基于多指标的沥青混合料均匀性评价方法研究

周戈 严守靖 盛光祖

摘要：针对目前沥青混合料均匀性定义不清、评价指标不健全和均匀等级划分存在的问题，利用规范对物质均匀性的定义和材料力学对物质均匀性的假设，将沥青混合料定义为组分均匀、质量分布均匀和刚度均匀，建立了沥青混合料均匀性多指标评价模型，给出了沥青混合料均匀性计算方法和均匀性等级划分依据。开展了AC-13级配的沥青混合料均匀性实验，测试了沥青混合料的各体单元的毛体积相对密度、弹性模量特征值和沥青含量，研究了沥青混合料均匀性，并与传统均匀性评价进行对比分析。结果表明：基于多指标的沥青混合料均匀性评价方法增加了沥青混合料的组成成分和力学性能指标，评价结果更加客观和准确，AC-13级配的沥青混合料的综合均匀指数为0.896，属于中度均匀;采用传统均匀性方法评价，沥青混合料的压实度和密度变异系数很小，均匀性很好，但合格率仅为63.2%。

关键词：沥青混合料;均匀性评价;组分均匀;质量分布均匀;刚度均匀

中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0162-05

1引言

沥青混合料的均匀性是影响沥青路面质量的关键因素，直接决定了沥青路面的使用寿命和行车效果。研究表明，沥青混合料的均勻性主要体现在集料分布的均匀，这是因为粗细集料的分布决定了沥青混合料的空隙率，进而影响填料和沥青的分布。粗集料相对细集料而言，比表面积较小，因此粗集料分布较多的区域，沥青含量较少，容易造成集料颗粒的剥落;相反，粗集料分布较少的区域，填料和沥青含量较多，承载能力差，容易形成车辙。因此，开展沥青混合料均匀性研究十分必要。

目前，针对沥青混合料均匀性，国内外学者进行了广泛的研究，包括沥青混合料均匀性的理论、评价手段和均匀性的影响因素等，取得了大量的成果。文献[4]通过计算沥青混合料各截面上的集料面积比，得出了沥青混合料水平和竖向的均匀性评价公式，并通过研究沥青混合料标准马歇尔试件的抗压强度、抗剪强度和劈裂强度的力学性能的差异性评价了沥青混合料的均匀性。文献[5]基于数字图像处理技术，从沥青混合料中集料的分布位置和分布数量两方面综合考虑，对沥青混合料的均匀性进行定量评价。郭乃胜和Y.Peng等采用CT识别技术，识别混合料试件内部结构，并以粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数，建立沥青混合料均匀性评价方法。文献[8]研究了集料组成对沥青混合料均匀性的影响，并进行了数值模拟。文献[9]采用数字图像处理技术研究沥青混合料的级配对均匀性的影响，并进行了定量的评价。但是对于沥青混合料均匀性的定义、评价指标和评价等级的研究相对较少。

本文通过《标准物质常用术语和定义》（JJF 1005-2005）中的物质均匀性定义和《材料力学》中关于材料的均匀性假设，提出了针对沥青混合料均匀性的新定义，建立沥青混合料均匀性评价的指标体系，给出明确的均匀性指数计算公式和均匀性等级划分依据。并通过AC-13级配的沥青混合料均匀性实验，对比分析新评价体系和传统的评价结果。研究成果为沥青混凝土均匀性评价提供了新的思路。

2沥青混合料均匀性评价

2.1均匀性定义

《标准物质常用术语和定义》（JJF 1005-2005）中指出，物质均匀性定义是指：物质的一种或几种特性具有相同的组分或结构的状态。此外，《材料力学》中关于材料均匀性的假设为：材料在各个位置具有相同的力学性能。考虑到材料力学中固体材料的基本变形有5种，分别是拉伸变形、压缩变形、弯曲变形、剪切变形和扭转变形。考虑到沥青路面在实际应用中，最主要的荷载为竖向荷载，故在竖直方向沥青路面最主要的变形为压缩变形。因此，对于沥青混合料的力学均匀性假设为，材料在各个位置具有相同的弹性模量。

根据上述分析，沥青混合料均匀性可表述为：沥青混合料在单元体积内具有相同的由一种或几种组分构成的结构状态，并且各个单元体积内具有相同的弹性模量。

2.2均匀性多指标评价模型

按照均匀性定义的表述，沥青混合料的均匀性包含3个部分，分别是组分均匀、质量分布均匀和刚度均匀。其中，组分均匀采用油石比表征，质量分布均匀采用毛体积相对密度表征，刚度均匀采用回弹特征值表征。因此，组成成分、质量分布和刚度就成为沥青混合料均匀性评价的三大指标。

2.2.1体单元组成成分

一般地，沥青混合料包含矿料（粗集料、细集料、矿粉）和沥青组成成分。为保证每个体单元能尽可能包括混合料中所有的组成成分，实验将采取以集料最大公称粒径为边长，划分出沥青混合料的体单元。实验首先测出每个体单元的烘干质量（ma），然后将每个体单元浸泡在三氯乙烯溶液中，等沥青充分溶解后，测出每个体单元残留的矿料质量（mm），并通过式（1）计算出体单元的沥青含量。

2.2.3体单元刚度

由于沥青路面主要承受的荷载为竖向荷载，故在竖直方向考虑压缩变形。其刚度均匀性可采用弹性模量表征，但考虑到体单元的尺寸较小，无法采用模量试验机进行试验。为此，本文借鉴混凝土测弹性模量的方法，用回弹仪测出体单元的回弹值（Fei），作为其弹性模量的特征值，并以此间接反映体单元的刚度。

2.2.4沥青混合料均匀性评价

（1）组成成分分布均匀程度指数。实验中组成成分分布采用油石比分布表征，其均匀性程度指数采用式

（3）进行计算。

2.3沥青混合料均匀性评价等级划分

对于沥青混合料均匀性评价等级划分，目前国内《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）并没有给出相关的划分依据。总结国内外沥青混合料均匀性的文献，2000年美国M.Stroup-Gardiner和E.R.Brown在NCHRP-441研究报告中提出了以沥青混合料组成成分变化和空隙率差异来评价其均匀性的标准，是目前较为系统和深入的研究成果。评定标准见表1。

实验以NCHRP-441的研究报告为依据，通过室内实验提出了以组成成分、质量分布和刚度3个技术指标来判别沥青混合料的均匀性。技术指标等级划分建议值见表2。

3沥青混合料均匀性实验过程

3.1原材料采集

本次实验沥青混合料芯样取自绍兴地区柯桥G104K6+840右幅车道，沥青和集料取自柯桥拌和站。原材料抽检内容包括沥青、矿料、沥青混合料和沥青混合料芯样。根据现场抽检，该工程铺筑的沥青混合料采用70#普通基质沥青，沥青性能依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行试验检测，沥青性能检测结果见表3。现场抽检的矿料包括粗集料、细集料和矿粉，其中粗细集料为石灰岩，矿料性能指标依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）进行试验检测，矿料性能指标检测结果见表4。为了解现场路面铺筑的沥青混合料级配，对现场抽取的沥青混合料进行了抽提实验，沥青混合料的抽提结果如表5所示。

3.2确定划分体单元边长

对于沥青混合料芯样体单元，其边长的确定要尽可能保证体单元能包含混合料中所有的组成成分。在表3中，根据沥青混合料抽提的结果显示该混合料的级配为AC-13，为了保证划分出的体单元都能最大限度地包含粗集料、细集料、矿粉和瀝青4种组成成分，本文将采取以集料最大公称粒径为边长，划分出沥青混合料的体单元。

3.3划分网格切分体单元

以集料最大公称粒径为边长，划分出芯样的网格，再切割出体单元。本次实验中，对于AC-13级配的沥青混合料芯样，高度为63.5cm，直径为101.6cm，因此，芯样切4层，每层切36块，一共144个体单元，切除芯样周围无法切成标准立方体单元的部分。切割过程如图1所示。

另外，沥青混合料芯样体单元的质量分布采用密度分布进行表征，由于该体单元内部含有空隙，因此采用表干法测出体单元的毛体积相对密度，以此表征体单元的质量分布。

沥青混合料芯样体单元的刚度采用弹性模量进行表征，由于芯样体单元的质量和体积太小，无法采用静态回弹模量试验机进行试验。因此，本文将采用手持式回弹仪进行试验。

4均匀性评价结果分析

4.1传统的沥青混合料均匀性评价

传统的沥青混合料均匀性采用压实度和密度两个指标进行评价，按照《公路工程沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）附录E中的评定方法，压实度采用现场取芯并按照式（6）进行计算，现场的密度采用无核密度仪进行取点检测，而实验室中，密度测试有别于现场，采用表干法进行测试。

式（7）～（9）中：Ko为压实度或密度的平均值;Ki为第i个试件的压实度或密度;s为压实度或密度的标准差;Cv为变异系数;N为评定路段内的测点个数，其自由度为N-1。

4.2基于多指标的混合料均匀性分析

室内通过回弹仪测试体单元的弹性模量特征值，采用表干法测得体单元的毛体积相对密度，最后通过三氯乙烯浸泡得出沥青混合料的沥青含量，结果见图4。

由图4（a）和图4（b）可以看出弹性模量特征值整体和毛体积相对密度的变化趋势为第一层和第四层相对较小，数据离散性较大，而中间两层的表观相对密度和弹性模量特征值较大，数据较为稳定，数据离散性较小。这符合沥青路面碾压的规律，即表层和底部空隙率较大，导致密度和刚度分布不均匀系数较大，而中间层压实度高，因此分布不均匀系数较小。而图4（c）中各层的沥青含量变化曲线基本一致，各层位含量的差值较小，这表明沥青混合料的组成成分分布很均匀。

对测得的体单元数据进行统计分析，得出刚度分布、质量分布和组成成分分布的差异系数，根据式（3）、（4）和式（5）得到每一层中三个指标的均匀指数，并取三者的平均值作为该沥青混合料的均匀性指数，结果见表7。

3.3结果分析

传统的沥青混合料均匀性评价分析包括压实度和密度两个指标，其评判的标准为合格率，沥青路面铺筑的压实度和密度的合格率要达到93%。从表6可以看出，各层体单元压实度和密度的变异系数均很小，但变异系数的变化趋势为表层和底层高于中间两层，这表明沥青路面中间层的压实度和密度较高，均匀性很好，表层和底层的差异性相对较大。而从合格率来看，该沥青混合料的合格率为63.2%，远低于规范要求的合格率，均匀性很差。因此，按照规范的评判标准，该沥青混合料均匀性评价结果自相矛盾。

按照沥青混合料均匀性新方法评价结果如表7所示，各层密度均匀性和组成成分均匀性差异系数都低于0.05，根据表5的等级划分依据，这两个指标都属于高度均匀，而刚度均匀性差异系数为1.4左右，属于中度均匀。综上所述：该沥青混合料试件的刚度最终的均匀性等级为中度均匀，综合均匀性指数为0.896。

5结论

本文提出了沥青混合料均匀性的新定义，建立了沥青混合料均匀性评价的指标体系，结合AC-13级配的沥青混合料均匀性实验，研究了沥青混合料的均匀性，并与传统评价方法进行了对比分析，取得了如下结果。

（1）按照现有规范执行的沥青混合料均匀性评价，实际检测的只有密度指标，虽然本次实验所用沥青混合料的压实度和密度变异系数很小，均匀性很好，但合格率仅为63.2%，达不到规范的要求，因此采用传统的沥青混合料均匀性评价分析自相矛盾。

（2）按照沥青混合料均匀性新的评价指标体系，即采用组分成分均匀、质量分布均匀和刚度均匀三大指标分层进行评价，在传统的沥青混合料均匀性评价基础上，既考虑了沥青混合料各层的离异性，又考虑了组成成分和力学性能的差异性，给出了明确的均匀性指数评价公式和均匀性评价等级。评定本次实验所用沥青混合料的均匀性等级为中度均匀，综合均匀性指数为0.896。

（3）除了本研究所采用的AC-13级配的沥青混合料类型，不同级配类型、集料性质和沥青用量的沥青混合料，其均匀性仍然需要实验进一步确定。此外，通过对比研究发现：传统的沥青混合料均匀性评价指标过于单一，评判标准过于笼统，而新的评价指标体系指标更全面，评价标准更精确。因此，新的沥青混合料均匀性评价体系更加客观和全面。