真空法對(duì)瀝青混合料理論最大相對(duì)密度測(cè)定的試驗(yàn)條件分析

楊文武，尹 杰，黃羽寒（成都暢達(dá)通檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，四川 成都 610000）

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)多數(shù)采用體積設(shè)計(jì)法[1]。礦料合成相對(duì)密度、空隙率、間隙率、飽和度等都是其體積設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，空隙率則是根據(jù)試件毛體積相對(duì)密度和理論最大相對(duì)密度按公式求到。因此真空法測(cè)得理論最大相對(duì)密度與實(shí)際值的誤差大小是體積法成功的關(guān)鍵，會(huì)直接影響設(shè)計(jì)混合料的路用性能。同時(shí)，道路瀝青路面的壓實(shí)度也與理論最大相對(duì)密度的值有直接聯(lián)系，因此理論最大相對(duì)密度重要性不言而喻。目前，世界各國(guó)對(duì)瀝青混合料理論最大相對(duì)密度的檢測(cè)方法均有所不同。美國(guó)常使用真空法測(cè)密度，日本則使用計(jì)算法。通過大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與理論探索，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定在條件不允許的情況下可以采用計(jì)算法，其余要求優(yōu)先采用真空法來測(cè)定瀝青混合料理論最大相對(duì)密度。現(xiàn)通過試驗(yàn)探究不同振動(dòng)頻率、水溫、抽真空時(shí)間條件下，理論最大相對(duì)密度的變化情況，從而提高試驗(yàn)室真空法檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 確定理論最大相對(duì)密度的方法

理論最大相對(duì)密度[2]是計(jì)算混合料配合比的體積參數(shù)的關(guān)鍵因素之一，與馬歇爾試件的空隙率、飽和度等在配合比設(shè)計(jì)過程中息息相關(guān)，常被作為一個(gè)施工過程中質(zhì)量控制的重要參數(shù)。如需準(zhǔn)確檢測(cè)瀝青混合料理論最大相對(duì)密度，第一步需理解集料和瀝青密度的檢測(cè)原理。瀝青混合料理論最大相對(duì)密度是指混合料在壓實(shí)成型至無空隙的理想狀態(tài)下單位體積的試件質(zhì)量與同溫度下水的質(zhì)量比。天平稱量即可得到混合料的質(zhì)量。如需確定混合料最大理論相對(duì)密度，只需通過試驗(yàn)測(cè)出當(dāng)下混合料的體積，用質(zhì)量與體積的比值則可求出其密度。瀝青混合料由瀝青和集料構(gòu)成，集料形成骨架，瀝青黏附在集料與集料之間，使得集料和瀝青緊密粘接在一起。由于集料形狀為不規(guī)則的棱角，集料之前多存在空隙，且空隙越大，混合料的密度就越小，相反混合料空隙全部被瀝青填滿，空隙率無限趨近于零時(shí)，混合料的密度將會(huì)達(dá)到最大值。此時(shí)的密度就是混合料的理論最大相對(duì)密度。

現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定用兩種方法來檢測(cè)混合料的理論最大相對(duì)密度。

（1）計(jì)算法。使用混合料中各粒集料、瀝青的相對(duì)密度及各組分合成配比的比例計(jì)算求得理論最大相對(duì)密度。集料密度目前有 3 種，分別是毛體積相對(duì)密度、有效相對(duì)密度和表觀相對(duì)密度。計(jì)算如式（1）所示。

3 個(gè)不同的相對(duì)密度分別代表著不同的體積。用合成集料的表觀相對(duì)密度來處理理論最大相對(duì)密度時(shí)，將集料和瀝青的黏結(jié)情況看成集料開口空隙的體積全部被瀝青填充。計(jì)算總體積時(shí)，瀝青體積包含了開口空隙體積，此時(shí)體積為集料實(shí)體體積與閉口體積、瀝青體積之和。對(duì)合成毛體積相對(duì)密度而言，瀝青幾乎未被開口空隙所吸附，此時(shí)的理論最大相對(duì)密度的體積包括礦料實(shí)體 ＋ 開口體積 ＋ 閉口體積。由于實(shí)際情況中瀝青具有一定流動(dòng)性，在集料表面存在一部分開口孔隙，導(dǎo)致瀝青不能填充所有集料表面的孔隙，此時(shí)混合料的體積包含瀝青體積、集料表觀體積、未被瀝青填充的開口空間的體積，稱為混合料的有效體積，相應(yīng)的計(jì)算得出的密度是理論上最大有效的相對(duì)密度。有效體積[3]是相對(duì)最符合實(shí)際情況的體積，介于表觀體積和毛體積之間，表觀相對(duì)密度測(cè)值是最大的，理論最大毛體積相對(duì)密度是最小的，有效相對(duì)密度處于兩者中間。現(xiàn)在越來越多研究發(fā)現(xiàn)采用集料有效相對(duì)密度計(jì)算出來的理論相對(duì)密度是最準(zhǔn)確的。

（2）實(shí)測(cè)法，分為真空法和溶劑法。我國(guó)現(xiàn)行方法中多采用真空法。真空法利用真空泵排出混合料空隙中的空氣，使空隙率接近于零，測(cè)得的密度更接近理論最大相對(duì)密度。試驗(yàn)操作對(duì)結(jié)果影響頗大，為避免集料與瀝青內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，要求瀝青混合料充分分散，細(xì)集料盡可能分散到 6.4 mm 以下，特殊情況下可以加入表面活性劑，還需考慮集料的吸水性大小。

真空法采用A類容器時(shí)的計(jì)算公式如式（2）[3]所示。

式中：γ t—瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度，無量綱；

ma—干燥混合料試樣的空氣質(zhì)量，g;

m1—負(fù)壓容器在 25 ℃ 水中的質(zhì)量，g;

m2—負(fù)壓容器與混合料一起于 25 ℃ 水中的質(zhì)量，g。

真空法比計(jì)算法更準(zhǔn)確，但也存在著很多會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的因素。如真空容器中的負(fù)壓值是否達(dá)到條件，抑或試驗(yàn)水溫的穩(wěn)定情況均會(huì)直接影響理論最大相對(duì)密度的測(cè)值準(zhǔn)確性。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著負(fù)壓值的降低，集料與瀝青的粘附性也會(huì)降低，理論相對(duì)密度測(cè)值會(huì)偏大。調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率主要是盡可能排除混進(jìn)集料、瀝青之間的空氣，氣泡未排除干凈，會(huì)導(dǎo)致理論最大相對(duì)密度結(jié)果偏小。

2 試驗(yàn)條件對(duì)理論最大相對(duì)密度的影響

現(xiàn)設(shè)計(jì) 3 種不同參數(shù)和不同級(jí)配，分別做 2 組平行試驗(yàn)，求平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1 所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)及其變化范圍

2.1 振動(dòng)頻率

對(duì)不同級(jí)配混合料用不同振動(dòng)頻率做兩組平行試驗(yàn)，求平均值，得到不同頻率下理論最大相對(duì)密度的變化情況。具體如圖 1、圖 2 所示。

圖1 AC-20 C

圖2 AC-20 F

由試驗(yàn)結(jié)果可知，密度隨著振動(dòng)頻率增加而升高，70～110 r/min 之間密度增速較快，超過 110 r/min 后其增速減慢，但當(dāng)頻率達(dá)到 140 r/min 后，水變得渾濁不清。原因是包裹在集料外的瀝青被振散和從集料表面脫離融入水中，使測(cè)得集料的理論相對(duì)密度偏大。因此在 110 r/min 以下的頻率下試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

2.2 試驗(yàn)水溫

針對(duì)不同級(jí)配及水溫條件下做兩組試驗(yàn)取其平均值，得到水溫與最大密度的關(guān)系如圖 3、圖 4 所示。

圖3 AC-20 C

圖4 AC-20 F

由試驗(yàn)結(jié)果可知，無論是 AC-20 C 還是 AC-20 F，水溫條件在 20～25 ℃ 下對(duì)密度試驗(yàn)的影響幾乎為零。隨著水溫不斷升高，瀝青逐漸被軟化，在混合料來回振動(dòng)的情況下，瀝青更容易脫落，容器中水出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，測(cè)得的理論相對(duì)密度則偏大。

因此，AC 瀝青混合料理論最大相對(duì)密度試驗(yàn)水溫最好是在 20～25 ℃ 之間。

2.3 抽真空時(shí)間

對(duì) AC-20 C 和 AC-20 F 料在不同抽真空時(shí)間情況下，做兩組試驗(yàn)，測(cè)定最大相對(duì)密度，取平均值為結(jié)果，作密度-真空時(shí)間關(guān)系圖如圖 5、圖 6 所示。

圖5 AC-20 C

圖6 AC-20 F

由試驗(yàn)結(jié)果可知，抽真空時(shí)間在前段時(shí)間內(nèi)，測(cè)得密度越來越大， 40 min 后密度趨于不變。對(duì)以粗集料為主的級(jí)配 AC-20 C 當(dāng)真空時(shí)間為 5～30 min 穩(wěn)步上升，30 min 之后對(duì)密度的影響不大，因此普通 AC-20 C 料可以按 30 min抽真空測(cè)密度。

對(duì)細(xì)集料偏多的 AC-20 F 料，從曲線圖可知，密度在5～15 min 內(nèi)上升，過了 15 min 后，上升幅度逐漸減小至穩(wěn)定不變。因此可按 15 min 抽真空時(shí)間測(cè)密度。

3 結(jié) 語(yǔ)

據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可采用的測(cè)定參數(shù)范圍如下。

（1）測(cè)定普通瀝青（AC-20 C、AC-20 F）混合料理論最大相對(duì)密度時(shí)，振動(dòng)頻率為 110 r/min。

（2）對(duì)于普通瀝青（AC-20 C、AC-20 F）混合料而言，最佳水溫溫度范圍為 20～25 ℃。

（3）抽真空時(shí)間，普通瀝青 AC-20 C 料為 30 min；AC-20 F 料為 15 min。