随着我国交通运输的快速发展，重车和轮压的加大使得沥青路面使用性能衰减加快，使用寿命大大缩短^[1]。为了提高沥青路面的承载能力，国内外许多道路工作者逐渐从事沥青碎石(AM)的研究^{[2, 3, 4]}。钱振东^[5]的研究表明AM具有良好的高温稳定性和水稳定性；冯新军^[6]研究发现AM的抗反射裂缝性能较好；朱洪洲^[7]证实了AM具有良好的抗疲劳性能；C. Everett^[8]的研究表明AM具有较高的模量；L. Andreas^[9]发现AM基层的承载能力较高。为了分析AM路面性能的影响因素，魏建国^{[10, 11]}证实了集料级配及成型方式对AM性能的影响显著；章毅^[12]发现沥青用量也是AM性能的重要影响因素。张素云^[13]的研究表明沥青含量和沥青种类决定着沥青混合料的路面性能。付其林^[14]认为沥青结合料对沥青碎石路面性能的影响显著高于沥青混合料。可见，目前我国针对沥青结合料对AM路面性能的影响研究不足。沥青的选择、沥青用量与粉胶比的确定是AM组成设计的前提，因此，本文采用室内试验的方法，分析沥青结合料对AM路面性能的影响，提出分区域选择合适的沥青类型、沥青膜厚度和粉胶比，为AM组成设计和应用提供参考依据。

试验采用50^#基质沥青、70^#基质沥青和SBS改性沥青，其主要路面性能见表 1。

沥青膜厚度关系着集料间的黏结程度，准确计算沥青膜厚度是分析AM路面性能的前提。在计算沥青膜厚度时，确定集料比表面积的方法主要有实测法和计算法两类。实测法一般适用于测定颗粒粒径小于0.15 mm的表面积，其测定集料表面积存在较大的误差；计算法采用的模型一般为球形，这与集料的多样性存在一定的差异。本文考虑集料形状的多样性，提出了多形状的集料比表面积计算模型，使集料比表面积的计算值更接近于实际值。

(1)集料比表面积的确定

假设集料颗粒形状有以下基本形式：球形、立方体、球形与立方体组合、两个立方体组合，其示意图见表 4。筛孔通过率决定着集料粒径各个方向的最小尺寸，假设这四种形状的集料粒径均为一个单位长度，分别计算四种形状集料单个颗粒的体积和表面积；并以球形集料的体积和表面积作为基准，以其他三种形状集料的体积和表面积与基准的比值作为其体积因子和表面积因子。不同形状集料的体积因子、表面积因子计算结果见表 4。

合成集料的比表面积为单位质量内集料颗粒数量与单个颗粒表面积的乘积。先计算各档集料的比表面积：以第i号集料为例，由第i号集料占合成级配的质量分数和合成集料毛体积密度可计算得到第i号集料的体积分数，见式(1)：

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以第i号集料上下筛孔孔径的平均值作为该档集料的平均粒径，以球形的体积为基准，乘以体积因子可得到第i号集料单个集料颗粒的平均体积，见式(2)：

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因此，V_i与Vp_i的比值即为单位质量的合成集料中第i号集料的颗粒数目。

同理，由表面积因子可算得其平均表面积，见式(3):

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综合式(1)～式(3)可得单位质量合成集料中第i号集料的总表面积，见式(4):

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合成集料的比表面即为单位质量合成集料中各档集料表面积之和：

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(2)沥青膜厚度的确定

沥青膜厚度的计算见式(6)：

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依据以上集料比表面积的计算方法，确定表 3中集料级配的比表面积为3.09 m²/kg。表 3中集料级配不同沥青膜厚度对应的沥青用量分别见表 5。

基于70^#沥青，表 3中级配不同沥青膜厚度对应的沥青用量见表 5。采用击实法成型标准马歇尔试件，不同沥青膜厚度下的马歇尔试验结果见图 1～图 3。

图 1 沥青膜厚度对空隙率的影响 Fig. 1 Effect of asphalt film thickness on porosity

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图 2 沥青膜厚度对稳定度的影响 Fig. 2 Effect of asphalt film thickness on stability

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图 3 沥青膜厚度对流值的影响 Fig. 3 Effect of asphalt film thickness on flow value

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从图 1可以看出，AM的空隙率随着沥青膜厚度的减小而增大，但增大的幅度较小。结果表明沥青膜厚度对AM的压实特性有一定的影响，沥青用量较小时不易压实。这主要是因为随着沥青膜厚度的减小，混合料中自由沥青减少，没有足够的自由沥青润滑集料，导致集料间的摩擦系数增大，混合料的空隙率增大。

从图 2可以看出，AM的马歇尔稳定度随着沥青膜厚度的减小呈先增大后减小的趋势，且沥青膜厚度为10 μm时，其稳定度最大。结果表明沥青膜厚度对AM的强度有显著影响。这主要是因为当沥青膜厚度较大时，混合料中自由沥青较多，致使稳定度较小；随着沥青膜厚度减小，起到润滑作用的自由沥青量适中，稳定度逐渐增大；当沥青膜厚度进一步减小时，混合料中沥青含量不足，稳定度降低。

从图 3可以看出，当沥青膜厚度从12 μm减小到10 μm时，AM流值下降；当沥青膜厚度从10 μm减小到 8 μm时，AM流值呈先增大后减小的趋势。这说明沥青膜厚度对AM流值的影响不显著。

2.3 沥青膜厚度对高温稳定性的影响

基于70^#沥青，表 3中级配不同沥青膜厚度对应的沥青用量见表 5。采用轮碾法成型300 mm×300 mm×100 mm车辙试件，在试验温度60 ℃、轮压0.7 MPa的条件下进行车辙试验，不同沥青膜厚度下的车辙试验结果见图 4。

图 4 沥青膜厚度对动稳定度的影响 Fig. 4 Effect of asphalt film thickness on dynamic stability

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从图 4可以看出，随着沥青膜厚度的减小，AM的动稳定度增大；沥青膜厚度从12 μm减小到8 μm，其动稳定度从1 513 次/mm增大到3 487次/mm，增大了2.3倍；沥青膜厚度从11 μm减小到10 μm时，动稳定度上升幅度较大。结果表明沥青膜厚度对AM的高温稳定性影响显著，随着沥青膜厚度的减小而提高。这主要是因为沥青膜厚度过大时，自由沥青量较多，自由沥青起到润滑作用，导致集料容易发生相互之间的滑移；随着沥青膜厚度的减小，自由沥青含量降低，集料颗粒之间的摩擦力较大，颗粒之间不易发生移动，致使混合料动稳定度增大。这说明适当减少沥青用量可以有效提高AM的高温稳定性。

基于70^#沥青，表 3中级配不同沥青膜厚度对应的沥青用量见表 5。采用击实法成型标准马歇尔试件，在试验温度25 ℃、加载速度50 mm/min的条件下进行冻融劈裂试验，不同沥青膜厚度下的结果见图 5。

图 5 沥青膜厚度对冻融劈裂强度比的影响 Fig. 5 Effect of asphalt film thickness on freeze-thaw split strength ratio

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从图 5可以看出，随着沥青膜厚度的逐渐减小，AM的冻融劈裂强度比呈逐渐减小的趋势。沥青膜厚度从12 μm减小到8 μm时，AM的冻融劈裂强度比从92%下降到76%，冻融劈裂强度比下降了16%。结果表明沥青膜厚度对AM的水稳定性影响显著，随着沥青膜厚度的减小而降低。这主要是因为沥青膜厚度的减小，抵抗水侵蚀作用降低；此外，沥青膜厚度的减小致使混合料的空隙率增大，过多的水分进入到空隙中，受到较大的水侵蚀作用，导致其水稳定性降低。这说明适当增大沥青用量可以有效提高AM的水稳定性。

基于70^#沥青，表 3中级配不同沥青膜厚度对应的油石比见表 5。采用轮碾法成型车辙板，切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁试件，在温度-10 ℃、加载速度50 mm/min的条件下进行小梁弯曲试验，不同沥青膜厚度下的弯曲试验结果见图 6。

图 6 沥青膜厚度对最大弯拉应变的影响 Fig. 6 Effect of asphalt film thickness on maximum flexure tensile strain

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从图 6可以看出，随着沥青膜厚度的逐渐减小，AM的最大弯拉应变呈逐渐下降趋势。沥青膜厚度从12 μm减小到9 μm时，其最大弯拉应变均大于2 000 με；沥青膜厚度小于9 μm时，其最大弯拉应变小于2 000 με。结果表明沥青膜厚度对AM的低温抗裂性影响显著，随着沥青膜厚度的减小而降低，且当沥青膜厚度小于9 μm时，其低温抗裂性较差。这主要是因为随着沥青膜厚度的减小，细集料与沥青形成的沥青砂浆减少，降低了沥青混合料的变形能力，从而不利于其低温抗裂性能。这说明适当增大沥青用量可以有效提高AM的低温抗裂性。

沥青膜厚度为10 μm时，AM路面性能具有较好的均衡性。对表 3中设计的级配选用50^#基质沥青、70^#基质沥青与SBS改性沥青，在沥青膜厚度10 μm的条件下，采用击实法成型标准马歇尔试件，不同沥青类型的马歇尔试验结果见图 7～图 9。

图 7 沥青种类对空隙率的影响 Fig. 7 Effect of asphalt type on porosity

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图 8 沥青种类对稳定度的影响 Fig. 8 Effect of asphalt type on stability

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图 9 沥青种类对流值的影响 Fig. 9 Effect of asphalt type on flow value

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从图 7可以看出，不同沥青种类的AM空隙率排序是：50^#＞SBS＞70^#，且50^#沥青的空隙率比70^#沥青的空隙率大了0.27%。这说明沥青种类对AM的压实特性影响不显著。

从图 8和图 9可以看出，不同沥青种类AM的马歇尔稳定度与流值不同，稳定度与流值排序均为：SBS＞50^#＞70^#。结果表明沥青种类对AM强度有一定的影响。这主要是因为SBS改性沥青黏度大于基质沥青黏度，低标号基质沥青黏度大于高标号基质沥青黏度。这说明采用黏度大的沥青可以有效提高AM的强度。

对表 3中设计的级配选用50^#基质沥青、70^#基质沥青与SBS改性沥青，在沥青膜厚度10 μm的条件下，采用轮碾法成型300 mm×300 mm×100 mm车辙试件，在试验温度 60℃、轮压0.7 MPa的条件下进行车辙试验，不同沥青类型的车辙试验结果见图 10。

图 10 沥青种类对动稳定度的影响 Fig. 10 Effect of asphalt type on dynamic stability

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从图 10可以看出，SBS改性沥青AM的动稳定度高于基质沥青的动稳定度，50^#基质沥青AM的动稳定度高于70^#基质沥青的动稳定度；SBS改性沥青AM的动稳定度是70^#基质沥青的3倍左右，是50^#基质沥青的2.5倍左右；50^#基质沥青AM的动稳定度较70^#基质沥青提高了11%。结果表明沥青种类对AM的高温稳定性影响显著。这主要是因为SBS改性沥青黏度比基质沥青高，能有效提高混合料的黏聚力，进而提高沥青混合料的高温抗变形能力；低标号基质沥青比高标号基质沥青黏度大。这说明采用SBS改性沥青可显著提高AM的高温稳定性，低标号基质沥青比高标号基质沥青的高温稳定性好。

对表 3中设计的级配选用50^#基质沥青、70^#基质沥青与SBS改性沥青，在沥青膜厚度10 μm的条件下，采用击实法成型标准马歇尔试件，在试验温度25 ℃、加载速度50 mm/min的条件下进行冻融劈裂试验，不同沥青类型的冻融劈裂试验结果见图 11。

图 11 沥青种类对冻融劈裂强度比的影响 Fig. 11 Effect of asphalt type on freeze-thawsplit strength ratio

图选项

从图 11可以看出，SBS改性沥青AM的冻融劈裂强度比显著高于基质沥青，低标号基质沥青AM的冻融劈裂强度比高于高标号基质沥青；SBS改性沥青AM的冻融劈裂强度比50^#基质沥青提高了3%，50^#基质沥青AM的冻融劈裂强度比70^#基质沥青提高了2%。这表明沥青种类对AM的水稳定性有显著影响。这主要是因为不同沥青种类抗水损害能力的差异主要在于沥青本身的黏结力及沥青与矿料的黏附力，SBS改性沥青的黏度大于基质沥青，低标号基质沥青的黏度大于高标号基质沥青的黏度。这说明采用黏性大、稠度高的沥青种类可以提高AM的水稳定性。

对表 3中设计的级配选用50^#基质沥青、70^#基质沥青与SBS改性沥青，在沥青膜厚度10 μm的条件下，采用轮碾法成型车辙板，切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁试件，在试验温度-10 ℃、加载速度50 mm/min的条件下进行小梁弯曲试验，不同沥青类型的弯曲试验结果见图 12。

图 12 沥青种类对最大弯拉应变的影响 Fig. 12 Effect of asphalt type on maximum flexure tensile strain

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从图 12可以看出，SBS改性沥青AM的最大弯拉应变显著高于基质沥青的最大弯拉应变，高标号基质沥青AM的最大弯拉应变高于低标号基质沥青的最大弯拉应变；SBS改性沥青AM的最大弯拉应变较50^#基质沥青提高了40%，70^#基质沥青AM的最大弯拉应变较50^#基质沥青提高了8%。这说明沥青种类对AM的低温抗裂性有显著影响，采用SBS改性沥青可以显著提高AM的低温性能，采用高标号基质沥青也能在一定程度上提高AM的低温性能。

基于70^#沥青，采用马歇尔击实仪成型标准马歇尔试件，表 3中级配不同粉胶比下的马歇尔试验结果见图 13～图 15。

图 13 粉胶比对空隙率的影响 Fig. 13 Effect of ratio of filler to bitumen on porosity

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图 14 粉胶比对稳定度的影响 Fig. 14 Effect of ratio of filler to bitumen on stability

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图 15 粉胶比对流值的影响 Fig. 15 Effect of ratio of filler to bitumen on flow value

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从图 13可以看出，随着粉胶比的增大，AM的空隙率增大。结果表明粉胶比对AM空隙率有显著影响。这主要是因为随着粉胶比逐渐增大，润滑集料的沥青胶浆稠度增大，同等击实功的作用下沥青混合料更难压密。从图 14可以看出，随着粉胶比的逐渐增大，AM的稳定度呈先增大后减小的趋势，且在粉胶比1.2处其稳定度出现峰值。结果表明粉胶比对AM的稳定度有显著影响。这主要是因为随着粉胶比的增大，形成的沥青胶浆黏度增大；当粉胶比过大时，形成的沥青胶浆的黏度下降。

基于70^#沥青，采用轮碾法成型300 mm×300 mm×100 mm车辙试件，在试验温度60 ℃、轮压0.7 MPa的条件下进行车辙试验，表 3中不同级配粉胶比下的车辙试验结果见图 16。

图 16 粉胶比对动稳定度的影响 Fig. 16 Effect of ratio of filler to bitumen on dynamic stability

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从图 16可以看出，随着粉胶比的增大，AM的动稳定度增大；粉胶比从0.6增大到1.0时，动稳定度增大幅度较小；粉胶比从1.0增大到1.4时，动稳定度增大幅度较大。结果表明粉胶比对AM的高温稳定性有显著影响。这说明在设计AM时，采用较大的粉胶比有利于提高其高温性能。

基于70^#沥青，采用马歇尔击实仪成型标准马歇尔试件，在试验温度25 ℃下进行冻融劈裂试验，表 3中级配不同粉胶比下的冻融劈裂试验结果见图 17。

图 17 粉胶比对冻融劈裂强度比的影响 Fig. 17 Effect of ratio of filler to bitumen on freeze-thaw split strength ratio

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从图 17可以看出，粉胶比从0.6增大到1.0时，冻融劈裂强度比基本未变化；粉胶比从1.0增大到1.4时，冻融劈裂强度比增大了5.2%，且不同粉胶比下的冻融劈裂强度比均大于80%。这说明粉胶比对AM的水稳定性有一定的影响，随着粉胶比的增大，其水稳定性略提高，且不同粉胶比下的水稳定性良好。

基于70^#沥青，小梁尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，在温度-10 ℃下进行小梁弯曲试验，表 3中级配不同粉胶比下的小梁弯曲试验结果见图 18。

图 18 粉胶比对最大弯拉应变的影响 Fig. 18 Effect of ratio of filler to bitumen on maximum flexure tensile strain

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由图 18中可知，随着粉胶比的增大，AM的最大弯拉应变先增大后减小，且在粉胶比1.0时最大弯拉应变出现峰值。结果表明粉胶比对AM的低温抗裂性有显著的影响，随着粉胶比的增大，其低温性能先增大后减小。这说明在进行AM组成设计时，粉胶比在0.8～1.2时其低温抗裂性能较好。

(1)根据集料形状多样性的特点，通过改变集料的体积因子和表面积因子，建立了多集料形状的集料比表面积计算模型，提出了沥青膜厚度的预估方法。

(2)沥青膜厚度对AM的路面性能影响显著。随着沥青膜厚度的减小，AM的马歇尔稳定度先增大后减小，高温稳定性提高，水稳定性和低温抗裂性降低；沥青膜厚度为9～11 μm时，AM的综合路面性能较好；高温地区沥青膜厚度宜为9 μm；寒冷地区沥青膜厚度宜为11 μm。

(3)沥青类型对AM的路面性能影响显著。SBS改性沥青可有效提高AM的路面性能；高温地区宜采用SBS改性沥青和低标号沥青，寒冷地区宜采用SBS改性沥青和高标号沥青。

(4)粉胶比对AM的路面性能影响显著。随着粉胶比的增大，AM的空隙率增大，马歇尔稳定度和低温抗裂性先增大后减小，高温稳定性和水稳定性提高；粉胶比为0.8～1.2时，AM的综合路面性能较好；高温地区粉胶比宜为1.0～1.2；寒冷地区粉胶比宜为0.8～1.0。