基于集料波动的沥青混合料水稳定性研究

陆 宇，杜 骋，金光来，李一鹤

(1.江苏省交通工程建设局，南京 210029; 2.江苏中路工程技术研究院有限公司，南京 210019)

沥青路面具有行车舒适、噪声小、施工周期短的特性。随着我国公路事业的快速发展，沥青路面的应用范围越来越广泛，沥青路面路用性能的要求也越来越严格。沥青混合料的路用性能受级配、沥青含量、集料性能等多种因素影响。水稳定性不足是沥青路面常见病害之一，水分的侵入会降低集料与沥青的黏附性，严重影响沥青路面的耐久性。

沥青混合料水稳定性受多种因素影响。肖飞鹏等[1]研究了SBS掺量、最大公称粒径、筛孔通过率和沥青含量对改性透水沥青混合料水稳定性的影响。毕洁夫等[2]研究了沥青标号、粗集料指标和生产厂家对沥青混合料水稳定性的影响，结果表明改性沥青制备混合料的路用性能优于基质沥青，与石灰岩和玄武岩沥青混合料路用性能相当，生产厂家对混合料路用性能基本无影响。范倩等[3]分析了不同岩性集料的黏附特性和水稳定性，结果表明多孔玄武岩的连通开口空隙多、藏水能力强，导致沥青混合料水稳定性较低。曾辉等[4]指出评价橡胶沥青与集料的黏附性，水浸法区分度高，T283和法国多列士试验方法变异性小。严超等[5]对比了几种水稳定性测试方法，结果表明肯塔堡浸水飞散试验可以较好地模拟水的侵蚀作用。目前有关集料指标对沥青混合料水稳定性影响的研究鲜有报道，而且集料指标波动对水稳定性影响规律不明确，灰色关联分析法可以对样本少、无规律的数据进行权重分析[6-7]。

本文通过马歇尔击实法制作不同针片状颗粒含量、粉尘含量、砂当量、关键筛孔通过率的成型试件，采用灰色关联分析法分析不同因素对沥青混合料水稳定性的灰色关联度及其排序情况的影响。

1 原材料和配合比设计

本试验所用石灰岩集料的产地为安徽省来安县，矿粉的产地为安徽省宣城市，SBS改性沥青的产地为江苏省南京市。

1.1 沥青

SBS改性沥青技术指标检测结果及要求如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标检测结果及要求

1.2 集料

所用集料均为玄武岩石料，粗集料粒径为13.2～19 mm、9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm，细集料粒径为2.36～4.75 mm和0.075～2.36 mm，填料采用石灰岩碱性集料研磨所得的矿粉，技术指标参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，集料技术指标检测结果及要求如表2所示。

表2 集料技术指标检测结果及要求

1.3 配合比设计

SUP-20矿料级配如表3所示，预试验选用油石比3.9%、4.4%、4.9%和5.4%制作成型马歇尔试件，确定最佳油石比为4.4%。

表3 SUP-20矿料级配

2 试验方案

选取针片状颗粒含量、砂当量、粉尘含量、4.75 mm 通过率、2.36 mm通过率和0.075 mm通过率6种影响因素，研究其对沥青混合料水稳定性的影响，影响因素设置为针片状颗粒含量10%、15%、18%，粉尘含量10.5%、12.5%、15%、18%，砂当量70%、60%、55%、50%，4.75 mm通过率38.4%±5%，2.36 mm通过率26.4%±4%，0.075 mm通过率4.2%±2%。

通过向粗集料中添加针片状颗粒，向细集料中加入粉尘调整集料性能。

参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)制作成型马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验(T 0709—2011)和冻融劈裂试验(T 0729—2000)。

3 试验结果与分析

3.1 水稳定性试验结果

沥青混合料水稳定性试验结果如表4所示。

表4 沥青混合料水稳定性试验结果 (%)

由表4可知，当针片状颗粒含量超过15%时，沥青混合料的水稳定性明显降低；针片状颗粒含量增大，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比先增大后减小，残留稳定度减小。沥青混合料的水稳定性随着粉尘含量的增加而下降，随着粉尘含量的增加，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度呈线性衰减。当粉尘含量由10.5%增加到18%时，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度分别衰减了3.61%和3.95%。沥青混合料的水稳定性随着砂当量的下降而衰减，与砂当量70%相比，砂当量减小到60%时，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度分别衰减了2.28%和2.49%，砂当量减小到55%时，沥青混合料的残留稳定度已不满足规范要求，砂当量继续减小到50%时，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度分别衰减了5.29%和8.25%，且沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度均不满足规范要求。通过调整级配发现，沥青混合料的水稳定性受级配影响较大。采用灰色关联分析法进一步探究沥青混合料水稳定性影响因素的主次排序[8-9]。

3.2 灰色关联分析计算

3.2.1 灰色关联分析法原理

灰色关联分析是灰色系统理论的一部分。通过对灰色关联算子集合和影响因素集合所构成的序列进行分析，在数据不完全、不确定的情况下，通过量化和序化，找出影响因素与系统主行为之间的关联性。其基本原理是通过量化和序化各种因素的曲线，判断序列曲线的几何相似性，几何曲线相似度越高，则表明相关性越大，反之则相反，进而区分各影响因素的主次排序。

3.2.2 灰色关联分析计算方法

1)确定子序列和母序列

根据分析指标和影响因素确定子序列和母序列。设定系统的目标值序列为母序列X0，影响因素序列为子序列Xi。

X0={x0(1),x0(2),x0(3),…,x0(n)}

Xi={xi(1),xi(2),xi(3),…,xi(n)}，i=1，…，n

(1)

2)原始序列无量纲化处理

在进行灰色关联分析时，需要对原始数据进行无量纲化处理，通过合理的转化使原始序列转化为可以相互比较的无量纲序列。转化方法包括区间值化处理、均值化处理、初始值化处理和标准差化处理。本试验选用初始值化处理，即对同一序列数据同时除以第一行的数据。

3)确定序列之间的差异信息

通过各因素母序列与子序列差值绝对值求得差异序列，计算差异矩阵中的最大值和最小值，见式(2)。

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|

Δmax=maxΔik

Δmin=minΔik

(2)

4)关联度系数矩阵及关联度计算

将X0与Xi在k时刻的灰色关联系数定义为εi(k)，计算公式见式(3)。关联系数越大，则影响因素的影响越大。灰色关联度计算公式见式(4)。

(3)

式中，β为分辨系数，数值为(0，1),本试验取0.5。

(4)

式中，n为每条序列的数据数。

3.3 结果分析

通过对水稳定性结果进行灰色关联分析[10]，TSR影响因素的灰色关联系数差序列如表5所示，残留稳定度影响因素的灰色关联系数差序列如表6所示，影响因素灰色关联度和占比如表7所示。

表5 TSR影响因素的灰色关联系数差序列 (%)

表6 残留稳定度影响因素的灰色关联系数差序列 (%)

表7 影响因素灰色关联度和占比

(1)各影响因素对沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度的灰色关联度排序一致，影响程度从大到小排序依次为：4.75 mm通过率、2.36 mm 通过率、砂当量、0.075 mm通过率、粉尘含量和针片状颗粒含量。

(2)筛孔4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm通过率对沥青混合料的水稳定性灰色关联度都大于0.85。该结果表明级配组成对沥青混合料的水稳定性具有较大影响，其原因可能为级配组成中粗集料会影响沥青混合料骨架形成，细集料具有孔隙填充作用，级配的变化导致混合料的孔隙率发生变化[11-12]，进而导致抗水损害性的差异。

(3)集料的砂当量、针片状颗粒含量和粉尘含量对水稳定性产生影响的主要原因是集料级配改变和沥青与集料的黏附性降低。集料中针片状颗粒含量过高，使得沥青混合料在碾压过程中难以形成嵌挤结构，针片状颗粒易断裂，进而影响沥青混合料级配。砂当量和粉尘含量会影响沥青与集料的黏附性，当细集料中含有较多泥分和粉尘时，会形成不稳定胶浆，降低沥青混合料水稳定性。

4 结论

(1)采用灰色关联分析法探究沥青混合料水稳定性影响因素的影响规律，是一种研究沥青混合料水稳定性影响因素的分析方法。

(2)各影响因素对沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度的灰色关联度排序一致，影响程度从大到小排序依次为：4.75 mm通过率、2.36 mm 通过率、砂当量、0.075 mm通过率、粉尘含量和针片状颗粒含量。

(3)级配组成对沥青混合料水稳定性影响较大，在沥青混合料施工质量控制中，应对级配进行严格把控。