基于高温性能的沥青混合料沥青膜厚度确定与验证

范人杰

（金华市交通规划设计院有限公司，浙江 金华 321117）

沥青路面已成为国内外主流路面结构形式，但是沥青高温车辙问题一直未得到解决，导致大量经济与资源浪费[1]。已有研究人员表明沥青混合料中自由沥青含量对沥青混合料抗车辙性能有不利影响[2-3]，这是由于高温状态下自由沥青的流动会导致集料错位流动。因此，合理控制自由沥青含量或许是提升沥青混合料高温性能的有效途径[4]。

1.1 原材料

采用韩国双龙牌70 号道路石油沥青，其技术性质符合规范要求。粗集料采用乾县鑫源石料厂生产的石灰岩碎石，分为19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm 四档，其技术性质符合规范要求。细集料采用西咸高速自建料场生产的0～2.36mm 机制砂，其技术性质符合规范要求。

1.2 试验方法

1.2.1 马歇尔稳定度试验

马歇尔稳定度试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）规定进行。

1.2.2 车辙试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行，荷载为0.7MPa，试验温度为60℃。

1.2.3 抗剪强度试验

本文采用单轴贯入试验测定沥青混合料的抗剪强度[5]。单轴贯入强度按式（1）计算。

式（1）中：τd为抗剪强度（MPa）；
P为试件破坏时最大荷载（N）；
ϕ为试件直径。

2.1 比表面积计算方法

2.1.1 粗集料比表面积

本文采用YXLON.CT 型CT 扫描仪进行粗集料比表面积的测试。不同密度的物体具有不同级别的灰度，依据这一特性在进行比表面积测试的过程中，用纸将所测石料包裹，把石料与石料之间隔开，产生一定的密度差，后期通过软件对扫描图片进行处理，去除掉灰度值较低的部分，即可得到集料的扫描结果，具体操作如下。

（1）取样。

取样和试验方法是集料比表面积变异性的主要原因之一，因此为了解和减小测试结果的变异性，需要严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求进行取样。

（2）筛分。

将取好的各档集料用四分法进行缩分，逐档筛分，得 到2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 和19～26.5mm 不同粒径的粗集料。

（3）制备样品。

从6 档不同粒径粗集料中取出若干块石料，用纸将每块石料包裹3 层，保证石料与石料之间不接触并拥有一定间隔距离，为后期图像处理做准备。

（4）扫描。

将包裹好的各档石料装入盒中，放入CT 仪中进行扫描，等待输出扫描结果。

（5）图像处理。

应用图像处理软件对扫描结果进行处理，去除灰度值较低的部分，从而得到所需集料的扫描结果，通过计算软件可分别得到每块石料的比表面积与体积。

根据CT 扫描结果显示，2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 以及19～26.5mm 的6 档不同粒径的粗集料所对应的比表面积分别为0.19m2/kg、0.23m2/kg、0.37m2/kg、0.53m2/kg、0.78m2/kg 和1.64m2/kg。

2.1.2 细集料比表面积

采用Blaine 方法测试细集料比表面积，测试过程如下：

（1）取料与制样：按规范筛取预测试样后，将试样置于110±5℃烘箱中烘干后冷却至常温，然后倒入密闭容器中，摇晃至成团试样震碎。打开瓶盖后搅拌，使表面细粉分布到整个试样中。

（2）试样密度的测定：将粉体材料装入有一定量液体介质的李氏瓶内，保证温度恒定的情况下，利用物理原理计算试样密度。

（3）仪器校正：检查Blaine 比表面积测试仪的各个部分，保证其满足规范要求，检查仪器的密封性。

（4）标定试料层体积：利用水银代替法计算试料层体积。

（5）矫正试验仪器，使标准样品始终保持与室温相同。

（6）制备试料层：称取一定量的试验，通过透气筒上的穿孔板导入筒中，使式样层表面平坦。放入一片滤纸，用捣器均匀捣实试料。

（7）测定K 值：按照仪器要求说明，将所需参数输入仪器中，开启仪器测定并记录K 值。

（8）计算试样的比表面积。

采用Blaine 方法测试，＜0.075mm 和0.075～0.15mm 比表面积分别为155.3m2/kg、50.6m2/kg。

2.2 沥青膜厚度计算方法

具体计算过程如下：

首先，按式（2）计算矿料混合料的合成毛体积相对密度γsb：

式（2）中：γsb为矿料合成毛体积密度；
P为各种矿料成分的配比，其和为100；
γ为各种矿料相应的毛体积密度。

其次，按式（3）计算矿料的有效相对密度：

式（3）中：γse为合成矿料的有效相对密度；
Pb为试验采用的沥青用量；
γt为实测混合料的最大相对密度，无量纲；
γb为25℃下沥青相对密度，无量纲。

再次，按式（4）、式（5）计算有效沥青含量：

式（4）～式（5）中：Pba为被集料吸收的沥青比例（%）；
Pbe为沥青混合料中的有效沥青含量（%）；
Ps为各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和（%）。

最后，将上式中Pbe和集料比表面积SA 代入式（6），即可求得沥青膜厚度DA。

选取的沥青膜厚度分别为3.8μm、4.1μm、4.4μm、4.7μm、5.0μm，由2.2 节反算油石比为3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，分别成型马歇尔试件和车辙板，进行性能试验，其结果见图1。

由图1可知，沥青混合料的密度、稳定度、动稳定度和抗剪强度随沥青膜厚度的增加先后出现峰值。由图1（a）可知，沥青混合料密度最大时，沥青膜厚度为4.4μm；
由图1（b）可知，沥青混合料的稳定度最大时，沥青膜厚度为4.5μm；
由图1（c）可知，沥青混合料的动稳定度最大时，沥青膜厚度为4.2μm；
由图1（d）可知，沥青混合料的抗剪强度最大时，沥青膜厚度为4.5μm。

综合考虑，当沥青膜厚度为4.4μm 时，沥青混合料的密度和抗剪强度最大，动稳定度和稳定度也处在较高的水平。因此，确定当沥青膜厚度为4.4μm 时，高温性能最优[6]。

4.1 沥青膜厚度计算结果

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中比表面积系数，计算得到集料的比表面积，结果见表1。

表1 规范集料比表面积系数

将各档料的比表面积相加，得到集料的比表面积5.02m2/kg。

根据公式（7），以6～8μm 反算混合料最佳油石比。

式（7）中：γb为1.03g/cm3；
SA 为5.02m2/kg。

计算有效沥青用量为3.1%～4.1%，对应油石比为4.0%～4.3%。

4.2 路用性能对比

将两种方法计算结果与马歇尔设计结果进行对比：CT&Blaine 方法推荐最佳膜厚对应的油石比范围为4.0%～4.3%；
规范方法计算油石比范围为3.3%～4.3%；
马歇尔设计方法确定最佳油石比为4.0%。

从结果可以看出，规范方法计算的油石比范围较为宽泛，包含了最佳油石比及其附近的较大范围；
CT&Blaine 方法计算的最佳油石比范围较小，准确度更高，结果更加可靠。将马歇尔设计方法和CT&Blaine 方法确定的混合料最佳油石比进行对比，结果见表2。

表2 配合比设计结果

从表2可以看出，采用沥青膜厚度计算方法确定的最佳油石比为4.2%，比马歇尔方确定的最佳油石比4.0%提高了5%，密度降低了0.4%，VV 降低了7%。

通过室内试验，验证两种方法确定的混合料路用性能，结果见表3。

表3 不同方法确定的混合料路用性能

从表3中可以看出，CT&Blaine 方法确定的油石比较传统马歇尔设计方法对应的AC-20 沥青混合料抗剪强度、动稳定度、稳定度分别提高4%、8%和2%。

第一，研究了沥青膜厚度对沥青混合料高温性能的影响，沥青混合料的稳定度、动稳定度和抗剪强度随沥青膜厚度的增加出现峰值，当膜厚为4.4μm 时高温性能相对较好。

第二，基于沥青膜厚度计算油石比的沥青混合料，比传统马歇尔设计方法抗剪强度、动稳定度、稳定度分别提高4%、8%和2%，具有更好的高温性能。