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【摘 要】通过对各种关键筛孔试验，研究了透水性沥青混合料设计中的关键筛孔影响度，分析了不同粒径矿料对级配设计的贡献，得出了透水性沥青混合料空隙率与各主要筛孔通过率的关系以及空隙率与连通空隙率的相关性，并在此基础上确定出透水性沥青混合料的合理级配范围。
【关键词】透水性；沥青混合料；关键筛孔
Deeply water asphalt mixture anticipate key Shai within design bore influence research
Wang Ai-xia1,Che Fa2,Xu Huai-zhen3,Wu Ying-ning4
(1.Chat the city highway survey a design hospital Liaocheng Shandong 252000;
2.The highway administration of Zi Bo City ZhiBo Shandong 250038;
3.Chat the city highway survey a design hospital Liaocheng Shandong 252000;
4.Highway administration Gao Qing's branch office of Zi Bo City Gaoqing Shandong 256300)
【Abstract】Pass to experiment the various key Shai bore, research deeply water asphalt mixture anticipate key Shai within design bore influence, analysis dissimilarity grain the path mineral anticipate to go together with design to the class of contribute, get deeply water asphalt mixture anticipate crevice rate and each main Shai bore to pass a rate of relation and crevice rate with connect the relativity of crevice rate, and on this foundation assurance deeply water asphalt mixture anticipate of reasonable the class go together with scope.
【Key words】Deeply water;The asphalt mixture anticipate;Key Shai bore
1.引言
瀝青混合料的级配组成对其力学性能及使用性能具有十分重要的影响。透水性沥青混合料所采用的级配按现行级配类型来分，属于开级配，是一种间断级配，即在矿质混合料中剔除其中一个分级或几个分级，形成的一种不连续的级配。间断级配以魏矛斯干涉理论为基础，通常是以一个连续级配的集料为骨架，而用另一连续级配细集料填隙而成。这种混合料在理论上不仅具有足够的颗粒形成具有较高强度的空间骨架，同时又有一定细集料填充骨架空隙，使混合料内部摩阻力和粘结力都较高。透水性沥青混合料与其它沥青混合料相比，最显著的特点就是具有较大的空隙率（一般为15％～25％）。而混合料的空隙率主要取决于集料的级配组成和颗粒形状、沥青含量以及混合料的压实程度。其中集料级配组成是控制混合料空隙率大小的首要因素，为此，首先要找到对混合料空隙率产生最显著影响的筛孔通过率［1］。
2.不同粒径矿料对级配设计的贡献
关于矿料合成级配中各筛孔对混合料空隙率、稳定度和流值等指标的影响，国内外已有过很多研究，牛俊明等人通过正交设计试验结果表明（试件采用马歇尔试件，空隙率测定采用体积法）［２］：对空隙率影响最显著的因素是粗骨料（4.75mm以上）含量，每增加5％粗骨料，空隙率增加约3％；其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，再其次是沥青用量；对马歇尔稳定度影响最显著的因素也是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，影响最小的是沥青用量；对流值影响最显著的因素亦是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是沥青用量，最小的是4.75mm～9.5mm骨料含量，Mallick等人的研究也显示，当4.75mm筛孔的通过率等于或小于15％时，混合料中碎石存在石与石间的接触，这种接触方式可以提高混合料的连通空隙率和抗车辙能力，但会降低混合料的耐久性，因此，即使同样的设计空隙率，有必要对各主要筛孔的通过率进行试验研究，确保混合料的功能性和耐久性均达到最高的水平。
根据粒径大小，透水性沥青混合料可分OGFC-16，OGFC-13，OGFC-10等不同类型，为了便于分析，同时结合依托工程要求，本文仅对OGFC-13配合比设计进行分析，其余类型的混合料设计方法与此相同。
为了尽量减少重复试验的次数，并保证试验结果的可靠性，本文采用正交L16（45）设计方法设计级配，分析筛孔通过率对混合料空隙率的影响［2, 4］。试验中最大公称粒径为13.2mm，以空隙率和连通空隙率为检测指标，考察9.5mm，2.36mm，1.18mm，0.075mm筛孔通过率以及4.75mm与2.36mm筛孔的通过率之差5个因素，每个因素考虑4种水平，如表1所示。其余筛孔通过率可由已确定的筛孔通过率按内插法计算得到。按此种方法设计的级配共16组，除去组合后不成立的级配，剩余组合级配如表2所示。
本试验中主要考虑混合料级配对空隙率及连通空隙率的影响，由于沥青用量的变化对空隙率也会产生一定的影响，为减少这种影响，沥青用量应选用最佳沥青用量，目前规范中采用经验公式来估算最佳沥青用量，即先通过经验公式求得集料的比表面积，假定沥青膜的厚度，二者的乘积即为估算沥青用量，然后再通过析漏试验对沥青用量进行校核。集料比表面积A的估算公式为：
A＝（2+0.02a+0.04b＋0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g）/48.74（m2/Kg）
式中：a、b、c、d、e、f、g分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm筛孔的通过百分率。
沥青用量＝矿料比表面积A×沥青膜厚h
沥青膜厚h一般沥青混合料取8～10μm［2, 4］，对于透水性沥青混合料而言，由于其空隙率较大，考虑到外界环境因素对耐久性的影响，结合规范推荐值，沥青膜厚度h宜取14μm［2］。计算结果换算为油石比如表2所示。从表中结果可以看出，对不同级配，由计算方法估计的沥青用量差别较大，油石比最大高达8.4％，最小仅为2.9％。针对此种情况，对每组级配分别采用3.5％，4.1％，4.7％，5.3％，6.0％5种油石比下进行析漏试验、马歇尔试验和飞散试验，并确定各个级配的最佳油石比及最佳油石比下的马歇尔试验结果如表3所示，比较两次的结果，对有些级配，油石比的计算结果与实际试验结果基本一致，而有些级配最佳油石比的计算值与试验值相差甚远，说明现行规范中的集料表面积的计算公式有一定的局限性。对所选的10种试验方案中级配的影响因素进行定量的分析如表3：
2.1 2.36mm通过率的影响。
对于最大公称粒径为13.2mm的级配来说，以2.36mm筛孔来划分粗细集料较为合理，对比表2、表3中的结果可以看出：
2.1.1 2.36mm通过率增加时，矿料表面为了达到相同要求的沥青膜厚度，混合料的沥青用量将增加。2.36mm通过率每增加1％，达到相同沥青膜厚度时所要求的最佳油石比会相应增加0.1％左右。
2.1.2 在相同沥青用量情况下，2.36mm通过率增加，由粗集料形成的空隙将被细集料填充，而使得混合料的空隙率减小。2.36mm通过率每增加1％，空隙率将减小1％左右，在试验范围内，二者接近成反比关系。
2.2 9.5mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配3，级配5和级配7的结果，可以看到：当混合料中细集料（小于2.36mm）含量相同时， 9.5mm通过率对空隙率有一定的影响，当9.5mm通过率从60％增加到67％，再增加到74％时，空隙率依次为17.1％、19.9％、21.1％，即9.5mm通过率每增加3.5％，相应的混合料的空隙率就会增加1％，相比2.36mm通过率对空隙率的影响来说，虽然显得弱了一些，但也应引起重视。而日本排水路面技术规范中对9.5mm通过率不加控制，认为9.5mm筛孔通过率对空隙率的影响很小，这一点有待进一步验证。当9.5mm通过率由74％增加到80％时，空隙率反而下降，是因为此时1.18mm通过率明显增大，细集料在起粘结作用的同时也填充了粗集料形成的骨架空隙，从而导致混合料内部空隙率下降。
2.3 1.18mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配4，级配6、级配8和级配10的结果，可以看到：当混合料中细集料含量相同，且油石比也恒定的情况下， 1.18mm通过率影响着空隙率的大小，当1.18mm通过率由6％上升到18％时，相应的空隙率由18.8％降到11.7％，即1.18mm通过率每增加1.7％，对应混合料中空隙率就会下降1％。
2.4 4.75mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配4，级配6、级配8和级配10的结果，可以看到：在混合料中粗集料（大于2.36mm）含量及油石比一定的情况下，当4.75mm通过率由23％变化到35％的过程中，空隙率分别为15.0％、18.8％、15.5％和11.7％，空隙率先增加后减小，出现一个峰值，说明在混合料的级配组成中，要达到设计的目标空隙率2.36mm～4.75mm的含量应该有一个最佳值。
2.5 空隙率对稳定度的影响。
由图2可以看出，空隙率与稳定度之间存在良好的相关性。
S=-0.425n0+16.529(R2=0.953)
式中：S——马歇尔试件的稳定度，KN；
n0——空隙率，％。
3.结论
3.1 对空隙率影响最显著的是2.36mm筛孔通过率。当2.36mm通过率增加1％时，达到相同沥青膜厚度时所要求的最佳油石比将增加0.1％左右；在相同沥青用量情况下2.36mm通过率每增加1％，空隙率将减小1％左右。
3.2 其次对空隙率影响较显著的是1.18mm通过率，当混合料中细集料含量相同，且油石比恒定的情况下，1.18mm通过率每增加1.7％，对应混合料中空隙率就会下降1％。
3.3 再次对空隙率影响较显著的是9.5mm通过率，当混合料中粗集料（大于2.36mm）含量一定时，9.5mm通过率每增加3.5％，相应的混合料中的空隙率就会增加1％。但是日本排水路面技术规范中对9.5mm通过率不加控制，认为9.5mm筛孔通过率对空隙率的影响很小。研究中还发现混合料中2.36mm～4.75mm的含量应该有一个最佳值。
3.4 通过对10种矿料级配主要筛孔通过率与空隙率关系的回归分析，也发现2.36mm通过率是影响空隙率的最主要的因素，得出了透水性沥青混合料空隙率与各主要筛孔通过率的关系以及空隙率与连通空隙率的相关性，并在此基础上确定出透水性沥青混合料的合理级配范围。
参考文献
［1］ 牛俊明, 赵平均, 许永明. 排水性沥青混合料抗滑层设计方法研究〔J〕. 西安公路交通大学学报，1997，1：12-16
［2］ 方開泰，马长兴. 正交与均匀试验设计〔M〕. 北京：科学出版社，2001
［3］ 汪荣鑫. 数理统计〔M〕. 西安：西安交通大学出版社，2004
［4］ 日本道路建设业协会. 透水性沥青路面〔M〕. 李茂森译. 北京：中国建筑工业出版社，1979：29-31
［文章编号］1619-2737（2011）03-14-51
【关键词】透水性；沥青混合料；关键筛孔
Deeply water asphalt mixture anticipate key Shai within design bore influence research
Wang Ai-xia1,Che Fa2,Xu Huai-zhen3,Wu Ying-ning4
(1.Chat the city highway survey a design hospital Liaocheng Shandong 252000;
2.The highway administration of Zi Bo City ZhiBo Shandong 250038;
3.Chat the city highway survey a design hospital Liaocheng Shandong 252000;
4.Highway administration Gao Qing's branch office of Zi Bo City Gaoqing Shandong 256300)
【Abstract】Pass to experiment the various key Shai bore, research deeply water asphalt mixture anticipate key Shai within design bore influence, analysis dissimilarity grain the path mineral anticipate to go together with design to the class of contribute, get deeply water asphalt mixture anticipate crevice rate and each main Shai bore to pass a rate of relation and crevice rate with connect the relativity of crevice rate, and on this foundation assurance deeply water asphalt mixture anticipate of reasonable the class go together with scope.
【Key words】Deeply water;The asphalt mixture anticipate;Key Shai bore
1.引言
瀝青混合料的级配组成对其力学性能及使用性能具有十分重要的影响。透水性沥青混合料所采用的级配按现行级配类型来分，属于开级配，是一种间断级配，即在矿质混合料中剔除其中一个分级或几个分级，形成的一种不连续的级配。间断级配以魏矛斯干涉理论为基础，通常是以一个连续级配的集料为骨架，而用另一连续级配细集料填隙而成。这种混合料在理论上不仅具有足够的颗粒形成具有较高强度的空间骨架，同时又有一定细集料填充骨架空隙，使混合料内部摩阻力和粘结力都较高。透水性沥青混合料与其它沥青混合料相比，最显著的特点就是具有较大的空隙率（一般为15％～25％）。而混合料的空隙率主要取决于集料的级配组成和颗粒形状、沥青含量以及混合料的压实程度。其中集料级配组成是控制混合料空隙率大小的首要因素，为此，首先要找到对混合料空隙率产生最显著影响的筛孔通过率［1］。
2.不同粒径矿料对级配设计的贡献
关于矿料合成级配中各筛孔对混合料空隙率、稳定度和流值等指标的影响，国内外已有过很多研究，牛俊明等人通过正交设计试验结果表明（试件采用马歇尔试件，空隙率测定采用体积法）［２］：对空隙率影响最显著的因素是粗骨料（4.75mm以上）含量，每增加5％粗骨料，空隙率增加约3％；其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，再其次是沥青用量；对马歇尔稳定度影响最显著的因素也是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，影响最小的是沥青用量；对流值影响最显著的因素亦是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是沥青用量，最小的是4.75mm～9.5mm骨料含量，Mallick等人的研究也显示，当4.75mm筛孔的通过率等于或小于15％时，混合料中碎石存在石与石间的接触，这种接触方式可以提高混合料的连通空隙率和抗车辙能力，但会降低混合料的耐久性，因此，即使同样的设计空隙率，有必要对各主要筛孔的通过率进行试验研究，确保混合料的功能性和耐久性均达到最高的水平。
根据粒径大小，透水性沥青混合料可分OGFC-16，OGFC-13，OGFC-10等不同类型，为了便于分析，同时结合依托工程要求，本文仅对OGFC-13配合比设计进行分析，其余类型的混合料设计方法与此相同。
为了尽量减少重复试验的次数，并保证试验结果的可靠性，本文采用正交L16（45）设计方法设计级配，分析筛孔通过率对混合料空隙率的影响［2, 4］。试验中最大公称粒径为13.2mm，以空隙率和连通空隙率为检测指标，考察9.5mm，2.36mm，1.18mm，0.075mm筛孔通过率以及4.75mm与2.36mm筛孔的通过率之差5个因素，每个因素考虑4种水平，如表1所示。其余筛孔通过率可由已确定的筛孔通过率按内插法计算得到。按此种方法设计的级配共16组，除去组合后不成立的级配，剩余组合级配如表2所示。
本试验中主要考虑混合料级配对空隙率及连通空隙率的影响，由于沥青用量的变化对空隙率也会产生一定的影响，为减少这种影响，沥青用量应选用最佳沥青用量，目前规范中采用经验公式来估算最佳沥青用量，即先通过经验公式求得集料的比表面积，假定沥青膜的厚度，二者的乘积即为估算沥青用量，然后再通过析漏试验对沥青用量进行校核。集料比表面积A的估算公式为：
A＝（2+0.02a+0.04b＋0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g）/48.74（m2/Kg）
式中：a、b、c、d、e、f、g分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm筛孔的通过百分率。
沥青用量＝矿料比表面积A×沥青膜厚h
沥青膜厚h一般沥青混合料取8～10μm［2, 4］，对于透水性沥青混合料而言，由于其空隙率较大，考虑到外界环境因素对耐久性的影响，结合规范推荐值，沥青膜厚度h宜取14μm［2］。计算结果换算为油石比如表2所示。从表中结果可以看出，对不同级配，由计算方法估计的沥青用量差别较大，油石比最大高达8.4％，最小仅为2.9％。针对此种情况，对每组级配分别采用3.5％，4.1％，4.7％，5.3％，6.0％5种油石比下进行析漏试验、马歇尔试验和飞散试验，并确定各个级配的最佳油石比及最佳油石比下的马歇尔试验结果如表3所示，比较两次的结果，对有些级配，油石比的计算结果与实际试验结果基本一致，而有些级配最佳油石比的计算值与试验值相差甚远，说明现行规范中的集料表面积的计算公式有一定的局限性。对所选的10种试验方案中级配的影响因素进行定量的分析如表3：
2.1 2.36mm通过率的影响。
对于最大公称粒径为13.2mm的级配来说，以2.36mm筛孔来划分粗细集料较为合理，对比表2、表3中的结果可以看出：
2.1.1 2.36mm通过率增加时，矿料表面为了达到相同要求的沥青膜厚度，混合料的沥青用量将增加。2.36mm通过率每增加1％，达到相同沥青膜厚度时所要求的最佳油石比会相应增加0.1％左右。
2.1.2 在相同沥青用量情况下，2.36mm通过率增加，由粗集料形成的空隙将被细集料填充，而使得混合料的空隙率减小。2.36mm通过率每增加1％，空隙率将减小1％左右，在试验范围内，二者接近成反比关系。
2.2 9.5mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配3，级配5和级配7的结果，可以看到：当混合料中细集料（小于2.36mm）含量相同时， 9.5mm通过率对空隙率有一定的影响，当9.5mm通过率从60％增加到67％，再增加到74％时，空隙率依次为17.1％、19.9％、21.1％，即9.5mm通过率每增加3.5％，相应的混合料的空隙率就会增加1％，相比2.36mm通过率对空隙率的影响来说，虽然显得弱了一些，但也应引起重视。而日本排水路面技术规范中对9.5mm通过率不加控制，认为9.5mm筛孔通过率对空隙率的影响很小，这一点有待进一步验证。当9.5mm通过率由74％增加到80％时，空隙率反而下降，是因为此时1.18mm通过率明显增大，细集料在起粘结作用的同时也填充了粗集料形成的骨架空隙，从而导致混合料内部空隙率下降。
2.3 1.18mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配4，级配6、级配8和级配10的结果，可以看到：当混合料中细集料含量相同，且油石比也恒定的情况下， 1.18mm通过率影响着空隙率的大小，当1.18mm通过率由6％上升到18％时，相应的空隙率由18.8％降到11.7％，即1.18mm通过率每增加1.7％，对应混合料中空隙率就会下降1％。
2.4 4.75mm通过率的影响。
对比表2、表3中级配4，级配6、级配8和级配10的结果，可以看到：在混合料中粗集料（大于2.36mm）含量及油石比一定的情况下，当4.75mm通过率由23％变化到35％的过程中，空隙率分别为15.0％、18.8％、15.5％和11.7％，空隙率先增加后减小，出现一个峰值，说明在混合料的级配组成中，要达到设计的目标空隙率2.36mm～4.75mm的含量应该有一个最佳值。
2.5 空隙率对稳定度的影响。
由图2可以看出，空隙率与稳定度之间存在良好的相关性。
S=-0.425n0+16.529(R2=0.953)
式中：S——马歇尔试件的稳定度，KN；
n0——空隙率，％。
3.结论
3.1 对空隙率影响最显著的是2.36mm筛孔通过率。当2.36mm通过率增加1％时，达到相同沥青膜厚度时所要求的最佳油石比将增加0.1％左右；在相同沥青用量情况下2.36mm通过率每增加1％，空隙率将减小1％左右。
3.2 其次对空隙率影响较显著的是1.18mm通过率，当混合料中细集料含量相同，且油石比恒定的情况下，1.18mm通过率每增加1.7％，对应混合料中空隙率就会下降1％。
3.3 再次对空隙率影响较显著的是9.5mm通过率，当混合料中粗集料（大于2.36mm）含量一定时，9.5mm通过率每增加3.5％，相应的混合料中的空隙率就会增加1％。但是日本排水路面技术规范中对9.5mm通过率不加控制，认为9.5mm筛孔通过率对空隙率的影响很小。研究中还发现混合料中2.36mm～4.75mm的含量应该有一个最佳值。
3.4 通过对10种矿料级配主要筛孔通过率与空隙率关系的回归分析，也发现2.36mm通过率是影响空隙率的最主要的因素，得出了透水性沥青混合料空隙率与各主要筛孔通过率的关系以及空隙率与连通空隙率的相关性，并在此基础上确定出透水性沥青混合料的合理级配范围。
参考文献
［1］ 牛俊明, 赵平均, 许永明. 排水性沥青混合料抗滑层设计方法研究〔J〕. 西安公路交通大学学报，1997，1：12-16
［2］ 方開泰，马长兴. 正交与均匀试验设计〔M〕. 北京：科学出版社，2001
［3］ 汪荣鑫. 数理统计〔M〕. 西安：西安交通大学出版社，2004
［4］ 日本道路建设业协会. 透水性沥青路面〔M〕. 李茂森译. 北京：中国建筑工业出版社，1979：29-31
［文章编号］1619-2737（2011）03-14-51