瀝青混合料最大密度測(cè)試方法的試驗(yàn)研究＊

朱興一陳 龍 王福建

（上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所1） 上海 200072） （浙江大學(xué)交通工程研究所2） 杭州 310027） （浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院市政交通分院3） 杭州 310012）

0 引 言

為了提高瀝青路面的使用性能，首先必須提高瀝青混合料的性能，即準(zhǔn)確進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì).目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法有馬歇爾設(shè)計(jì)法和Superpave瀝青混合料體積設(shè)計(jì)法.該2種方法都考慮到集料和瀝青混合料的體積結(jié)構(gòu)在瀝青混合料設(shè)計(jì)中所起到的作用.其中，空隙率VV 是十分重要的控制指標(biāo)，其影響到瀝青混合料使用性能的各個(gè)方面.最大密度對(duì)計(jì)算空隙率等其他體積參數(shù)很有用，其準(zhǔn)確性直接決定了體積參數(shù)的準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響到最佳瀝青用量甚至是施工質(zhì)量的控制和檢測(cè)，此外國(guó)內(nèi)外也有一些地方將其作為確定瀝青混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的依據(jù)［1］.因此，可以說瀝青混合料最大理論密度是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)［2］.

在國(guó)際上通常有2種情況：一種是我國(guó)歷來采用的以各種集料、礦粉、瀝青的相對(duì)密度及配合比例計(jì)算求得的理論密度，日本也采用此法.另一種方法是實(shí)測(cè)瀝青混合料最大密度，美國(guó)和歐洲大部分國(guó)家采用此法.其中美國(guó)主要采用真空法，歐洲主要采用溶劑法.進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)行主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，將計(jì)算法、真空法及溶劑法的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1.

結(jié)合臺(tái)縉高速公路試驗(yàn)路段的課題研究項(xiàng)目的要求，通過試驗(yàn)綜合分析不同計(jì)算法和實(shí)測(cè)法所得結(jié)果之間的關(guān)系，以期完善規(guī)范中關(guān)于測(cè)試瀝青混合料最大理論密度中所存在的缺陷，并指導(dǎo)該工程項(xiàng)目的實(shí)踐.

表1 各類方法比較

1 試驗(yàn)方案及實(shí)施措施

關(guān)于真空實(shí)測(cè)法，我國(guó)規(guī)范所規(guī)定的試驗(yàn)步驟有許多值得商酌之處，針對(duì)我國(guó)規(guī)范真空法的規(guī)定提出幾點(diǎn)看法［3－5］：（1）我國(guó)真空法所規(guī)定的具體測(cè)定條件，均參考了1992年美國(guó)瀝青技術(shù)組給出的上述“最佳測(cè)定條件”.其適用性究竟如何值得進(jìn)一步研究；（2）在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中不推薦使用真空法實(shí)測(cè)改性瀝青混合料和SMA 混合料的理論密度.但事實(shí)證明，真空法實(shí)測(cè)得到的瀝青混合料最大理論密度最接近實(shí)際狀況.因此，可針對(duì)改性瀝青混合料和SMA 混合料給出與普通瀝青混合料不同的真空實(shí)測(cè)測(cè)定條件；（3）我國(guó)《規(guī)范》中規(guī)定“強(qiáng)烈振蕩負(fù)壓容器，使水充分?jǐn)噭?dòng)混合料，除去剩余的氣泡.每隔2min晃動(dòng)若干次，直至不見氣泡出現(xiàn)為止.”此條可歸納為對(duì)測(cè)試頻率的要求，但是在不給出準(zhǔn)確條件的情況下，很可能因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差.因此，需要通過大量試驗(yàn)給出比較準(zhǔn)確的測(cè)試頻率.

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 計(jì)算法設(shè)計(jì)參數(shù) 在運(yùn)用計(jì)算法計(jì)算瀝青混合料最大理論密度時(shí)，首先需要通過試驗(yàn)確定粗集料密度（表觀、表干、毛體積密度）及吸水率、細(xì)集料密度（表觀、表干、毛體積密度）及吸水率、礦粉密度、瀝青密度.其算式為［6］

式中：γ1，γ2，…，γn分別為集料表觀密度、集料毛體積密度、集料表觀和表干平均密度、集料表觀和毛體積平均密度，每一粒徑集料的有效密度由式（1），（2）計(jì)算.

1.1.2 實(shí)測(cè)法試驗(yàn)條件參數(shù) 為更充分排除混合料空隙內(nèi)空氣，所以采用以下具體的設(shè)計(jì)參數(shù)及參數(shù)變化范圍，見表2.試驗(yàn)所選用的方法為真空法，采用的儀器為交通運(yùn)輸工程學(xué)院道路與工程實(shí)驗(yàn)室新引進(jìn)的儀器.

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)及參數(shù)變化范圍

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)條件參數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)法結(jié)果的影響分析

2.1.1 振動(dòng)頻率 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)做兩組平行試驗(yàn)，并取平均值，得不同振動(dòng)頻率對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖，見圖1～4.

圖1 （AC－20F）振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

圖2 （AC－20C）振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

圖3 改性瀝青振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

由圖可見，振動(dòng)頻率在80～120r／min之間其遞增速率較快，而在120r／min之后其增長(zhǎng)速度減緩.但值得注意的是，當(dāng)振動(dòng)頻率過大，達(dá)140r／min 之后，包裹在集料外的瀝青膜容易脫落，使水變渾濁，測(cè)得的理論相對(duì)密度偏大.因此，使用過大的頻率會(huì)使得測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大誤差.

圖4 SMA 振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

而對(duì)于SMA 瀝青混合料而言，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到140r／min時(shí)，最大理論相對(duì)密度值趨于穩(wěn)定，且隨著振動(dòng)頻率的增大，瀝青混合料在水中并沒有呈現(xiàn)渾濁的現(xiàn)象.

綜上所述，根據(jù)影響曲線圖來看，不論是普通瀝青（粗、細(xì)集料的級(jí)配）及改性瀝青，振動(dòng)頻率為120r／min更適合真空實(shí)測(cè)法；而對(duì)于改性瀝青，振動(dòng)頻率為140r／min更適合真空實(shí)測(cè)法.

2.1.2 試驗(yàn)水溫 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)做兩組平行試驗(yàn)取平均值，得試驗(yàn)水溫對(duì)最大密度的影響圖，見圖5～8.

圖5 （AC－20F）水溫對(duì)最大密度的影響

圖6 （AC－20C）水溫對(duì)最大密度的影響

圖7 改性瀝青水溫對(duì)最大密度的影響

圖8 SMA 水溫對(duì)最大密度的影響

從圖中可以看出，在室溫～25 ℃之間，幾乎沒有太多的影響.此外，使用改性瀝青及SMA 的混合料當(dāng)水溫達(dá)30℃以上時(shí)，容器內(nèi)的水出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，其原因可能是水溫逐漸接近于瀝青的軟化點(diǎn)，當(dāng)瀝青混合料在來回振動(dòng)的狀態(tài)下，瀝青容易脫落，故測(cè)得的理論相對(duì)密度有偏大.

綜上所述，根據(jù)水溫對(duì)理論相對(duì)密度的影響曲線圖來看，采用室溫更適合真空實(shí)測(cè)法.

2.1.3 抽真空時(shí)間 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)分別做兩組平行試驗(yàn)，并取平均值，得不同抽真空時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖，見圖9～12.

圖9 （AC－20F）抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

圖10 （AC－20C）抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

圖11 改性瀝青抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

圖12 SMA 抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

1）從級(jí)配為AC－20F（普通瀝青）及改性瀝青的影響曲線圖可見，由5～15min，AC－20F（普通瀝青）最大理論相對(duì)密度在10min內(nèi)增加了0.004，而由15～30min的15min內(nèi)只增加了0.002，且30 min后就不再有什么變化.對(duì)于改性瀝青及SMA瀝青混合料其影響也并不大.因此，對(duì)于以細(xì)集料為主的普通瀝青、使用改性瀝青和SMA 瀝青混合料均可采用15min的真空實(shí)測(cè)時(shí)間.

2）從級(jí)配為AC－20C的影響曲線圖可見，在25min之前，抽真空時(shí)間對(duì)理論密度的影響不斷增長(zhǎng)，25min以后逐漸趨于平緩.因此，對(duì)于以粗集料為主的級(jí)配可采用25min的真空實(shí)測(cè)時(shí)間.

圖13 老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響

2.1.4 老化時(shí)間 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)分別做兩組平行試驗(yàn)，并取平均值，得不同老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖，見圖13.以圖13可以看出，在老化時(shí)間4h之前最大理論相對(duì)密度有逐漸上升的趨勢(shì)，在4h后老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響趨勢(shì)逐漸減少，幾乎沒有什么變化.因此，可采用4h老化時(shí)間作為真空實(shí)測(cè)法的測(cè)定條件之一.

2.2 計(jì)算法與實(shí)測(cè)法的比較

2.2.1 替代真空實(shí)測(cè)法的計(jì)算方法 利用差值分析及不同油石比下各類方法最大理論相對(duì)密度曲線圖14，可知按《規(guī)范》所述的計(jì)算公式，并利用合成集料有效密度得到的最大理論相對(duì)密度與實(shí)測(cè)法所得到的最大差值對(duì)于AC－20F 僅為0.004，最小差值僅為0.002；對(duì)于AC－20C 差值僅為0.001.雖然，《規(guī)范》中規(guī)定合成集料有效密度的公式適用于改性瀝青和SMA，但試驗(yàn)證明該計(jì)算公式同樣適用于計(jì)算其他普通瀝青的合成集料有效密度.因此，當(dāng)真空實(shí)測(cè)法較難實(shí)施時(shí)，可改用計(jì)算法（《規(guī)范》所述的計(jì)算公式，并利用合成集料有效密度）來近似代替真空實(shí)測(cè)法.

圖14 在不同油石比下各類方法最大理論相對(duì)密度曲線圖

2.2.2 改性瀝青及SMA 使用真空法的可行性

1）對(duì)于改性瀝青采用真空實(shí)測(cè)法與《規(guī)范》所得到的最大理論相對(duì)密度值僅相差0.003.可見，改性瀝青若在本文推薦使用的測(cè)定條件下，同樣也能夠采用真空實(shí)測(cè)法得到較為可靠的理論密度值.

2）對(duì)于SMA 瀝青混合料從計(jì)算值可以看出采用真空實(shí)測(cè)法所得到的最大理論相對(duì)密度值與《規(guī)范》計(jì)算法所得到的數(shù)據(jù)比較接近，僅相差0.001，且與我國(guó)00版的計(jì)算法所得到的數(shù)值完全吻合.可見，SMA 瀝青混合料在本文推薦使用的測(cè)定條件下，同樣也能夠采用真空實(shí)測(cè)法得到較為可靠的最大密度.

3 結(jié) 論

1）根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果，在測(cè)定瀝青最大理論密度時(shí)，所須采用的測(cè)定條件為：（1）振動(dòng)頻率，120r／min（普通瀝青混合料和改性瀝青）140 r／min（SMA 瀝青混合料）；（2）抽真空時(shí)間，15 min（細(xì)級(jí)配普通瀝青混合料，改性瀝青，SMA 瀝青混合料）、25 min（粗級(jí)配瀝青混合料）；（3）水溫，室溫；（4）老化 時(shí)間，4h；（5）真 空度，97.3 kPa；（6）振動(dòng)模式，順時(shí)針＋逆時(shí)針.這些測(cè)定條件適用于普通瀝青混合料及改性瀝青混合料.

3）《規(guī)范》規(guī)定，采用計(jì)算法確定改性瀝青及SMA 瀝青混合料的最大理論相對(duì)密度.但本文通過大量試驗(yàn)證明在本文給出的測(cè)定條件下，真空實(shí)測(cè)法也同樣適用于改性瀝青及SMA 瀝青混合料，且其實(shí)測(cè)結(jié)果與規(guī)范所述的計(jì)算法所得結(jié)果大致相同.

［1］蔣 瑋，沙愛民，裴建中，等.多孔瀝青混合料壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35（11）：13－16.

［2］李立寒，張南鷺.道路建筑材料［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

［3］交通部公路科學(xué)研究所.JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：交通部公路科學(xué)研究所，2004.

［4］Theoretical maximum secific gravity and density of bituminous paving mixtures AASHTOTT－209－99［R］.Technician Training and Certification Program，2003.

［5］Prithvi S，Kandhal M，Khatri A.Improved rice method for determing theoretical maximum specific gravity of asphalt paving mitures［R］.NCAT Report，No.92－3.

［6］交通部公路科學(xué)研究所.JTJ058—2000 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：交通部公路科學(xué)研究所，2000.