空隙率對瀝青混凝土的重大影響_沙慶林

1、國外公34文章編號:1003-6512(2001)01-0034-0521卷第1期路第2001年2月空隙率對瀝青混凝土的重大影響沙慶林(交通部公路科學研究所,北京市100088)摘要:利用國內(nèi)外的已有資料較詳細地論述了瀝青混凝土的空隙率對其透水性、氧化、抗永久形變能力和強度的重大影響。進一步證明,瀝青面層所用混合料應該是馬歇爾試驗空隙率為3%4%的密實式級配。關(guān)鍵詞:瀝青混凝土;空隙率;透水性;永久形變;強度;密實式性很小;空隙率大于8%時,混合料的透水性1國外文獻資料1.1空隙率與透水性瀝青混凝土的空隙率(即空氣率)過大,降水容易透入結(jié)構(gòu)層中,使瀝青路面產(chǎn)生各種各樣的水破壞。Zube(修比)

2、的研究表明,密級配熱拌瀝青混凝土的空隙率約為8%時,路面的透水性很大。美國加利福尼亞州10項工程瀝青面層的滲透性與混合料空隙率的關(guān)系見圖1。增加很快,見圖2。圖2喬治亞州路面的透水性與空隙率的關(guān)系圖1和圖2表明,只要現(xiàn)場混合料的空隙率小于8%,透水性不會成為一個明顯的問題。但是當空隙率大于8%時,透水性就增加得很快。我國部分高速公路的瀝青面層采用型級配瀝青混凝土做表面層,另一部分高速公路采用抗滑表層級配,除AK-16A(保持<0.075mm的含量在中值以上)外,另三種AK級配也都是屬于型,型級配瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率就常大于8%。此外,我國施工規(guī)范要求的壓實度只有圖1加州10項工程

3、瀝青面層的透水性與空隙率的關(guān)系Brown(布朗)、Collins(柯林斯)等在喬治亞州對離析混合料的研究也表明,熱拌瀝青混凝土的空隙率小于8%時,混合料的透水:101496%,在達到此壓實度標準的情況下,現(xiàn)場瀝青混凝土的空隙率約12%。由于瀝青混凝土的不均勻性較大,少量局部小面積的空隙率甚至會高達15%左右。因此,降水很容易1期空隙率對瀝青混凝土的重大影響35透入表面層及其下面的結(jié)構(gòu)層,導致嚴重水破壞。空隙率大是型瀝青面層產(chǎn)生水破壞多于且嚴重于型瀝青面層的關(guān)鍵因素。1.2空隙率與瀝青氧化瀝青混凝土的空隙率大還使空氣容易進入結(jié)構(gòu)層中,使瀝青容易氧化變脆,從而導致瀝青混凝土容易產(chǎn)生裂縫和松散,直接

4、影響路面的使用壽命。Santucci(桑塔西)等的研究表明,瀝青的殘留針入度直接受瀝青面層空隙率的影響。瀝青混凝土的空隙率大于8%時,瀝青針入度的損失顯著增加(瀝青氧化較快)。他們認為,如密級配瀝青混凝土能施工成空隙率小于8%,可以避免導致裂縫和松散的快速氧化,并能產(chǎn)生合適的使用性能。1.3空隙率與轍槽瀝青混凝土的空隙率過小,面層容易產(chǎn)生轍槽和推擠現(xiàn)象。顯著的跡象表明,密級配混合料的初始現(xiàn)場空隙率應不大于8%,并且在路面使用期間應不小于3%。Ford(福特)在阿肯色州的研究表明,熱拌瀝青混合料應設計和施工成現(xiàn)場空隙率保持在2.5%以上。空隙率在2.5%以上,轍槽深度將小于7.9mm,見圖3。列

5、引起轍槽的因素后,指出產(chǎn)生轍槽的主要原因之一是瀝青混凝土的空隙率小于3%。實際上面層,特別是表面層的空隙率過小也容易導致面層表面泛油,使抗滑性能顯著下降。DonBrock(布洛克)的論文介紹:室內(nèi)對不同溫度下的9.5mm(最大粒徑)熱拌瀝青混合料用同樣的方法制成試件,試件將具有不同的空隙率。用瀝青路面分析儀(APA)對這些試件進行輪轍試驗的結(jié)果列在表1中。表1用APA做的9.5mm瀝青混凝土的輪轍試驗試件1234567制件溫度/14914313812711610493空隙率/%6.77.17.07.68.58.29.1轍槽深度/mm6.386.266.067.479.5010.7214.84表

6、1結(jié)果表明,瀝青混凝土的空隙率對轍槽深度有很大影響?？障堵蕪?.7%增到9.1%,轍槽深度從6.38mm增加到14.84mm,后者是前者的2.33倍。用聚合物改性瀝青的12.5mm瀝青混凝土試件的空隙率對轍槽深度也有很大影響。空隙率從7.4%增大到9.5%,轍槽深度從0.53mm增加到1.13mm,后者是前者的2.13倍。1.4空隙率與疲勞壽命Don布洛克的論文還介紹了:1)用不同溫度的9.5mm熱拌瀝青混凝土制成的梁式試件,具有不同的空隙率。用APA對這些不同空隙率的梁式試件進行圖3阿肯色州轍槽深度與混合料空隙率的關(guān)系Brown(布朗)和Cross(克羅斯)的研究表明,室內(nèi)壓實試件的空隙率小

7、于或等于3%時,容易產(chǎn)生明顯的轍槽。使用合適的集料,同時保持空隙率大于3%,觀測到的轍槽深度小。疲勞試驗直到破壞,并以此時的荷載作用周次作為疲勞壽命。摘引其試驗結(jié)果于表2。從表2中可知,試件的空隙率對其疲勞壽命有很大影響。例如,空隙率為6.8%時,試件的疲勞壽命為荷載作用46718周次;空隙率為8.0%時,疲勞壽命降低到13198周,636國外公路21卷9.5%時,疲勞壽命降低到只有4250周次,不到空隙率6.8%時的1/10。表2用APA做的9.5mm瀝青混凝土梁的疲勞試驗試件制件溫度/空隙率/%1234567149143138127116104936.87.47.58.08.48.69.5

8、疲勞壽命(輪作用周次)46718(1.0)20956(0.45)19690(0.48)13198(0.28)8010(0.17)4578(0.098)4250(0.091)相關(guān)系數(shù):r=0.63,r2=0.40從圖4可見,瀝青混凝土的空隙率為3%時,其疲勞壽命約為100000次,瀝青混凝土的空隙率為6%時,其疲勞壽命為57000次,即減小43%,瀝青混凝土的空隙率為9%時,其疲勞壽命為30000次,即減小70%(比Va為6%的疲勞壽命減小47%)。1.5空隙率與彎拉勁度瀝青混凝土的壓實度(空隙率)對其彎拉勁度也有明顯影響,見圖5。2)用APA做的12.5mm改性瀝青混凝土梁的疲勞試驗結(jié)果摘列于

9、表3。表3改性瀝青混凝土梁的疲勞試驗試件制件溫度/空隙率/%12345671711661601491381271167.47.48.39.510.39.49.8疲勞壽命(輪作用周次)300226175132797151000(1.00)962(0.76)972(0.59)390(0.26)146(0.26)074(0.24)798(0.17)圖5瀝青混凝土的空隙率對其彎拉勁度的影響圖5上回歸方程為:Smix=7330-355Va相關(guān)系數(shù)r=0.917,r2=0.84由圖5可以看到,瀝青混凝土的空隙率為6%時,其勁度為5200MPa,空隙率為9%時,其勁度為4135MPa,即減小20%。美國的研

10、究還表明,熱拌瀝青混凝土的空隙率>7%時,空隙率每增加1%,瀝青面層的使用壽命要降低10%。由上面的研究結(jié)果,可以歸納為:密實瀝青混凝土應施工成初始空隙率不大于7%,而且開放交通后的最終空隙率應大于3%。由表3可以看到,空隙率對改性瀝青混凝土的疲勞壽命也有很大影響。應該說,空隙率對不同瀝青混凝土(含瀝青品種不同和礦料級配不同等)的疲勞壽命的影響程度是不一樣的,而且可有較大差別。例如,另一論文介紹了壓實度(空隙率)對瀝青混凝土疲勞壽命的影響,摘引在圖4。圖4上的回歸方程為:lgNf=-0.0846Va+5.262國內(nèi)試驗結(jié)果摘要王旭東博士的室內(nèi)試驗證明,瀝青混凝土的空隙率對瀝青混凝土的多個

11、力學性質(zhì)都有顯著影響。2.1SBS改性瀝青混凝土圖4壓實度對疲勞壽命的影響131期空隙率對瀝青混凝土的重大影響37料,在最佳瀝青用量下,不同空隙率水平時,進行了瀝青混凝土的輪轍試驗和10cm×10cm圓柱體試件的抗壓強度和劈裂強度試驗。1)空隙率對抗高溫永久形變能力影響輪轍試驗結(jié)果摘引于表4。從表4可以看到,當SAC-13瀝青混凝土的空隙率由4%增為7%時,其動穩(wěn)定度降低了18%和相對形變增加了0.9%。當空隙率為10%時,動穩(wěn)定度降低了37%,相對形變增加了6.6%。當空隙率達13%時,動穩(wěn)表4不同空隙率下改性SAC-13混凝土的輪轍試驗試驗1234空隙率/%動穩(wěn)定度/次·

12、;mm-1相對形變/%47101343216508239163193.353.383.576.14定度降低了70%,相對形變增加了83%。這一試驗結(jié)果表明,在壓實度達到要求時(如空隙率為7%),瀝青混凝土的抗高溫永久形變能力能滿足要求,如壓實度達不到要求,使空隙率增大,則此瀝青混凝土的抗高溫永久形變能力就會達不到要求?？障堵视?瀝青混凝土的抗高溫永久形變能力愈差。2)空隙率對瀝青混凝土強度的影響空隙率對強度影響的試驗采用了靜壓成型的圓柱體試件。因采用靜壓成型法容易按預定的空隙率制備試件。不同空隙率下瀝青混凝土的強度試驗結(jié)果摘引在表5中。從表5看到,無論是抗壓強度還是劈裂強度,也無論是否浸水或

13、是否經(jīng)過凍融,瀝青混凝土的空隙率對各種不同情況下的強度都有顯著影響,強度均隨空隙率增加而降低。表5不同空隙率下SAC-13混凝土的強度空隙率/%471013抗壓強度/MPa浸水前5.45(1.0)4.49(0.82)3.71(0.68)3.02(0.55)60水中48h3.53(1.0)3.31(0.94)2.78(0.79)2.49(0.71)CSR0.650.740.750.82凍融前0.86(1.0)0.74(0.86)0.65(0.76)0.53(0.62)劈裂強度/MPa-20,60凍融0.53(1.0)0.49(0.92)0.43(0.81)TSR0.620.660.81注:表中強

14、度數(shù)據(jù)均為平均值,括號內(nèi)數(shù)據(jù)為相對比值CSR為浸水前后抗壓強度比,TSR為凍融前后劈裂強度比2.2純?yōu)r青混凝土純70號重交通道路石油瀝青SAC-25瀝青混凝土的空隙率對其抗永久形變能力和強度的影響。1)空隙率對SAC-25抗高溫永久形變能力的影響指標壓實度/%1009896未浸水動穩(wěn)定度/次·mm1391(1.0)935(0.67)673(0.48)-1不同壓實度下瀝青混凝土的輪轍試驗結(jié)果摘列在表6中。表6中壓實度為100%,實際相當于瀝青混凝土的空隙率約4%;壓實度98%實際相當于瀝青混凝土的空隙率約6%;壓實度96%實際相當于瀝青混凝土的空隙率約8%。60浸水24h動穩(wěn)定度/次&

15、#183;mm-12991(1.0)2170(0.73)1330(0.44)DSR2.152.321.98相對形變/%4.47(1.0)6.03(1.35)8.54(1.91)RDR0.570.600.71表6不同壓實度下瀝青混凝土的抗永久形變能力相對形變/%7.84(1.0)10.08(1.29)12.10(1.54)注:表中動穩(wěn)定度和相對形變的數(shù)據(jù)都是平均值,括號內(nèi)的數(shù)據(jù)是相對比值DSR為浸水前后動穩(wěn)定度的比值RDR為浸水前后相對形變的比值表6表明,輪轍試驗的結(jié)果,無論是用動穩(wěn)定度指標還是用相對形變指標表示瀝青混,隨空隙率增大而顯著降低。從壓實度100%降到98%,抗永久形變能力約降低30

16、%左,抗永38國外公路21卷降低50%左右。若規(guī)定壓實度是98%,而實際只達到96%,則瀝青混凝土的動穩(wěn)定度要降低28%(未浸水)和39%(浸水后),相對形變要增加20%(未浸水)和42%(浸水后)。2)空隙率對SAC-25瀝青混凝土強度的影響不同條件下,空隙率對瀝青混凝土的強度的影響列在表7中。從表7可見,不同條件下瀝青混凝土的強度均隨空隙率增加而降低。上述4表的結(jié)果表明,在施工現(xiàn)場保證瀝青混凝土的實際空隙率不大于6%,對保證瀝青混凝土的強度和抗空隙率/%246810抗壓強度/MPa未浸水3.03(1.21)2.51(1.00)1.85(0.74)1.70(0.68)1.42(0.57)60

17、水中48h2.55(1.31)1.94(1.00)1.67(0.65)1.39(0.55)1.21(0.47)CSR0.840.770.900.820.85未凍融0.97(1.13)0.86(1.00)0.70(0.81)0.70(0.81)0.65(0.76)永久形變能力有十分重要的現(xiàn)實意義。正因為瀝青混凝土的空隙率對瀝青混凝土的各個主要技術(shù)性能有很大影響,所以不同國家都嚴格規(guī)定混合料空隙率的值。例如,德國的SMA規(guī)范規(guī)定室內(nèi)馬歇爾試件的空隙率為3.0%4.0%。英國的熱壓式瀝青混凝土,規(guī)定空隙率為3.0%4.0%。美國(含高性能瀝青混凝土)通常按馬歇爾試件的空隙率為4%確定最佳瀝青用量。在

18、施工現(xiàn)場,以往一些國家要求現(xiàn)場瀝青混凝土的空隙率(取鉆件測定)不大于7%,德國SMA規(guī)范規(guī)定現(xiàn)場空隙率不大于6%。劈裂強度/MPa-20,60凍融0.74(1.28)0.58(1.00)0.56(0.97)0.55(0.95)0.52(0.90)TSR0.760.670.800.790.80表7不同空隙率下瀝青混凝土的強度注:表示強度數(shù)據(jù)均為平均值,括號中數(shù)據(jù)均為相對于空隙率4%時強度的比值筆者認為,對于高等級公路,特別是高速公路的瀝青面層,無論是一層、二層還是三層,所采用的瀝青混凝土都應該是密實的。但不包括采用空隙率>20%的開級配瀝青混凝土做表面層(排水磨耗層或減噪音磨耗層)或做面層下部的排水層。這種密實式瀝青混凝土,室內(nèi)馬歇爾試驗的空隙率應是3%4%。規(guī)定表面層瀝青混凝土的現(xiàn)場空隙率不大于6%,從安全角度考慮是合適的。因為當空隙率的下置信限達到6%時,實際少數(shù)點的空隙率會達7%左右。用確定的生產(chǎn)配合比所得瀝青混合料的最大理論密度作為標準密度計算空隙率用此時得到的試件毛體積密度作為計算壓實度的標準密度。現(xiàn)場空隙率和壓實度實質(zhì)上是一回事。但現(xiàn)場空隙率必須待第2天到現(xiàn)場鉆取鉆件后,送室內(nèi)采取措施使鉆取過程中進入試件開口孔隙中的水蒸發(fā)出來,