沥青混合料的体积指标及其与路用性能的关系

樊 志 强

(大连市政修建总公司，辽宁 大连 116020)



沥青混合料的体积指标及其与路用性能的关系

樊 志 强

(大连市政修建总公司，辽宁 大连 116020)

介绍了沥青混合料体积指标的意义与计算方法，分析了空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA及沥青膜厚度对沥青混合料性能的影响，指出空隙率是沥青混合料性能的主要影响因素之一，在工程应用中应注意控制混合料的空隙率。

沥青混合料，空隙率，体积指标，路用性能

0 引言

沥青混合料的体积指标是影响其路用性能的一个重要指标。目前国内高速公路由于空隙率等因素导致沥青路面产生较多早期破坏。提高沥青面层的使用性能，研究混合料的体积指标与其路用性能之间的关系是十分必要的。

1 密度

密度是沥青混合料的主要体积指标之一，常用的密度主要包括有：表观密度、毛体积密度、理论最大密度、表观相对密度、毛体积相对密度、理论最大相对密度等。另外还有表干密度、表干相对密度等其他密度。

1)沥青混合料的表观密度。

沥青混合料单位体积(含混合料闭口孔隙体积)的干质量。其与同温度水的密度的比值称为表观相对密度。

2)沥青混合料的毛体积密度。

沥青混合料单位毛体积的干燥质量。其与同温度水的密度的比值称为毛体积相对密度。

3)沥青混合料的理论最大密度。

假设沥青混合料被压实至全部空隙(不含矿料自身内部孔隙)都被沥青填充的理想状态下的最大密度。其与25 ℃水的密度的比值称为理论最大相对密度。

在JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中介绍了测量四种沥青混合料密度的试验方法(见表1)。

在测定沥青混合料密度的方法中，水中重法较为简单，其测量的水表观密度，适用于试件表面几乎没有开口孔隙，吸水率小于0.5%的特别密实的沥青混合料。当试件非常密实时，试件的表干质量与空中质量差别较小，可用其表观密度代替表干法测定的毛体积密度。

表1 沥青混合料的试件密度测试方法比较

在测定沥青混合料密度的方法中，采用表干法测定沥青混合料的毛体积密度是最基本的方法。试件的体积包括矿料体积、沥青体积、矿料闭口孔隙体积、矿料之间被沥青封闭的闭口孔隙、与外界相连的开口孔隙，不包括试件表面的凹陷。

当沥青混合料的空隙率较大，开口孔隙较多时，混合料的饱和面干状态便很难形成，此时应采用蜡封法。

当沥青混合料的空隙率很大(如：大空隙透水性开级配沥青混合料)时，不能用表干法、蜡封法等测定时，可采用体积法测定混合料密度。

2 体积指标

沥青混合料的体积指标除密度外，还包括：空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、有效沥青的体积百分率、矿料的体积百分率、沥青膜有效厚度等。其中对沥青混合料性能及路用性能影响较大的三个体积指标分别为空隙率VV、矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA。

体积指标计算如下：

1)空隙率VV：沥青混合料中矿料及沥青以外的空隙的体积占混合料总体积的百分率。

其中，γt为混合料的最大理论相对密度;γf为混合料的毛体积相对密度。

2)矿料间隙率VMA：沥青混合料中矿料部分以外的体积占混合料总体积的百分率。

其中，γsb为矿料合成毛体积相对密度；Ps为矿料占沥青混合料总质量的百分率，%。

3)沥青饱和度VFA：沥青体积占混合料矿料部分以外的体积的百分率。

4)有效沥青体积百分率Vbe：有效沥青体积所占沥青混合料总体积百分率。

其中，Pbe为沥青混合料中有效沥青的含量，%。

5)矿料体积百分率Vg：在压实的沥青混合料中矿料体积占沥青混合料总体积的百分率。

Vg=100%-(Vbe+VV)。

6)沥青膜的有效厚度：沥青混合料中有效沥青薄膜的平均厚度。

SA=∑(Pt×FAt);

其中，SA为沥青混合料中集料的比表面积，m2/kg；FAt为沥青混合料中相应于各种粒径的集料的表面积系数；Pt为集料中各种粒径的通过百分率,%；DA为沥青膜的有效厚度,μm；γb为25 ℃时沥青的相对密度。

3 沥青混合料的体积指标与路用性能的关系

沥青路面直接受到车辆荷载和大气因素的作用，因此要求路面具有一定的稳定性、耐久性。其中稳定性包括高温稳定性、低温稳定性以及水稳定性。目前国内外关于矿料体积百分率Vg、有效沥青的体积百分率Vbe对沥青混合料性能的研究较少，以下主要分析空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA以及沥青膜的有效厚度对沥青混合料性能的影响。

3.1 空隙率对沥青混合料性能的影响

空隙率是影响沥青混凝土路面性能的主要因素之一，对沥青路面的稳定性、耐久性以及抗疲劳特性都有直接的影响。美国有研究认为，沥青路面空隙率控制在4%以下时，可降低路面早期病害的产生。罗志军认为沥青混合料的空隙率越大，其力学强度越低，并且对混合料的稳定性与耐久性都产生一定影响。杨瑞华认为，混合料的空隙率越低，其高温稳定性与抗滑性能也逐渐降低，而水稳定性与低温稳定性逐渐上升，空隙率越大水分越容易进入混合料中，混合料受到的水的侵害就越大，其水稳定性与低温稳定性就越差。

目前，国内外普遍认为沥青混合料级配的变化，通过改变沥青混合料的骨架结构来影响混合料的稳定性与使用性能，而级配的变化，直接体现在空隙率的变化上。

1)空隙率与透水性的关系。

当空隙率(VV)比较小时，其透水系数也较小，因此沥青混合料不易透水；随着VV增加，混合料的透水系数随之增加，当空隙率超过一定范围时，混合料的透水系数急剧增加。一般研究认为，介于7%～8%的空隙率是透水系数的突变点。路面透水系数大将严重影响路面的耐久性和使用寿命，同时还会危害基层的强度和稳定性。

2)空隙率与车辙的关系。

大量研究认为，在沥青混合料沥青含量一定的情况下，空隙率较小时，车辙变形小。但存在一个极值，当空隙率下降超过这一极值、空隙率过小时，由于沥青的相对过剩，高温时沥青膨胀会导致混合料失稳，导致其变形速率增大，产生较大的车辙变形，导致沥青混凝土路面面层容易产生车辙和推挤的现象。因此控制路面车辙的产生，不光需要严格控制沥青混合料的沥青含量，还应使压实后的沥青混合料的空隙率在较合理的范围内。

3)空隙率与老化的关系。

沥青老化主要可分为氧化缩合、结构位阻硬化以及轻质油分挥发三类现象。沥青路面使用过程中沥青受到空气、水以及紫外线等综合作用，从而导致路面沥青老化的产生，影响沥青路面的耐久性。

研究认为，当沥青混合料的空隙率小于5%时，沥青老化速度比较慢，路面的耐久性较好；随着空隙率的增加，沥青与空气的接触面积增大，会加速沥青老化，从而导致沥青混凝土产生裂缝和松散。

3.2 矿料间隙率对沥青混合料性能的影响

一般来讲，级配组成、集料性状以及压实功是影响矿料间隙率VMA的大小的决定因素。我国关于矿料间隙率对沥青混合料性能的影响的研究起步较晚，研究较少。国内外目前研究认为：

1)矿料间隙率与压实功的关系。矿料的间隙率主要受矿料的颗粒组成、矿料的级配、混合料的油石比、压实功等几个方面的影响。在矿料的颗粒组成、矿料的级配、混合料的油石比确定的情况下，混合料成型时的压实功越大，沥青混合料的毛体积密度越大，试件矿料间的空隙越小，矿料的间隙率越小；反之，间隙率越大。

2)矿料间隙率与耐久性的关系。沥青混合料耐久性会受到矿料间隙率的直接影响。首先，矿料间隙率要满足混合料中对孔隙大小的要求，以保证沥青混合料的稳定性；其次，混合料还要有足够的空间能够容纳足够的沥青以保证混合料具有足够的耐久性。因此一般认为，矿料间隙率小则意味着沥青混合料中能容纳沥青的空间小，使其耐久性不足；而较大的矿料间隙率则意味着沥青混合料中孔隙太大，这样也会造成沥青混合料的稳定性不足。基于此，我国相关规范制定时，考虑到混合料必须具有一定的间隙率，以保证混合料具有足够的空间来容纳沥青，提高混合料的耐久性，同时使沥青能够均匀的裹附在矿料表面，提高其稳定性。

3.3 沥青饱和度对沥青混合料性能的影响

沥青饱和度越高，混合料高温稳定性越差，容易产生车辙、推移等病害，且由于沥青对矿料间隙填充较高，在混合料发生变形时，沥青会从混合料内部被挤出，产生泛油。当沥青饱和度较低时，混合料中沥青含量偏低，导致沥青不能均匀的裹附在矿料表面或沥青膜的有效厚度偏低，矿料之间的粘结力较低，产生矿料破落等病害。一般研究认为当沥青的饱和度在68%～83%之间时，沥青混合料具有良好的稳定性与耐久性。

3.4 沥青薄膜厚度对沥青混合料性能的影响

20世纪60年代，有国外学者提出将沥青薄膜厚度作为评价沥青混合料性能的指标之一，认为沥青薄膜厚度与沥青混合料的路用性能有直接关系。沥青薄膜厚度较低时，混合料的粘结性较差，同时容易造成沥青难以均匀裹附在矿料表面。沥青薄膜较大时，混合料的高温稳定性较差，容易产生车辙、推移、泛油等病害。

长安大学刘红瑛认为，沥青薄膜对混合料性能的影响与混合料的类型与级配有关，同类型不同级配的混合料对应不同的最佳沥青薄膜厚度。混合料空隙率越大，对应的最佳沥青薄膜厚度越大。

4 结语

混合料的体积指标(VV，VMA，VFA)之间不是孤立存在的，是相互依存、相互制约的关系，当空隙率(VV)一定时矿料间隙率(VMA)的大小决定了沥青饱和度(VFA)的大小。空隙率是沥青混合料性能的主要影响因素与控制指标之一，在工程应用中应注意控制混合料的空隙率，同时，充分考虑其他体积指标对混合料性能的影响。

[1] 徐慧宇.体积指标对混合料路用性能的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2007.

[2] 丁 伟.沥青混合料马歇尔稳定度试验方法[J].城市建设理论研究,2012(15)：38-39.

[3] 黄吉婵.关于沥青混合料空隙率试验的相关探讨[J].城市建设理论研究,2013(8)：16-17.

[4] Brian J. Coree, Ph.D., P.E. The Difficult Nature of Minimum VMA: A Historical Perspective,2002.

[5] WALTER P. HISLOP, BRIAN J. COREE. VMA as a Design Parameter in Hot-Mix Asphalt,2002.

[6] 曾 辉.影响沥青混合料质量的三大体积指标[J].交通科技,2007(12):41-42.

[7] 李 强,李 峥.沥青混合料体积指标测定方法试验研究[J].华中科技大学学报(城市科学版),2003(10):52-53.

[8] JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

Relationship of asphalt mixture volume index and pavement performance

Fan Zhiqiang

(DalianMunicipalMaintenanceandConstructionCorporation,Dalian116020,China)

The thesis introduces the meaning and calculation methods of asphalt mixture volume index, analyzes the impact of porosityVV, mineral porosityVMA, asphalt saturationVFAand asphalt membrane thickness upon asphalt mixture performance, and finally points out that: the porosity is one of important factors influencing asphalt mixture performance. Therefore, it is necessary to control mixture porosity in the engineering application.

asphalt mixture, porosity, volume index, pavement performance

2016-11-21

樊志强(1972- )，男，高级工程师

1009-6825(2017)04-0136-03

TU535

A