沥青混合料矿料间隙率预估模型的评估_吴帮伟.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20210401基金项目:国家自然科学基金项目(52008365)作者简介:吴帮伟(1989)，男，安徽太和人，博士.(yzdxwbw )*通讯作者:肖鹏(1961)，男，江苏靖江人，博士，教授.(xpyzu )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.003沥青混合料矿料间隙率预估模型的评估吴帮伟1，2，罗楚凡1，肖鹏*1，2(1 扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127;2 扬州大学城市规划与发展研究院，江苏扬州225127)摘要:VMA 是沥青混合料重要的设计参数，对混合料的高温和抗裂性能均有重要影响，对其进行精准预估是道路行业的关键问题之一。对数种 VMA 预估模型的精准性进行了评估。首先介绍了当前所用的 4 种 VMA 预估模型(Hudson模型、沈士蕙模型、Inoue 模型和 Yu 模型)。其次，基于已公开发表刊物上的 5 位其他研究者的沥青混合料数据(共计 126 组)，采用不同模型对所选取的沥青混合料进行了 VMA 预估。最后，从精确度和准确度两个方面，对不同模型的预估结果进行了对比分析，并从 VMA 影响因素的完备性、预估方法的理论性等方面，分析了不同模型预估结果差异性的原因。结果表明:(1)所有预估模型对不同来源数据的预估精准度均表现出非一致性。所有模型对刘红瑛数据的预估效果均较好，而对 Foreman 数据的预估效果则均较差，说明当前所有模型对影响 VMA 大小的因素(如油石比、压实功等)还未能充分考虑;(2)Yu 模型是基于颗粒堆积理论推导得到的，理论基础较强，对大部分所选数据预估结果的精确度和准确度均较好，而 Hudson 模型的预估精准度是最差的，沈士蕙模型和 Inoue 模型预估的精准度介于二者之间。建议通过纳入油石比、压实功等其他 VMA 影响因素、优化颗粒形状指标等手段，进一步提升 VMA模型的预估精准度，使其更好地指导沥青混合料设计。关键词:道路工程;预估模型;对比评估;矿料间隙率;沥青混合料中图分类号:U414.1文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05001810Evaluation on Prediction Models of VMA of Asphalt MixtureWU Bang-wei1，2，LUO Chu-fan1，XIAO Peng*1，2(1 School of Architecture Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China;2 esearch Institute of Urban Planning and Development，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China)Abstract:VMA，affecting both the high-temperature performance and cracking resistance of asphalt mixtures，is an important parameter in the design of asphalt mixtures.To predict VMA accurately is one of the keyproblems in pavement engineering.The accuracies of several VMA prediction models are evaluated.First，4currently used VMA prediction models(Hudson Model，Shen Model，Inoue Model and Yu Model)areintroduced.Then，based on the published asphalt mixture data(totally 126 groups)of 5 other researchers，the VMA of the selected asphalt mixture is estimated by using different models.At last，these predictionresults are comparatively analyzed in terms of accuracy and accuracy，and the reasons for the difference inthese prediction results are analyzed from the aspects of the completeness of influencing factors of VMA andthe theoretical nature of prediction method.The result shows that(1)All the prediction models show non-consistent prediction accuracy for the data from different sources.All models have better prediction for LiuHong-ying s data，while all the prediction models have poor prediction for Foreman s data，indicating that第 5 期吴帮伟，等:沥青混合料矿料间隙率预估模型的评估all current models have not fully considered the factors affecting VMA amplitude(e.g.，asphalt-aggregateratio，compaction work，etc)(2)Yu Model is derived based on particle accumulation theory and has astrong theoretical basis.It has good precision and accuracy for most of the selected data prediction results，while Hudson Model has the worst prediction accuracy，and the accuracies of Shen Model and Inoue Modelare between the two.It is suggested to further improve the prediction accuracy of the VMA Model by includingother VMA influencing factors such as asphalt-aggregate ratio，compaction work，and optimizing particle shapeindicators，so as to better guide the design of asphalt mixture.It can be further improved by incorporatingother VMA factors，such as asphalt content and compaction effort，and optimizing the particle shape indicatorsto guide the design of asphalt mixtures.Key words:road engineering;prediction Model;evaluation;Voids in Mineral Aggregate(VMA);asphalt mixture0引言VMA 是指压实沥青混合料试件中矿料实体以外的体积占混合料总体积的百分率，其大小既能反映矿料结构的不同紧密程度，又可间接控制沥青用量，对沥青混合料的高温性能和耐久性均有重要影响1，是调控沥青混合料性能的关键指标之一2。虽然人们已经提出了一些调整 VMA 大小的定性原则，但由于影响沥青混合料 VMA 的因素众多(比如矿料级配、集料表面纹理和颗粒形状、油石比、压实程度等34)，导致人们不得不通过反复调试矿料级配才能满足 VMA 设计要求。为此，不少学者相继提出了各类 VMA 预估模型以指导沥青混合料设计。VMA 的预估本质上是颗粒体系的堆积问题，早在 20 世纪初，人们已经对此展开了研究，当时，Fuller，Westman，Furnas 等学者研究了如何获得颗粒体系的最紧密堆积状态，虽然他们并未提出 VMA预估模型，但他们的研究成果为后来其他学者建立类似模型奠定了坚实基础。20 世纪 60 年代后，VMA作为控制指标纳入了当时的沥青混合料设计标准，其中提出沥青混合料设计空隙率为 5%时对应的 VMA不得小于 15%。自此之后，如何调控 VMA 以满足设计标准逐渐为人们所重视。1965 年，Hudson5 等学者基于有限的试验数据，提出了第一个 VMA 预估模型，但在当时并未引起注意。20 世纪 90 年代，美国SHP 计划成果发布后，人们发现如何满足 VMA 标准成了沥青混合料设计中的难点，各类 VMA 预估公式也于此后一段时间内陆续出现，如 Inoue 模型6、沈士蕙模型7、Yu 模型89 等。各类 VMA 预估模型虽然基于各自的试验数据得到了较好的预估精度，但其在更广范围内的适用性还未得到进一步评估，因此，本研究选择当前有一定应用范围的数种 VMA预估模型，即 Hudson 模型、沈士蕙模型、Inoue 模型和 Yu 模型，并采用已公开发表刊物上的 5 位其他研究者的沥青混合料数据，对不同模型预估的精准性进行对比分析，并给出进一步完善 VMA 预估模型的建议，这对于深入认识矿料级配特点和指导沥青混合料设计均具有借鉴意义。1VMA 预估模型简介1.1Hudson 模型1965 年，Hudson 等对沥青混合料级配与 VMA 的关系进行了研究。他们定义了干涉系数，其含义为在基础矿料中加入新矿料后，加入前后矿料体系间隙率的比值。其计算见式(1)。Fi=VMAi+1VMAi，(1)式中，Fi为第 i 和第 i+1 级矿料之间的干涉系数;VMAi为第 i 级矿料的间隙率;VMAi+1为第 i+1 级矿料的间隙率。根据式(1)，当知道了基础矿料的间隙率和各级矿料的干涉系数后，即可根据式(2)计算得到沥青混合料的 VMA。VMA=VMA0F1F2，Fn，(2)式中，VMA0为基础矿料的间隙率;n 为矿料级数。为确定各级矿料的干涉系数，他们以矿粉为基础矿料，以尺寸 2 倍递增的矿料为研究对象(即新加入矿料的尺寸是上一级矿料尺寸的 2 倍)，通过系列试验实测了矿料逐级加入后 VMA 的变化，以此回归出了相邻两档矿料不同比例下的干涉系数，结果如表 1 所示。表中 为相邻两级筛孔通过率之比，Fr和 Fa分别为矿料颗粒形状偏圆形和偏棱角形时的干涉系数。当根据矿料级配计算出各相邻两档筛孔通过率之比后，即可根据表 1 和式(2)，计算出沥青混合料的 VMA。对于基础矿料(即矿粉)的间隙率，Hudson91公路交通科技第 40 卷表 1干涉系数(Hudson)Tab.1Interference coefficients(Hudson)FrFaFrFa1.001.000 01.000 01.800.940 00.955 01.050.980 50.985 01.850.946