矿料间隙率在沥青混合料配合比设计中的应用研究
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作者: 李珍贵
摘 要：分析了矿料间隙率对沥青混合料性能的影响规律。计算了各种混合科组成参数时矿科间隙率的大小。提出了通过控制矿料间隙率来进行沥青混合科配合比设计的方法，并通过马歇尔实验和车辙实验来加以检验。
关键词：沥青混合料；矿料间隙率；高温稳定性；配合比
中图分类号：TU528．062
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2006)04-0138．03
收稿日期：2006-03-27
作者简介：李珍贵(1971―)，女，湖南桃江人，1995年毕业于哈尔滨工业大学硅酸盐工程专业，工程师，从事建筑材料检测和研究工作。
1 前言
在夏季气温较高的地区，由于高温稳定性不足，沥青路面常常会出现车辙、推挤、拥包等永久变形，使路面的使用寿命迅速缩短，有时甚至会危及行车安全。在许多工业发达国家，沥青路面养护、维修量最大的病害形式是车辙，约占80％，是造成公路营运经济效益和社会效益下降的主要因素。随着我国公路运输事业的发展，公路路面承受的交通量迅速增大，车辆的荷载不断增大的趋势，对沥青路面的高温稳定性提出了愈来愈高的要求。女口何减轻和消除沥青路面上出现的车辙等病害，是当今公路科学研究的重点。本文从沥青混合料的组成方面着手，探讨通过控制沥青混合料矿料间隙率来进行沥青混合料配合比设计的方法，达到防止和消除沥青路面出现的高温稳定性破坏目的。
2 矿料间隙率对沥青混合料性能的影响
通常情况下，矿料级配良好的沥青混合料既有坚实的网络骨架，又有密度高、剩余空隙率适中的特点，因而具有理想的强度和高温稳定性。沥青混合料组成设计的目的，就是要使沥青混合料有足够的沥青以确保路面有良好的耐久性；有足够的剩余空隙以保证良好的高温稳定性；有良好的施工和易性等。沥青混合料配合比设计内容包括矿料级配、最佳沥青用量的确定并用实验检验混合科的物理力学性能。描述沥青混合料组成的参数包括看看最大粒径(D)及级配类型(用级配类型系数n表示)、沥青用量(OAC)、剩余空隙率(Vv)、矿料间隙率(VMA)等。
所谓矿料间隙率(VMA)即沥青混合料被压实后矿科粒间的空隙体积占混合料总体积的百分率，包括剩余空隙率体积和有效沥青体积，即：
VMA＝Vv+(Vb-Vba)
(1)
式中：VMA―矿料间隙率(％)；Vb―总沥青体积占混合料总体积的百分率(％)：Vba―被孔隙吸收的沥青体积占混合料总体积的百分率(％)。
矿料间隙率对沥青混合料强度、耐久性和高温稳定性有很高的敏感度，是沥青混合科配合比设计的重要参数之一。矿科间隙率过大或过小都会对沥青混合料的路用性能产生不利的影响。矿科间隙率过小主要是由于剩余空隙率和沥青用量过小造成的，这样的沥青混合科耐久性较差，抗疲劳能力弱，使用寿命短。在实际施工时，部分矿料颗粒表面仍未被沥青完全褒覆，混合料过于干涩，施工和易性差。有水分作用时，沥青于矿料容易剥离，使混合料松散、解体；矿料间隙率过大主要是由于沥青用量过大，细集料用量偏多等原因造成的，这对沥青混合科路用性能的影响既有有利的方面，又有不利的方面。有利的一面是沥青混合料的抗疲劳性能较好，不易出现疲劳开裂。不利的一面是沥青混合料的高温稳定性差，容易出现车辙、拥包、推挤等形式的病害。由此可见，在进行沥青混合料组成设计时，根据设计要达到的目的，首先确定沥青混合科的矿料间隙率，进而确定其他混合料组成参数，可使沥青混合料配合比设计针对性强、经济性好。
3 矿料间隙率的确定
矿料间隙率的大小与矿料级配、矿料颗粒的表面特征即沥青用量等参数有直接关系。当矿料的最大粒径大、粗颗粒含量多、沥青用量少时、矿料间隙率就小；反之，当矿科最大粒径较小、细集科用量多、矿科颗粒表面粗糙、沥青用量较多时，矿料间隙率就大。推而论之，合理确定矿料间隙率就可以合理确定其他混合料组成参数。
根据沥青混合料中各种材料的组成关系，矿料间隙率可以通过计算来确定。鉴于目前沥青混合科配合比设计时矿料密度采用视密度，并未考虑矿料颗粒开口孔隙吸收沥青的情况，故矿料间隙率可用下式计算：
VMA＝100-pmb／psb.Ps
(2)
式中：VMA-矿料间隙率(％)pmb－沥青混合料密度(g／cm3)；Psb-矿料视密度(各集料视密度加权平均值)(g／cm3)；Ps－矿科占混合科总质量的百分率(％)。
采用玄武岩作粗集料，石屑作细集料，矿粉作填充料。AH-70沥青作结合料，各种材料的技术指标列于表1．根据式(2)，分别计算了在不同矿料最大粒径(D)、不同级配类型(用级配类型系数n来反映)、不同沥青用量(Pb)、不同剩余空隙率(Vv)情况下的矿料间隙率(VMA)，计算结果列于表2。
在表1、2中，如果已知沥青混合料的矿科间隙率，就可反过来确定混合料的其他组成参数，从而完成混合料配合比设计．高温稳定性好的沥青混合科，沥青用量不可偏多、剩余空隙率不可太小、矿科的粗颗粒含量应较多、颗粒表面应尽可能粗糙．而通过控制矿料间隙率，可使混合料组成参数达到上述要求。
4 实验验证
4．1马歇尔稳定度实验
用马歇尔实验来检验用式(2)进行计算的正确性．根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTJF40-2004)中AC-16的矿科间隙率不应小于14．5％、AC-20的矿科间隙率不应小于14％的要求，同时考虑到矿科间隙率对沥青混合料高温稳定性的影响规律，在表2的基础上确定了最大粒径为19mm、级配指数n分别为0．35、0．45、0．50的三组矿质集科A、B、C三组矿料的颗粒组成情况见表3。
由表3．4中所列实验结果可见，实验得到的矿科间隙率与计算值相当接近，而且沥青混合料的其他马歇尔实验指标完全符合规范要求。
4．2车辙实验
进行车辙实验主要是考察按上述设计过程设计的沥青混合料是否满足规定的高温稳定性要求。实验结果列于表5。
由表5中所列数据可知，前述设计过程得到的沥青混合料，都具有良好的高温稳定性。
由此可见，通过合理确定矿科间隙率值来控制沥青混合科配合比设计是可行的。具体设计时，从沥青混合料组成设计的目标出发，根据矿科间隙率对沥青混合料路用性能的影响规律，首先确定混合科的矿料间隙率，并在此基础上确定混合料的矿料级配，沥青用量范围、剩余空隙率等组成参数。然后再进行相关实验，确定最终的沥青混合料配合比。这种设计方法具有目标明确、针对性强、实验量少、结果准确等优点。
参考文献：
[1]公路沥青路面施工技术规范．(JTGF40-2004)．北京：人民交通出版社，2004．
[2](日)牛尾俊介，李一鸣译．沥青路面车辙预估．东南大学，1982．
作者单位：长沙市城建科研所
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