周 慧 周開利

瀝青混合料擊實及理論最大相對密度試驗改進(jìn)研究

周 慧 周開利

（昆明公路局，云南 昆明 650200）

標(biāo)準(zhǔn)擊實法作為最常用瀝青混合料成型方法之一，擊實達(dá)到預(yù)期效果至關(guān)重要；瀝青混合料的理論最大相對密度是瀝青混凝土的重要參數(shù)之一，其測試準(zhǔn)確性因而尤其重要。本文通過對馬歇爾擊實試驗實踐中存在的問題做詳細(xì)分析，并提出是針對性的改進(jìn)措施；對測定瀝青混合料理論密度的方法做剖析，給出思考與改進(jìn)方向，以期對瀝青混合料的制備及參數(shù)確定提供一定的參考作用。

瀝青混合料；擊實試驗；理論最大相對密度

0 概述

標(biāo)準(zhǔn)擊實法作為最常用瀝青混合料成型方法之一，其實際應(yīng)用與理論預(yù)期存在一定差距，擊實效果受到影響；瀝青混凝土孔隙率是其性能評定重要參數(shù)之一，因而先于其測定的理論最大相對密度試驗的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。本文通過對馬歇爾擊實試驗實踐中存在的問題做詳細(xì)分析，并提出是針對性的改進(jìn)措施；對測定瀝青混合料理論密度的方法做剖析，給出思考與改進(jìn)方向。

1 擊實試驗

1.1 標(biāo)準(zhǔn)成型方法的不足與思索

通過馬歇爾擊實試驗的應(yīng)用實踐，產(chǎn)生如下思考：

1）101-3型鼓風(fēng)干燥箱采用的是電阻絲或加熱管升溫，熱氣流從底部緩慢上升至頂部，溫度傳感器設(shè)在烘箱頂部左側(cè)，烘箱內(nèi)部一般有2~3層金屬儲物架，采用的是剛度較大的鋼絲鏤空設(shè)計。在多次成型試件中發(fā)現(xiàn)，不同層次的儲物架上如果都放有拌制好的混合料，接近加熱管附近儲物架上的混合料試件溫度高于其他層次，距離加熱管越遠(yuǎn)溫度越低；同一層次儲物架上混合料試件的溫度，距離烘箱門越遠(yuǎn)溫度越高。

由于熱氣流在上升過程中的氣流環(huán)島效應(yīng)，使得混合料溫度有10℃~15℃的離析，會對試件成型后的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率等體積指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，并在一定程度上影響試驗的精度。

2）混合料試件裝料過程中存在較大的級配離析0，對于最大公稱粒徑為9.5mm和13.2mm的混合料以及粗集料較少的混合料，由于人為操作造成的級配離析對試驗精度和結(jié)果影響不大；對于最大公稱粒徑為16mm、19mm和26.5mm的混合料以及粗集料較多的混合料，裝料會產(chǎn)生較大的級配離析，并且通過不加瀝青的礦料裝填試驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)集料和填料在料筒底部較多，而粗集料在料筒中上部較多，插搗周邊15次和中間10次后，會加劇級配的離析，成型后的試件會出現(xiàn)一面平整密實（細(xì)集料和填料較多的一面）和一面凹凸不平松散離析（粗集料較多的一面）的情況。

3）成型后的試件正常冷卻需要12小時，耗時太長，在實際生產(chǎn)過程中對于質(zhì)量的控制不利，有很大的滯后性，往往是路已經(jīng)鋪筑完了，而試驗結(jié)果還沒有出來，如果混合料級配不合理需要調(diào)整，只能等到下次鋪筑時進(jìn)行，導(dǎo)致之后的生產(chǎn)原材料和生產(chǎn)配合比都會發(fā)生變化，實時性太差。

1.2 改進(jìn)措施

針對以上擊實試驗的不足和缺陷提出以下幾種改進(jìn)措施：

1）為了避免不同試件的溫度離析，裝料時先裝溫度高的混合料試件，具體操作方法如下：假設(shè)同層架上有a、b、c、d共4個試件，a和b試件位于內(nèi)側(cè)距離門較遠(yuǎn)，c和d試件位于外側(cè)距離門較近。

當(dāng)距離門較遠(yuǎn)的a和b試件達(dá)到要求的成型溫度后，先取出a試件，然后把距離門較近的c試件放在a的位置，成型a試件后再取出b試件，接著把距離門較近的d試件放在b的位置，成型b試件。充分利用a和b試件裝料及成型時間彌補c試件與要求溫度的偏差，充分利用a、b和c試件裝料及成型時間彌補d試件與要求溫度的偏差，成型后的溫度大小為：b>a>d>c。

按照此方法可以最大程度避免烘箱升溫過程中的溫度離析，如果先成型c和d試件，再成型a和b試件，先成型的c試件的成型溫度和最后成型的b試件的成型溫度偏差甚至能夠達(dá)到20℃以上。

規(guī)范要求混合料中心插入溫度計來檢查混合料溫度，這種方法存在以下弊端：

①隨時開關(guān)烘箱，溫度流失嚴(yán)重；

②用一根溫度計測量4個試件的溫度，不停地拔插容易損毀溫度計，如果用4根溫度計同時測量4個試件的溫度，操作太過復(fù)雜。

針對試件成型過程中采用溫度計進(jìn)行溫度控制的弊端，可采用以下方法改進(jìn)：

①采用具有自動溫控功能的溫度控制器，通過設(shè)定擊實溫度的上下限溫度范圍，低于下限溫度自動升溫，高于上限溫度自動斷開。在試驗過程中，上限溫度要高于要求溫度3℃~5℃，以保證距離箱門較近的混合料試件的溫度。

②采用高精度、耐高溫的插入式溫度傳感器替代烘箱自帶的固定溫度傳感器，方便精確地控制混合料試件的溫度。傳感器要插入試件中間進(jìn)行溫度控制，插入到即將成型的試件中。按照a、b、c、d的順序，在取出試件時就把插在試件中的傳感器插入到距離箱門較近的混合料試件中，因為外側(cè)試件溫度低于要求溫度，傳感器感應(yīng)到料溫不足會繼續(xù)升溫來保證外側(cè)試件的溫度；由于內(nèi)側(cè)的試件此時溫度已經(jīng)超過設(shè)定溫度，如果把傳感器插入即將成型的內(nèi)側(cè)試件中，傳感器感應(yīng)到料溫超過設(shè)定溫度，會反饋到溫度控制器后斷開線路，而此時外側(cè)試件溫度卻低于要求溫度，斷開線路后無法保證外側(cè)試件的溫度。

2）為了最大程度避免最大公稱粒徑為16mm、19mm和26.5mm的混合料以及粗集料較多的混合料試件在裝料過程中的級配離析，通過不加瀝青的礦料裝填試驗，當(dāng)注意如下幾點：

①先有意識地把部分粒徑較大的集料裝填在套筒底部和中部；

②再在中下部放入部分細(xì)集料填充；

③然后留部分細(xì)集料覆蓋在頂面，因為插搗25次會使得細(xì)集料向下填充粗集料間產(chǎn)生的間隙，可以使得細(xì)集料均勻分布在整個試件結(jié)構(gòu)中；

④插搗時盡量減少對結(jié)構(gòu)的影響，減少擾動；

⑤插搗完后盡量用螺絲刀把頂面整形成具有一定曲率的曲面，通過擊實錘對曲面的錘擊可以對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比平整面更大橫向作用力，即揉搓作用，在一定程度上模擬膠輪碾壓，使結(jié)構(gòu)中集料分布更加均勻、密實；

⑥所有試件的裝料必須由同一個人進(jìn)行操作，同時盡量保證在試件裝料時的裝料手法一致。

3）為了保證在實際生產(chǎn)過程中對混合料質(zhì)量檢查和控制的實時性，采用以下方法改進(jìn)：

①在套筒側(cè)壁涂刷凡士林，試件成型后立即脫模。由于瀝青混合料試件是高溫成型，而試件測量時只有室溫，從成型到測量的過程中試件會持續(xù)不斷的收縮，因為材料的熱膨脹系數(shù)不同，可能收縮的體積會有所差異。既然試件會持續(xù)收縮，試件外的剛性模具意義不大。所以，筆者認(rèn)為：試件成型后應(yīng)立即脫模，減少等待時間，提高試驗效率。

②脫模后的試件橫向放置，用電吹風(fēng)冷卻0.5h~1h，夏季冷卻1h，冬季冷卻0.5h，春秋兩季冷卻0.75h后測量試件的密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等各項物理指標(biāo)。冷卻時需要把試件翻面1~2次，來保證試件溫度的均勻性。

2 試件理論最大相對密度試驗

2.1 計算法

在工程中對混合料理論密度有幾種不同的描述，有理論最大密度、理論最大相對密度、理論密度等。從物理概念上講，理論相對密度是與標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下水的密度的比值，是無量綱的數(shù)值，而理論密度或者理論最大密度是有量綱的物理量，而由于水的密度可視為1g/cm3，因而，相對理論密度與理論密度數(shù)值上幾乎相等。

當(dāng)前，測定、評價混合料理論密度的方法有兩類：一是計算法，二是真空測量法。一般來說，計算法得到的密度稱為理論密度，而真空法得到的密度稱為理論最大密度。理論上講，對于同一混合料，這兩種方法得到的理論密度應(yīng)是一致的、等效的。但在實際工程中，由于各種試驗因素的影響，這兩種方法確定的混合料理論密度往往存在一定的偏差。

如要計算出準(zhǔn)確的混合料（相對）理論密度，首先需要準(zhǔn)確、可靠的礦料參數(shù)0。如果這些參數(shù)測定中出現(xiàn)偏差，將會影響密度確定的準(zhǔn)確性。計算法確定混合料的理論（相對）密度，看似簡單、可靠，但其中仍存在一些問題需要完善：

①礦料的瀝青吸收系數(shù)C。由于目前還沒有有效的手段直接測量礦料對瀝青的吸收能力，因此采用礦料對水的吸收能力（即吸水率指標(biāo)）來代替。但是由于瀝青和水是兩種完全不同的材料，浸潤性相差很大，用吸水率指標(biāo)評價礦料對瀝青的吸附能力并不準(zhǔn)確。

②吸水率與瀝青吸收系數(shù)的模型也不盡合理。二次曲線模型是一種非單調(diào)曲線，存在極值點，在一定的吸水率范圍內(nèi)，隨著吸水率的增加，礦料的瀝青吸收系數(shù)逐漸增加，但超過這個范圍，瀝青吸收系數(shù)逐漸減少，因此存在一個拐點，這顯然與實際工程情況相違背。為避開這個問題，采用單調(diào)的曲線模型建立吸水率與瀝青吸收系數(shù)的關(guān)系。

③對于礦料的吸水率指標(biāo)，目前往往是指粒徑在4.75mm以上（含4.75mm）的碎石的吸水率，對于比表面積更大、吸水率更強的細(xì)集料和礦粉往往無法得到準(zhǔn)確的吸水率，因此，目前使用的合成礦料吸水率并不能準(zhǔn)確反映實際礦料的吸水率，兩者可能相差很大。

④對于各檔礦料密度的測量非常耗時，而且對于操作人員的試驗精度有較高的要求，特別是對細(xì)集料毛體積密度和礦粉表觀密度的測量精度要求更高。當(dāng)原材料發(fā)生變化時，需要隨時測量，否則難以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 真空法

與計算法相比，真空法測定混合料（相對）理論密度是較為直觀的方法。真空法試驗的基本條件為：將分散的混合料飽水，在試驗溫度25±0.5℃以及真空度97.3kPa的條件下持續(xù)15min±2min抽真空。然后計算混合料的理論密度，見式（1）。相對于計算法，真空法避免了計算法中涉及的各種參數(shù)的確定問題，關(guān)鍵在于試驗操作的精細(xì)、穩(wěn)定和可靠。

式中：

需要指出的是，當(dāng)瀝青混合料中摻加了橡膠粉、纖維、抗車轍劑、溫拌劑等外加劑，采用計算法確定混合料的理論（相對）密度將存在一定的困難。因為盡管這些材料摻入混合料前的相對劑量是準(zhǔn)確的，相關(guān)的密度也是已知的，但是這些材料在高溫拌合時，將不同程度與瀝青產(chǎn)生反應(yīng)，從而影響到這些料拌合后的密度水平，而這個影響程度是難以通過現(xiàn)有手段測量的。對于這種情況，只有采用真空法實際測量是比較準(zhǔn)確的。

2.3 思考與改進(jìn)

盡管真空法在試驗操作中存在一些技術(shù)難點，但是，無論是科研還是實際工程，仍建議采用真空法確定混合料的理論密度0，主要有以下幾方面原因：

①與采用計算法確定理論密度相比，不確定因素少，可靠性相對較高。真空法實測理論密度避免了瀝青吸收系數(shù)、高溫拌合、礦料級配等對瀝青密度的影響。目前普遍使用的瀝青吸收系數(shù)的計算公式并不合理，用于瀝青混合料理論密度的計算將會產(chǎn)生較大的誤差，對工程質(zhì)量的進(jìn)一步評定造成不利影響。同時，高溫拌合后瀝青密度將會產(chǎn)生變化，而其變化規(guī)律比較復(fù)雜，與瀝青品質(zhì)有關(guān)。再者，在實際工程中混合料的礦料級配每天都會產(chǎn)生變化，如仍采用計算法，礦料級配的確定將是一個十分繁復(fù)的工作。一方面確定實際的礦料級配和油石比需要一定時間，而且多少存在一些誤差；另一方面，在實際工程中，0.075mm以下的礦料包括礦粉和粉塵兩部分，各占多少比例卻難以確定，由于一般來說礦粉的密度比粉塵的密度大10%左右，因此，0.075mm以下的礦料密度確定難度較大。由此，在實際工程中，采用真空法檢測更加直接、更為可靠。

②對于真空法測量操作中，存在如混合料顆粒分散不均勻以及其他人為因素，可以采用嚴(yán)格試驗操作方法等措施予以解決。例加對于黏度較高的瀝青，應(yīng)在混合料拌合好以后，趁熱及時攤鋪在一個較大的盤子中進(jìn)行分散，切不可等混合料涼了以后再分散。再者，為了保證試驗精度，可增加重復(fù)試驗的次數(shù)，由一般的2次，增加到3~4次，并通過試驗曲線擬合的方法進(jìn)行必要的修正，從而減少試驗操作中人為誤差的影響0。圖1為某種混合料理論密度測定的試驗結(jié)果，油石比從4.0%~6.0%，間隔0.5%，值得說明的是，圖中每個點的平行試驗誤差均滿足0.02g/cm3的誤差范圍要求，但是從圖中可以看出，在油石比為4.5%時的理論密度與其他幾個油石比的理論密度存在一定的偏差，這種偏差是試驗誤差所引起的。對此可以采用單調(diào)曲線進(jìn)行擬合修正。圖中采用冪函數(shù)模型進(jìn)行曲線擬合，相關(guān)性達(dá)到0.9855，并根據(jù)這個擬合曲線修正各油石比條件下實測的混合料的理論密度，計算結(jié)果見表1。

圖1 理論密度實測曲線

表1 理論密度擬合修正及誤差分析

這里需要說明的是，試驗數(shù)據(jù)的擬合修正是必要的，因為任何試驗的系統(tǒng)和人為誤差是在所難免的，而通過試驗揭示的客觀規(guī)律也是一定存在的，采用數(shù)學(xué)方法對試驗結(jié)果進(jìn)行修正是合理的，關(guān)鍵在于找到一個合理的數(shù)學(xué)模型。本實例通過修正，油石比為4.5%時的混合料理論密度降低了0.28%，相當(dāng)于混合料空隙率提高了0.28%，這對于實際工程質(zhì)量評價的影響是顯著的。

③真空法測量混合料的理論密度，適用性廣。當(dāng)前在實際工程中為了改善混合料的使用性能，摻加了多種添加劑，如纖維、抗車轍劑、溫拌劑、廢胎膠粉等，一般來說這些材料的添加劑量是固定的，在常溫條件下材料的密度也是可以測量的，但是這些材料在高溫條件下自身或與瀝青產(chǎn)生不同程度的反應(yīng)，導(dǎo)致密度的變化，采用計算法測定混合料的理論密度都會產(chǎn)生一定程度的偏差。此時，采用真空法是合理的解決對策。

3 總結(jié)

1）馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實方法雖已相當(dāng)成熟，但實際應(yīng)用與預(yù)期效果仍存在差距，可通過裝料先裝溫度高的混合料試件，采用具有自動溫控功能、插入式溫度傳感器，優(yōu)化裝料步驟及脫模、冷卻操作，來保證擊實效果。

2）基于現(xiàn)階段的研究成果和認(rèn)識，采用真空法確定混合料的理論密度是更為合理的。同時，通過適當(dāng)?shù)臄M合、修正不僅可以使混合料的體積狀態(tài)分析更加可靠、準(zhǔn)確，而且可以進(jìn)一步分析瀝青、礦料以及瀝青與礦料在高溫拌合后的體積特性。

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1007-6344（2021）04-0048-03