許歡歡

(重慶能源職業(yè)學(xué)院, 重慶　402260)

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瀝青混凝土面層壓實后的孔隙率檢測標準研究

許歡歡

(重慶能源職業(yè)學(xué)院, 重慶402260)

首先簡要介紹了瀝青混凝土路面孔隙率對車轍產(chǎn)生速度、路面透水性能、瀝青老化速度、平整度衰減速度4個方面的影響；其次又從礦料級配合和粉料含量、瀝青含量、壓實度3個方面，簡要介紹了影響瀝青混凝土路面孔隙率的主要因素；之后建議在具體施工時通過合理選擇級配和礦料含量、提高壓實度、控制油石比和壓實溫度這幾個方面來降低瀝青混凝土中的孔隙率；最后基于CT圖像掃描法驗證了分形理論在瀝青混凝土空間結(jié)構(gòu)和孔隙特征分析中的應(yīng)用，并提出將孔隙率的縱向分布標準差作為評價瀝青混凝土離析狀況、強度特性的評價標準。

瀝青混凝土； 孔隙率； 檢測； 分形理論

1　瀝青混凝土路面孔隙率對路面使用性能的影響

根據(jù)相關(guān)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國很多高速公路在通車運行一年之后即出現(xiàn)了不同程度的病害現(xiàn)象。這些病害的發(fā)生一部分是由于當(dāng)前的重載、超載現(xiàn)象導(dǎo)致的，而另一部分原因則是由于面層孔隙率過大，導(dǎo)致了瀝青路面性能的降低。

1.1車轍產(chǎn)生速度

車轍是瀝青混凝土路面的主要病害之一，而孔隙率的大小可以嚴重影響路面車轍的產(chǎn)生。當(dāng)瀝青混凝土路面孔隙率較大時，說明施工時壓實度不滿足規(guī)范要求。在通車運營情況下，車輛荷載反復(fù)壓實路面使得壓實度增大、孔隙率減小，但由于行車道車輛荷載的不均勻分布，從而導(dǎo)致路面產(chǎn)生不同荷載的壓實變形，從而出現(xiàn)了車轍現(xiàn)象的發(fā)生(見圖1)。

圖1　車轍病害

此外，瀝青混凝土路面壓實度不足、孔隙率過大還會降低路面的抗剪能力。在高溫條件下，瀝青面層在車輛荷載作用下會向道路兩側(cè)產(chǎn)生擠壓膨脹，形成側(cè)向變形后又增加了車轍病害的嚴重程度。而孔隙率較小，說明壓實度較高，抗剪切能力和抗車轍能力都較強，病害發(fā)生的概率大大降低。

1.2路面的透水性能

路面透水性能是評價瀝青混凝土路面的一個重要指標。當(dāng)瀝青面層孔隙率較大時，降水可以通過孔隙進入面層內(nèi)部沖刷集料和瀝青的粘結(jié)面，降低二者的粘結(jié)程度。在水循環(huán)的反復(fù)沖刷作用下，集料和瀝青產(chǎn)生脫落。在車輛荷載的反復(fù)碾壓作用下，就可能產(chǎn)生坑槽、松散、沉陷等病害的發(fā)生。

此外，降水通過大孔隙還可能滲透到基層、路基當(dāng)中。滲透到基層時會產(chǎn)生凍融、強度失穩(wěn)等病害的發(fā)生。滲透到路基時會產(chǎn)生凍融現(xiàn)象，凍漲后的毛細孔徑變大出現(xiàn)較大孔隙，產(chǎn)生翻漿病害，這對路基的承載性能是致命的。因此瀝青混凝土面層的孔隙率對瀝青路面的透水性能有極大影響。

1.3瀝青老化速度

瀝青混凝土路面的強度主要是由瀝青粘結(jié)集料共同產(chǎn)生。當(dāng)孔隙率較大時，外部光照、紫外線和空氣會進入面層內(nèi)部，使得瀝青中的瀝青質(zhì)和粘度增加、油分和樹脂減少、氧化作用加劇，這些都使得瀝青的粘結(jié)性能降低、塑性變差、老化速度加快。同時瀝青降解物在遇到降水后也加劇了瀝青的老化程度。

1.4平整度衰減速度

瀝青路面平整度是施工交驗時的一個重要驗收指標(見圖2)，該指標反映了路面行駛的舒適程度。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料反映，大部分高速公路交工驗收時的平整度值都較小且滿足規(guī)范要求，如京滬高速初驗時的平整度值只有0.49 mm，但經(jīng)過幾年的通車運營后平整度值達到了0.81 mm，增幅達到了約90%，這說明平整度在通車運行后衰減幅度很大。造成上述現(xiàn)象的一個重要原因是由于孔隙率過大、壓實度難以滿足荷載需求造成的。

圖2　平整度檢測

基層平整度不均勻、礦料級配不均勻、車輛行駛荷載分布不均勻，這三種不均勻現(xiàn)象的重復(fù)疊加，就使得路面平整度衰減幅度大幅增加。

2　影響瀝青混凝土路面孔隙率的因素

2.1礦料級配合和粉料含量的影響

懸浮式結(jié)構(gòu)和骨架密實結(jié)構(gòu)是當(dāng)前瀝青混凝土路面常用的2種結(jié)構(gòu)形式。其中，懸浮式結(jié)構(gòu)以AC為代表，其本質(zhì)是將連續(xù)變化且數(shù)量一定的級配礦料組成密實瀝青混凝土。骨架密實結(jié)構(gòu)以SAC為代表，其本質(zhì)是將細料、粉料填充到粗粒料的孔隙中，從而形成高密度的瀝青混凝土。這2種瀝青混凝土結(jié)構(gòu)為降低孔隙率，可以從礦料級配和粉料含量進行變化。具體可見表1所示。

2.2瀝青含量的影響

瀝青含量是影響瀝青混凝土路面孔隙率的一個重要因素。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果分析，瀝青含量每增大1%，瀝青混凝土的孔隙率就降低1%～2%。這說明可以通過增大瀝青含量來降低瀝青混凝土中的孔隙率。

2.3壓實度的影響

壓實度是決定孔隙率大小的決定性因素，壓實度大則孔隙率小，壓實度小則孔隙率大。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，馬歇爾試驗密度是確定瀝青混凝土的標準密度，此外還有以試驗段為密度的標準密度法。這兩種標準密度所對應(yīng)的壓實度標準也是不同的，施工時需有所注意才可以保證較小的孔隙率。

高速、一級公路當(dāng)采用馬歇爾試驗標準密度時壓實度標準為95%，采用試驗段標準密度時壓實度為98%。其他等級公路當(dāng)采用馬歇爾試驗標準密度時壓實度標準為94%，采用試驗段標準密度時壓實度為98%。其中馬歇爾試驗標準密實度和孔隙率的對應(yīng)關(guān)系見表2所示。

表2 壓實度和孔隙率關(guān)系Table2 Degreeofcompactionandporosity%壓實度孔隙率壓實度孔隙率9310.7976.9949.8985.9958.8995.0967.81004.0

3　瀝青混凝土孔隙率控制方法

3.1選擇級配和礦料含量

AC — 16和SAC — 16是當(dāng)前瀝青上面層較為常見的2種結(jié)構(gòu)形式。SAC — 16需調(diào)整4.75 mm篩孔的通率由原有的35%提高到45%，可將SAC滲水路面變?yōu)椴粷B水路面，孔隙率大大降低。AC — 16需降低粉料含量和細料到3%以下，并將孔隙率控制在5%以下，在經(jīng)過標準壓實后即可滿足規(guī)范要求。

當(dāng)采用分層攤鋪技術(shù)時，可通過調(diào)整下面層來控制上面層孔隙率。例如將上下面層結(jié)構(gòu)形式修改為上面層AC — 16Ⅰ型、下面層AC — 25Ⅱ型，通過相關(guān)試驗檢測發(fā)現(xiàn)其馬歇爾試驗孔隙率由原有的4%～10%降低為3.5%，且其抗彎拉強度、抗車轍性能都有了顯著提高。其中各篩孔尺寸通過百分率見表3所示。

表3 AC—16Ⅰ型和AC—25Ⅱ型面層級配Table3 AC—16ⅠandAC—25Ⅱsurfacelevel篩孔/mm合成級配規(guī)范級配規(guī)范級配中值31.5100100100 26.595.890～100 95 1975.265～85 78 1682.562～70 61 各篩孔尺寸通過百分率/%13.641.442～62 52 9.529.432～52 42 4.7523.320～40 30 2.3514.713～30 21.50.28.42 9～23 16

3.2提高壓實度

規(guī)范要求的95%的壓實度其實際對應(yīng)的孔隙率為7.85%，這已經(jīng)不能滿足高速、一級公路的不滲水要求。因此在實際施工時需盡可能提高路面壓實度，降低實際路面孔隙率。具體可參照表4的孔隙率與壓實度的關(guān)系，來確定實際壓實度。

3.3控制油石比和壓實溫度

高速公路、一級公路根據(jù)馬歇爾試驗確定的油石比上下浮動范圍為±0.3%，其他等級公路根據(jù)馬歇爾試驗確定的油石比上下浮動范圍為±0.5%。

表4 瀝青混凝土馬歇爾試驗壓實度與孔隙率關(guān)系表Table4 AsphaltconcreteMarshalltestcompactiontablerelationshipwithporosity毛體積密度2.45/(g·cm-3)毛體積密度2.410/(g·cm-3)壓實度/%孔隙率/%壓實度/%孔隙率/%939.89312.6948.89411.4957.99510.7966.7969.8975.9978.8984.9987.9994996.910031006

實際施工時很多企業(yè)為了降低施工造價，經(jīng)常將油石比下調(diào)0.3%，這就直接導(dǎo)致了瀝青含量降低、孔隙率增大。為此在實際施工時，需嚴格按照規(guī)范要求，盡可能增加0.3%瀝青含量而非降低0.3%。此外為保證不同瀝青型號的粘度，還要求具體施工時依據(jù)瀝青粘溫曲線確定合適的碾壓溫度。

4　瀝青含量孔隙精細描述與分布特性研究

4.1分形理論及其在瀝青混凝土研究中的應(yīng)用

分形的本意是“不規(guī)則的、分數(shù)的、支離破碎的”物體。隨著分形理論的不斷完善，其特點也逐漸明確： ①可以用簡單方法形成； ②具有精細的結(jié)構(gòu)； ③分形維數(shù)大于拓撲維數(shù)； ④具備自相似性。其中，分形的自相似性又細分為有規(guī)分形和無規(guī)分形。而分形的這種相似性又受到無標度區(qū)域的限制。

分形理論的建立，在瀝青混凝土的力學(xué)行為分形特征、集料與級配的分形特征、瀝青混凝土表面分形特征方面均有廣泛應(yīng)用。而分形理論在瀝青混凝土的孔隙分形特征研究方面，也有較大發(fā)展。瀝青混凝土作為一種復(fù)雜的復(fù)合材料，其內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為無序、無規(guī)則狀態(tài)。內(nèi)部孔隙的面積、形狀、尺寸等均表現(xiàn)出高度的自相似特征，同時分形的這種相似性又受到無標度區(qū)域的限制，因此瀝青混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)和級配特征也可以通過分形理論進行表達分析。

4.2瀝青混凝土孔隙分形的測試評價方法

① 圖像分析法圖像分析法主要是通過計算機對瀝青混凝土試件進行掃描、切片、灰度處理，之后通過盒維數(shù)法、變尺碼法、小島法等對得到的斷面輪廓曲線計算得到分形維數(shù)。該指標反映了瀝青混凝土試件內(nèi)部復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和孔隙特征。

② 壓汞法壓汞法的測試原理是通過計算汞滴曲率半徑和外加壓力的比值，來確定孔隙半徑及分布。之后再計算出分形體的面積、長度、體積等參數(shù)。需注意的時，只有汞滴的曲率半徑小于試驗中的小孔半徑時，汞滴才可以進入小孔。

③ X射線小角度散射法X射線小角度散射法主要是根據(jù)散射X射線的強度和波矢量的大小關(guān)系，來確定瀝青混凝土內(nèi)部復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和孔隙特征。

需注意的是對同一瀝青混凝土，當(dāng)采用不同的孔隙分形測試方法時，可能得到不同的分形維數(shù)。但不論采用何種試驗方法，其分形維數(shù)的變化規(guī)律和趨勢是相似的。

4.3瀝青混凝土試件制備及參數(shù)測試

為研究瀝青混凝土內(nèi)部的孔隙分布特征，本文根據(jù)不同級配確定了幾組不同空隙率的瀝青混凝土試件。其中，三組孔隙率不同，兩組較小的孔隙率做對比分形。不同試件編號及制備方法見表5所示。

表5 不同試件編號及制備方法Table5 Differentspecimennumberandpreparationmethods級配級配代碼試件編號成型方法作用次數(shù)級配1G1G1-1擊實法50級配2G2G2-1擊實法50G3-1擊實法50G3-2擊實法50級配3G3G3-3擊實法50G3-4擊實法75G3-5輪碾法往返12次級配4G4G4-1擊實法50級配5G5G5-1擊實法50

4.4瀝青混凝土孔隙分析

① 橫向分布研究。

本文首先以G3 — 1試件為例，進行了瀝青混凝土孔隙橫向分布特性研究分析。經(jīng)過CT圖像掃描處理后的孔隙特征提取圖像見圖3所示，相關(guān)參數(shù)見表6所示。

圖3　孔隙特征提取圖像Figure 3　Pore feature extraction and image

表6 橫向分布CT圖像參數(shù)匯總Table6 CTimagesoftransversedistributionoftheparameters圖像編號高度/mm孔隙數(shù)量孔隙率/%孔隙輪廓分形維數(shù)孔隙面積分形維數(shù)孔隙等效直徑/mm13010819.41.11461.00134.1422409821.31.10730.98854.584

從圖和表中數(shù)據(jù)可以看出: 圖像2的孔隙輪廓分形維數(shù)和孔隙面積分形維數(shù)均小于圖像1，這反映出圖像2中的瀝青混凝土空間分布結(jié)構(gòu)較為簡單，而圖像1內(nèi)部的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

② 縱向分布研究。

本文對G3 — 1試件做了縱向掃描，得到了6個斷面孔隙特征提取圖像見圖4，相關(guān)參數(shù)見表7。

(a)圖像1(b)圖像2

(c)圖像3(d)圖像4

(e)圖像5(f)圖像6

圖4　孔隙特征提取圖像

從豎向分布CT圖像參數(shù)中可以看出: G3 — 1試件的豎向孔隙分形特征參數(shù)都大于橫向分布。這說明瀝青混凝土在豎向上的孔隙分布變化較橫向更加復(fù)雜多變。

③ 級配對孔隙分布特性的影響。

通過對六種級配試件的孔隙率對比分析發(fā)現(xiàn)(見表8)： G3 — 1試件的孔隙率縱向分布標準差最大，瀝青混合料分布不均勻性最差；G4 — 1試件的孔隙率縱向分布標準差最小，混合料的均勻性最好；瀝青混合料的分布均勻性隨孔隙率增大而逐漸降低。

表8 不同級配對孔隙率的影響Table8 Magnitudematchingtheinfluenceoftheporosity級配級配代碼試件編號孔隙率/%縱向分布標準差混合料均勻性排序級配1G1G1-125.02.084級配2G2G2-123.73.085G3G3-119.14.707級配3G3G3-218.81.282G3G3-318.93.376級配4G4G4-113.61.271級配4G5G5-141.893

此外，通過對比不同孔隙率試件的劈裂抗拉強度、滲透性能等參數(shù)指標發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙率縱向分布標準差的降低，這些指標都在逐步增大。這說明孔隙率的縱向分布標準差可以作為評價瀝青混凝土離析狀況、強度特性的評價標準。

5　結(jié)論

本文首先簡要介紹了瀝青混凝土路面孔隙率對車轍產(chǎn)生速度、路面透水性能、瀝青老化速度、平整度衰減速度四個方面的影響；其次又從礦料級配合和粉料、瀝青的含量、壓實度3個方面，簡要介紹了影響瀝青混凝土路面孔隙率的主要因素；建議在具體施工時通過合理選擇級配和礦料含量、提高壓實度、控制油石比和壓實溫度這幾個方面來降低瀝青混凝土中的孔隙率；最后基于CT圖像掃描法驗證了分形理論在瀝青混凝土空間結(jié)構(gòu)和孔隙特征分析中的應(yīng)用，并提出將孔隙率的縱向分布標準差作為評價瀝青混凝土離析狀況、強度特性的評價標準。

[1]彭余華. 瀝青混合料離析特征判別與控制方法的研究[D].西安:長安大學(xué),2006.

[2]李芬. 瀝青混凝土路面細觀結(jié)構(gòu)和水破壞研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[3]劉繼忠. CFRP孔隙率超聲無損檢測研究與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[4]牟云飛. 基于隨機孔隙模型的CFRP孔隙率超聲檢測研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[5]王磊. 陜西省干線公路瀝青路面典型病害成因分析與養(yǎng)護技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2009.

[6]張書華. 高速公路瀝青混凝土薄層罩面施工成套技術(shù)及地方標準研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[7]楊沖. 基于電磁波技術(shù)的瀝青混凝土路面無損檢測技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

[8]王魯寧. 超聲波法在瀝青混合料性能測試上的試驗研究[D].長春:吉林大學(xué),2013.

[9]潘曉軍. 基于超聲波技術(shù)的瀝青混凝土路面無損檢測研究[D].西安:長安大學(xué),2014.

[10]李釗. 碳纖維復(fù)合材料孔隙率超聲檢測與評價技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[11]宋立軍. 復(fù)合材料孔隙率檢測方法及其實現(xiàn)技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[12]蔣志峰,吳作倫,劉繼忠. 基于超聲頻域分析的碳纖維復(fù)合材料孔隙率檢測[J]. 計量學(xué)報,2006(01):53-56.

Asphalt Concrete Pavement After Compaction Standard of Porosity Testing Research

XU Huanhuan

(Chongqing Energy College, Chongqing 402260, China)

this paper first briefly introduces the porosity of asphalt concrete pavement rutting waterproof performance, speed, pavement asphalt aging speed, the influence of roughness attenuation speed four aspects; Secondly from mineral aggregate level coordination and powder content, asphalt content, degree of compaction, this paper briefly introduces the main factors affecting asphalt concrete pavement porosity; After the proposal in the concrete construction through reasonable choice of grading and mineral aggregate content, improve the degree of compaction, control oil stone ratio and compaction temperature these aspects to reduce the porosity in the asphalt concrete; Finally based on CT image scanning method of fractal theory was verified in the asphalt concrete spatial structure and the application of the analysis of characteristics of pore.

asphalt concrete; porosity; detection; fractal theory

2016 — 05 — 05

許歡歡(1983 — )，女，湖北天門人，碩士，講師，研究方向：土木工程。

U 416.06

A

1674 — 0610(2016)04 — 0184 — 04