矿料间隙率在沥青混合料组成设计中的应用研究

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1、第 18 卷第 2 期重庆交 通 学 院 学 报1999年6月 Vol . 18 No . 2JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG INSTITUTEJune 1 9 9 9 矿料间隙率在沥青混合料组成 设计中的应用研究 魏建民朱大权 ( 重庆交通学院道路工程系, 400074)( 贵州省公路工程总公司, 贵阳 550008) 摘 要 分析了矿料间隙率对沥青混合料路用性能的影响规律.计算了各种混合料组成参数时矿料 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料配合比设计的方法, 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;

2、配合比 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 、 拥包、 推挤 等永久变形 , 使路面的使用品质大大降低、 使用寿命迅速缩短 , 有时甚至会危及行车安全 . 在工业发达国家 , 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 , 车辆的轴载 、 轮载有不断增大的趋势, 对沥青路面的高温稳定性提出了愈 来愈高的要求.如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.笔者从沥青混合料的组成方面着手 , 探讨通过

3、控制沥青混合料矿料间隙率来进行沥青混 合料组成设计的方法 , 达到防止和消除沥青路面出现高温稳定性破坏目的 . 1 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骨架网络 , 又有密度高、 剩余空隙 率适中等特点, 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保证路面具有良好的耐久性;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料的物理力学性能.描述沥青混合料组成的参数包括矿料最大粒 径 ( D)及级配

4、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料颗粒间的 空隙体积占混合料总体积的百分率 , 包括剩余空隙体积和有效沥青体积 ( 混合料中沥青总体 收稿日期:1998-10 -14 ( 1998-11 -18修改) .魏建民, 男, 1966 年生, 讲师, 硕士. 积减去被矿料吸收的沥青体积) , 可用式 1表示. VMA = Vv+( Vb-Vba)( 1) 式中:VMA 矿料间隙率 ,( % ) ;Vv 剩余空隙率,( % ) ;Vb 总沥青体积占混 合料总体积

5、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 , 是沥青混合料配 合比设计的重要参数之一 .世界上许多国家的沥青混合料设计方法都对它的取值有明确规 定, 见表 1. 表 1各国矿料间隙率(VMA) 规定值(% ) 最大粒径(mm ) 国家 37. 5251912. 59. 54. 752. 36 日本1416 澳大利亚14151617 美国12131415161821 矿料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影响.矿料间隙率过小主 要是由于沥青混合料的剩余空隙率和沥

6、青用量过小造成的, 这样的沥青混合料耐久性较差 , 抗疲劳能力弱, 使用寿命短.在实际施工时 , 部分矿料颗粒的表面仍未被沥青完全裹覆 , 混 合料过于干涩, 施工和易性差.有水分作用时 , 沥青与矿料容易剥离, 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 合料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,

7、首先确定沥青混合料的矿料间隙率 , 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 . 2 矿料间隙率的确定 矿料间隙率的大小与矿料级配 、 矿料颗粒的表面特性及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, 当矿料的最大 粒径较小 、 细集料用量多 、 矿料颗粒表面粗糙、 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 , 矿料间隙率可通过计算来确定.鉴于目前沥青 混合料配合比设计时矿料密度采用视密度,

8、 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 -mb/ sbPs( 2) 式中 :VMA 矿料间隙率 , ( % ) ;mb 沥青混合料密度 , ( g/cm3) ; sb 矿料视密 度 ( 各种集料视密度的加权平均值) ,( g/cm3) ;Ps 矿料占混合料总质量的百分率 , ( % ) . 采用玄武岩作粗集料 , 河砂作细集料 , 石灰石粉作填充料.Shell 沥青作结合料 , 各种 材料的技术指标列于表 2.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

9、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 3. 68重 庆 交 通 学 院 学 报 第 18 卷 表 2原材料技术指标 玄武岩河砂石灰石粉Shell 沥青 视密度 ( g/ cm3) 视密度 ( g/cm3) 视密度 ( g/cm3) 延度 ( 15, 5 cm/ min) ( cm) 软化点 () 密度 ( g/ cm3) 针入度 ( 25, 100g, 5s) ( 0. 01mm) 2. 9562. 592. 715048. 01. 03664 表 3矿料间隙率计算表 沥青混合料组成参数 Pb=4. 0Pb=5. 0Pb=6. 0

10、 Vv=3. 0 Vv=4. 0 Vv=5. 0 Vv=3. 0 Vv=4. 0 Vv=5. 0 Vv=3. 0 Vv=4. 0 Vv=5. 0 D =16 ( mm) n =0. 35VMA12. 4013. 3114. 2114. 6615. 3616. 2416. 4517. 3118. 18 n =0. 45VMA12. 4813. 3914. 2914. 5715. 4516. 3416. 5617. 4218. 28 n =0. 50VMA12. 5213. 4314. 6214. 8215. 5016. 3816. 6217. 4818. 34 n =0. 55VMA12. 56

11、13. 4614. 3614. 6615. 5416. 4216. 6617. 5218. 38 D =19 ( mm) n =0. 35VMA12. 4413. 3414. 2514. 5215. 4016. 2816. 5117. 3718. 23 n =0. 45VMA12. 5313. 4314. 3314. 6215. 5016. 3816. 6217. 4818. 34 n =0. 50VMA12. 5713. 4714. 3714. 6715. 5516. 6316. 6717. 5318. 39 n =0. 55VMA12. 6013. 5014. 4014. 7115. 59

12、16. 4716. 7217. 5818. 44 表中:D 矿料的最大粒径;n 泰波法设计集料级配的指数;其余符号意义同前. 在上表中, 如果已知沥青混合料的矿料间隙率, 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料 , 沥青用量不可偏多 、 剩余空 隙率不可太小、 矿料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 . 3 实验验证 3. 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 沥青路面施工技术规范 ( JTJ032 -94)中 AC-16 的矿料间隙率

13、不应小于 14. 5%、 AC-20 的矿料间隙率不应小于 14% 的要求, 同时考虑到矿料间隙率对沥青混合料高温稳定性的影响规律, 在表 3 的基础上确定 了最大粒径为 19 mm 、 级配指数 n 分别为 0. 35、 0. 45、 0. 50 的三组矿质集料 A 、 B 、 C . 三组矿料的颗粒组成情况见表 4 . 表 43 种级配矿料的颗粒组成 筛孔尺寸(mm ) 级配名称 199. 504. 752. 361. 180. 60. 30. 150. 075 0. 075 A1007056433324171277 B976549. 537. 52820. 5149. 566 C9560

14、4332231711755 由表中所列实验结果可见 , 实验得到的矿料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. 69第 2 期 魏建民:矿料间隙率在沥青混合料组成设计中的应用研究 3. 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. 表 5马歇尔实验结果 混合料 沥青用量 ( %) 稳定度 ( 10N) 流值 ( 10-2cm) 剩余空隙率 (%) 混合料密度 ( g/ cm3) 饱和度 ( %) 矿料间隙率 ( %) 实测值计算值 A1 4. 4152023. 64. 02.

15、5007214. 2214. 365 A24. 6148024. 53. 62. 5057514. 2214. 428 A3 4. 8144026. 53. 12. 5067714. 2214. 402 B14. 5115121. 03. 82. 5197414. 2114. 267 B2 4. 7124023. 03. 42. 5247714. 2514. 375 B34. 9129023. 03. 12. 5287914. 2914. 471 C1 4. 797524. 04. 52. 5096815. 2814. 369 C24. 995526. 04. 22. 5147215. 321

16、4. 513 C3 5. 194527. 03. 72. 5177515. 4014. 479 表 6车辙实验结果 实验指标 材料 Cv ( %) t ( g/cm3) o ( g/ cm3) DS ( 次/mm) RD ( mm/ min) A1 88. 672. 5972. 5009930. 045 A288. 222. 5852. 5058620. 052 A3 87. 772. 5732. 5068040. 061 B188. 342. 6142. 51910380. 045 B2 87. 882. 6022. 5249380. 047 B387. 442. 5892. 5288650. 052 C1 87. 772. 6272. 50912830. 035 C287. 322. 6152. 51411440. 039 C3 86. 872. 6032. 51710380. 043 注:Cv 矿料体积占混合料总体积的百分率;t 沥青混合料的理论密度;o 沥青混合 料的实测密度;DS 车辙实验所测动稳定度;规范规定