足规范要求。检测表明，15次检测的平均值为5.41%，变异系数为0.033，大多数数据都满足了要求，只有第6次，第7次和第15次超出了±0.3%的范围，表1记录了这三种油石比混合料试件的马歇尔试验技术指标试验值［5］。

表1 不同沥青含量的混合料马歇尔试验数据

从表1中数据看出，沥青用量不足时，混合料的空隙率会增大，甚至会超出设计范围，不利于路面的压实，而饱和度的降低，会使得混合料中沥青膜变薄，降低路面抵抗水损害的能力。从检测数据看出普遍油石比都低于确定的最佳油石比，因为在各个环节可能会发生沥青含量的变异，针对这种现象，可以考虑提高沥青开始的拌和量，从而使得在路面铺筑过程中混合料中的沥青含量尽量接近最佳油石比。

3 沥青混合料级配变异性

沥青混合料的级配直接影响着沥青路面的性能，合理的矿料级配是根据众多条件设计而成的，在实际生产中，由于各种原因都会引起沥青混合料级配发生变化。通过结合我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》［4］与前一节的分析，选取当4.75 mm通过率发生变异时来模拟在施工中发生粗集料和细集料离析。保持油石比为5.5%不变，对通过率发生变异的沥青混合料进行马歇尔试验，从而得出沥青混合料性能的变化情况。以基准配合比为标准，4.75 mm通过率按±10%，±6%来调配变化后的级配配比如表2所示。

从表2的级配配比数据变化可以将4.75 mm通过率从小到大的变化看成是一个沥青混合料从粗集料离析到细集料离析的过程。通过马歇尔试验得到试验结果如表3所示。

表2 级配配比变化表 %

表3 混合料级配变异马歇尔试验结果

4 温度离析对路面结构的影响

研究表明，路面的早期病害发生和空隙率大小是紧密相连的，要降低路面病害的发生频率，减小沥青混合料压实后的空隙率是一个关键的方法。影响压实效果的一个重要因素就是沥青混合料的温度，如果产生温度离析那么压实效果必定会下降，从而空隙率受到影响，同时路面性能也受到影响［6］。

为了确定温度的变化对沥青混合料空隙率的影响，对沥青混合料在不同温度的情况下进行击实试验，获得温度变化与混合料密度以及空隙率的关系，见图1，图2。

图1 沥青混合料温度与密度的关系图

图2 沥青混合料温度与空隙率的关系图

5 结语

本文研究了沥青混合料的变异，分析了变异发生的机理和类型，包括三个方面，沥青含量的变异，沥青混合料级配变异和温度变异，并且针对各种变异提出了控制措施。

1)检测得到沥青含量的变异系数为0.033，当沥青用量不足时，混合料的空隙率会增大，甚至会超出设计范围，不利于路面的压实，而饱和度的降低，会使得混合料中沥青膜变薄，降低路面抵抗水损害的能力。

2)沥青混合料级配的变异与集料的变异相关性较高，针对级配发生的离析，模拟发生轻度离析时混合料，当4.75 mm通过率降低超过6%以后，可以看出空隙率增大非常快，已经不能满足工程技术要求，饱和度在±6%的范围内尚可满足要求65% ～75%，如果超过这个范围则饱和度无法达到要求，稳定度也是相似的规律，虽然在+10%可以达到要求，但是在中间的一段可能会发生稳定度过低的现象。而流值受到的影响不大，均可满足要求。级配离析对沥青混合料的高温性能影响显著，无离析混合料的抗车辙性能最好，细集料离析和粗集料离析发生后，抗车辙性能严重下降，动稳定度降幅随着离析程度的增加而加剧。细集料离析混合料的水稳定性略有改善，残留稳定度和冻融劈裂强度比都略有升高，随着粗集料离析程度增加，抗水损害性能有明显的降幅。按照规范严格控制关键筛孔的通过率防止级配离析发生。

3)研究温度离析对沥青混合料密度和空隙率的影响，在压实过程中沥青混合料的温度越高，越容易被压实，其密度越大;温度变化与密度变化有很好的相关性。随着温度的升高，沥青混合料空隙率从7.8%减小到3.7%，温度越高，沥青混合料密度越大，空隙率越小。温度离析不可超过20。