原材料变异性对路面施工质量的影响分析

李晓妮

（太原公路分局，山西 太原 030012）

0 引言

近年来随着国力的提升，我国交通基础建设行业发展迅猛，尤其是公路工程的建设，截至2019年，中国公路总里程已达484.65万km、高速公路达14.26万km，居世界第一。沥青路面具有良好的耐久性、抗滑性和行车舒适性等特点，体现出显著的综合性能，因此沥青路面是我国最主要的路面形式之一。

随着沥青路面的不断建设，路面病害也不断涌现[1]，我国沥青路面病害主要包括：车辙、坑槽、开裂、剥落等，降低了行车舒适性，影响使用性能。出现这样的问题，原因是多方面的：有设计不合理因素，原材料不合格因素，施工工艺不成熟因素，还有就是原材料合格但变异性过大，导致施工质量不稳定，这些都是沥青路面发生早期病害的因素。

空隙率作为影响沥青混合料耐久性的一个重要因素，我国现行规范严控空隙率的范围，空隙率过大或者过小都对沥青路面产生不利影响。空隙率的大小取决于矿料级配、沥青用量以及压实度等多方面因素，本文通过标准马歇尔试验，确保压实功和成型温度一致的前提下，研究各档集料级配变化和沥青用量对标准马歇尔试件空隙率的影响，进而提出施工过程中对原材料控制的重点。

1 工程背景

某新建高速公路地处亚热带季风型气候，夏季最高温32.9℃，极端值为39.2℃，且降雨量大，要求路面结构具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、抗车辙能力。中面层采用GAC-20C，设计厚度为5.5 cm，空隙率要求2.5%～6.0%。

沥青为SBS改性沥青，最佳油石比为4.5%，具体试验结果见表1。细集料采用的是机制砂，粗集料和细集料均采用的同一石场的石灰岩破碎加工而成，具体指标见表2和表3。各档料掺配比例为：10～20 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm∶水泥∶矿粉=46%∶22%∶4.5%∶24%∶2%∶1.5%。

表1 SBS改性沥青检测结果

表2 细集料检测结果

表3 粗集料检测结果

2 原材料的变异性分析

沥青混合料在生产施工过程的质量变异情况会直接影响沥青路面的施工质量，原材料的变化会直接影响沥青混合料的性能，尤其是级配变化和沥青含量的变化[2]。

2.1 集料级配变异性分析

集料级配变异性大，会导致粗细集料分布不均匀，从而使集料离析。粗集料集中的地方往往细集料和矿粉填充不够，因而空隙率较大沥青含量偏少，是造成沥青路面发生水损坏的主要原因之一；细集料集中的地方因为沥青含量较大，空隙率小却导致沥青路面易发生永久变形、泛油等路面病害[3]。

本文选取连续10 d的各档热料筛分结果，分析单档集料级配的变异性。由于筛孔较多，取各档料的关键筛孔，具体结果见表4。由表4可知，不同筛孔的变异性不同，变异范围在0.014 7～0.181 1，细集料的变异性大于粗集料的变异性，变异性最大的是细集料0～3 mm的0.075 mm、0.15 mm、0.3 mm和0.6 mm四个筛孔。

2.2 沥青含量变异性分析

沥青含量是沥青混合料施工过程中的关键性指标，其大小会直接影响混合料的耐久性。生产中按照最佳生产配合比确定的最佳用量进料，但在实际生产过程中，沥青含量不是恒定值，其大小是变化的[4]。

本文通过燃烧法测定沥青含量，连续10 d油石比检测结果见表4：油石比平均值为4.5%，变异系数为0.019 7，远远小于集料级配的变异系数。

表4 各档集料关键筛孔通过率和油石比

2.3 集料级配和沥青含量对空隙率的灰关联分析

灰色关联分析是通过灰色关联度来分析和确定系统因素的影响程度，通过一定的数据处理，在随机的因素序列中找到其关联性，判定影响系统的主要因素、主要特征和因素间对系统影响的差别。灰关联分析步骤包括：确定数据列，生成处理数据列，计算求差序列，计算灰关联系数，计算灰关联度和优势分析[5]。

a）确定数据列。选取连续10 d马歇尔标准试件的空隙率作为参考数列，取各档筛孔通过率和油石比作为比较数列。

b）均值化处理。根据式（1）对参考数列和比较数列进行无量纲化处理，处理结果见表5。

式中：i=0，1，2，…,12；k=0，1，2，…,10.

表5 原始数据均值化结果

c）计算比较数列与参考数列的绝对差值，根据式（2）计算，计算结果见表6。

d）求两级最小差和两级最大差，即为表6的最小值和最大值。

min[Δi(k)]=0.0165，

max[Δi(k)]=0.6035.

表6 绝对差值计算结果

e）计算关联系数。根据式（3）计算各元素的关联系数，计算结果见表7。

表7 关联系数计算结果

式中：k=0，1，2，…，10；ρ=0.5.

f）计算关联度。根据式（4）计算关联度，关联度ri越大，则说明比较数列和参考数列的发展趋势越接近，对其影响越大，计算结果见表8。

式中：m=10。

表8 关联度计算结果

根据关联度计算结果可知，10～20 mm碎石16 mm筛孔和13.2 mm筛孔对混合料空隙率影响最大，其次为0～3 mm机制砂0.15 mm筛孔和0.075 mm这两个筛孔。以上4个筛孔和混合料空隙率有密切关系，因此在集料加工过程中，要严格控制以上4个筛孔变异性，从源头保证沥青混合料性能的稳定。在本次试验过程中，油石比的变异系数为0.019 7，低于大部分集料筛孔的变异系数，但其关联度为0.635 6，关联系数处于居中位置，恰恰说明沥青含量对混合料性质的重要性，因此在施工过程中要严格控制沥青含量。

3 结语

本文结合某高速公路实际情况对沥青混合料施工过程中集料级配和沥青含量的变异性进行分析，以及原材料变异性对混合料性能的影响，得到以下结论：

a）对原材料变异性分析，细集料级配变异性大于粗集料级配变异性大于沥青含量变异性，变异性范围在0.014 7～0.181 1之间。

b）不同筛孔对混合料性能影响不同，通过灰关联分析各筛孔通过率与空隙率的关系，10～20 mm碎石16 mm筛孔、10～20 mm碎石13.2 mm筛孔、0～3 mm机制砂0.15 mm筛孔和0.075 mm筛孔这4个筛孔影响最大，需要在碎石生产过程中严格控制这4个筛孔通过率。

c）当沥青用量减小时，混合料的空隙率会明显增大，因此在施工过程中要严格控制沥青含量。