空隙率对SUP16型沥青混合料路用性能的影响

【摘　要】在室内试验和现场测试的基础上， 分析SUP16沥青混合料初始空隙率大小对沥青混合料渗水系数、水稳定性、混合料强度、疲劳寿命以及抗车辙能力的影响，探讨SUP16沥青混合料空隙率的界限值。

【关键词】沥青混合料；空隙率；性能

对于沥青路面而言，适宜的空隙率是至关重要的。当路面的空隙率约处于8%~15%，沥青路面最容易发生水损害。此外，在高速行车荷载和温度的反复作用下，空隙中就会产生强大的动水压力和泵吸作用力，使得集料和结合料之间的粘附性降低，沥青薄膜开始慢慢脱落，空隙逐渐扩大，最后便开始掉粒、松散、坑槽、唧浆等水破坏现象。已有大量资料表明，空隙率对沥青混凝土路面的各个主要技术指标有很大的影响，空隙率的大小直接与沥青路面的透水性、抗车辙性能、疲劳寿命等关键技术指标相关。当空隙率设计适当时，沥青混凝土路面的水损害、高温车辙等早期破坏才会减小到最小程度。因此，有效地控制空隙率在沥青路面设计中起着重要的作用。

1.空隙率对渗水系数的影响

在分析路面早期损坏时，有许多因素直接或间接的影响着路面的透水性，如混合料级配、集料的颗粒形状等，但混合料的空隙率是影响路面透水性的最主要根源。

在对SUP16型混合料进行的透水试验时发现，对于粗集料聚集部位，若铺层厚度范围内上下均为粗集料，有较大的空隙率，透水系数在120ml/min以上；若对于较轻的表面离析，空隙率较小，透水系数在50ml/min以上；对于非离析部位混合料比较密实，透水系数在30ml/min以下，离析情况与透水系数见表1。

表1 渗水系数与离析程度

密级配热拌沥青混合料空隙率与渗水系数的关系见图1。由图中的曲线可见在空隙率8%左右是透水性的拐点，当大于拐点时，空隙率的微小变化会引起透水性的急剧增加；当空隙率小于拐点时，特别是当空隙率小于6%时，透水系数很小，低于100ml/min。此外，压实度不足，尤其压实温度较低时，导致空隙率增加，其关系曲线如图2所示。随着碾压温度的不断升高，路面的空隙率、渗水系数不断降低。因此，在施工过程中，必须选择合理的压实机械、压实温度、速度和遍数等，以期达到提高沥青路面的强度、稳定度和密实度。

图1 空隙率与渗水系数关系

图2 压实温度与空隙率及渗水系数的关系

2.空隙率与混合料水稳定性

试验中成型的试件板按空隙率的大小分为两组；第一组试件在25±0.5℃水中恒温2h以上后以51mm/min速率加载测定劈裂强度；第二组在负压下饱水率60%~80%，经过-18℃下冷冻16±1h，60℃热水中恒温24h，在25±0.5℃水中恒温2h以上后测定的劈裂强度。

SUP16沥青混合料TSR与空隙率的变化曲线如图3所示，其中TSR为冻融循环后强度与未进行冻融循环的试件强度之比。试验结果表明，劈裂强度比随试验的空隙率增加而减小，当空隙率大于7%时，曲线下降十分急剧。以TSR=0.7~0.8为临界值时，当空隙率大于7%时，TSR已小于0.7，表明水稳性已严重不足。

图3 空隙率与TSR的关系曲线图

3.空隙率对混合料强度的影响

混合料的力学性能直接影响了路面的使用性能，在车辆载荷的作用下，其内部具有多项应力状态。可采用测定抗拉强度的方法，反映路面不同的空隙率对其强度的影响。

在试验时考虑到混合料的空隙率变化基于两种机理：一种是由于材料级配变化造成的，如由于材料离析，使得粗料集中部位细集料很少，粗集料产生的空隙缺少细集料补充而形成的空隙过大，这种情况不是由于压路机的压实功不足，而是材料结构发生了变化；另一种情况是由于混合料温度发生离析，使某些局部混合料温度过低而难于压实，或者由于对铺层施加的压实功不均匀，造成的路面空隙率的变化。

对于第一种离析产生的空隙率变化与强度的关系，可采用不同的级配形式模拟，试验结果如表2所示。对后一种离析所造成的空隙率与强度的关系，可采用同种级配空隙率的变化模拟趋势如见表3所示。空隙率对抗压强度的影响如4所示。

表2 不同级配空隙率变化与强度关系

表3 同种级配空隙率变化与强度关系

图4 浸水前后的空隙率变化对强度的影响

由表2、表3和图4可见，无论是材料离析、温度离析还是碾压离析所造成的路面空隙率的变化，混合料的抗拉强度都会随着空隙率的增加而急剧下降，原因是路面空隙率增加，纵向剖面上的有效粘结力减小，抗拉能力减弱。由图4可见抗压强度与试件空隙率有明显的相关关系，特别是浸水后，当空隙率较大时（如大于7%或8%）其强度发生急剧的变化。

4.空隙率对疲劳寿命的影响

路面使用期间，在自然环境和车轮荷载的循环作用下，长期处于应力、应变交替变化状态，使路面结构强度下降，当荷载作用次数达到一定程度时，应力超过强度极限，使路面出现裂纹或发生断裂破坏。

图5 空隙率与疲劳寿命的关系曲线

由于路面材料的抗拉强度与其内部结构有着十分密切的关系，如沥青劲度、集料与沥青粘附性、矿料级配等，其中路面空隙率起着重要的作用。图5为SUP16级配混合料疲劳寿命随空隙率的变化曲线。试验结果表明，空隙率为7.4%时，疲劳寿命为226962次，如图2-20所示。当空隙率增加1%时，疲劳寿命降低50990次，仅为前者的77.5%；当空隙率增加2%时，疲劳寿命仅存58%。

5.空隙率对车辙的影响

车辙是高速公路渠化交通条件下的一种损坏形式。发生严重车辙的主要外因是高温重载低速，内因是混合料没有足够的高温稳定性，而空隙率在产生车辙的过程中也起着重要的作用。由图7可见，改性沥青SUP-16混合料的空隙率对车辙的影响程度。当空隙率增加1%时，车辙深度增加近50%。

图7 空隙率对车辙深度的影响

6.结论

有调查资料表明，在存在早期破坏的沥青混凝土路面中，无论破坏处还是未破坏处，空隙率都远远高于设计值。室内试验结果表明，当空隙率超过7%时，透水性急剧上升，水稳定性急剧下降，车辙深度增加，对混合料路用性能有严重影响。为了解决沥青路面水损害等早期破坏问题，就要在设计中合理设计空隙率，施工中控制压实度，尽量减少沥青混合料发生老化和离析现象，确保沥青路面摊铺碾压的质量，才能使得沥青混凝土路面的水损害、高温车辙等早期破坏减小到最小程度。

【参考文献】

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