瀝青混凝土空隙率與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

劉增宏，黃 昊，郝巨濤，汪正興

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

瀝青混凝土空隙率系指壓實(shí)瀝青混凝土中空隙的體積占瀝青混凝土總體積的百分率，空隙率的大小反映瀝青混凝土的密實(shí)度，在瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制中有著舉足輕重的作用，可以說，瀝青混凝土空隙率是檢測(cè)和評(píng)價(jià)瀝青混凝土施工質(zhì)量的最直接最有效的指標(biāo)。

瀝青混凝土的功用不同，對(duì)其空隙率（密實(shí)度）的大小要求不同，如防滲層對(duì)瀝青混凝土的抗?jié)B要求高，空隙率要求不超過3%。整平層和排水層要求瀝青混凝土具有排水功能，而要求空隙率較大。寶泉抽水蓄能電站瀝青混凝土面板工程要求防滲層空隙率≤3.0%，整平層空隙率10%～14%。

瀝青混凝土空隙率大小首先與混合料配合比有關(guān)，礦料級(jí)配越細(xì)，瀝青含量越高，空隙率越小，反之，則越大。所以在配合比試驗(yàn)階段，空隙率是確定最優(yōu)級(jí)配和最佳瀝青含量的重要指標(biāo)之一[1-2]。其次，空隙率與碾壓荷載和碾壓溫度等施工條件有關(guān)，在合適的溫度條件下，荷載越大，空隙率越小，其中，碾壓溫度很重要，溫度過高，混合料更接近不可壓縮流體，無(wú)法承受碾壓荷載，所以不可能充分壓實(shí)；溫度過低，瀝青混凝土已失去應(yīng)有的黏塑性，同樣不能有效壓實(shí)。所以，水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范（DL/T5363-2006）對(duì)瀝青混合料的碾壓溫度要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)確定，這是場(chǎng)外工業(yè)性試驗(yàn)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

瀝青混凝土配合比是決定其空隙率的內(nèi)因，首先配合比決定了混合料松散狀態(tài)下的空隙率，其次決定瀝青混合料的可壓縮性（當(dāng)然這種可壓縮性與溫度等條件有關(guān)），最終決定可能達(dá)到的最小空隙率（極限密實(shí)度）；碾壓條件（荷載、溫度等）是決定空隙率（密實(shí)度）的外因，是實(shí)現(xiàn)混合料從松散空隙率到最小空隙率變化的條件。在寶泉上水庫(kù)瀝青混凝土面板工程工業(yè)性試驗(yàn)階段，通過對(duì)不同類型的瀝青混合料采用不同的擊實(shí)次數(shù)成型馬歇爾試件，測(cè)試其空隙率，并且與合同要求的空隙率指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。一方面檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)碾壓效果，另一方面檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓效果與室內(nèi)擊實(shí)次數(shù)的相關(guān)性。

2 整平層瀝青混凝土空隙率和擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

整平層瀝青混凝土配合比見表1。工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工工藝為：攤鋪溫度145℃～180℃；初碾溫度120℃～140℃；終碾溫度100℃～120℃；碾壓設(shè)備3.6tHAMM振動(dòng)碾；碾壓遍數(shù)為動(dòng)碾2遍、3遍、4遍，靜碾2遍。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)芯樣進(jìn)行密度和空隙率檢測(cè)反映現(xiàn)場(chǎng)碾壓效果。整平層現(xiàn)場(chǎng)取芯密度及空隙率測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 整平層瀝青混凝土配合比

表2 整平層現(xiàn)場(chǎng)取芯密度及空隙率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表2中芯樣密度及空隙率測(cè)試結(jié)果碾壓2遍、3遍、4遍的效果非常接近，而且均滿足工程設(shè)計(jì)要求，故從施工效率考慮，碾壓2遍經(jīng)濟(jì)合理。

現(xiàn)場(chǎng)取混合料樣品室內(nèi)成型馬歇爾試件，成型溫度和現(xiàn)場(chǎng)一致，140℃±5℃，采用不同擊實(shí)次數(shù)。瀝青混合料的最大密度（理論密度）為2.570g/cm3。試件的密度和空隙率測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，整平層瀝青混凝土的密度隨擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，空隙率隨擊實(shí)次數(shù)的增加而減小，密度和空隙率的變化梯度均隨擊實(shí)次數(shù)的增加急劇衰減。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)增加到一定程度，密度和空隙率都不再明顯變化。說明擊實(shí)次數(shù)增加到一定程度，不再產(chǎn)生擊實(shí)效果。表3測(cè)試結(jié)果的相關(guān)關(guān)系見圖1。整平層瀝青混凝土密度/空隙率和擊實(shí)次數(shù)的擬合曲線可表示為：

式中：ρ為密度，g/cm3；v為空隙率，%；n為擊實(shí)次數(shù)。

式（1）、式（2）用通式表示為：

式中：β為瀝青混凝土的壓縮指數(shù)；A為理論密度與可通過壓縮實(shí)現(xiàn)的密度之差值；ρmax為可壓縮的當(dāng)量密度；B為理論密度與極限密度之差值。

根據(jù)式（3）、式（4）可以解釋瀝青混凝土的壓實(shí)過程。

表3 整平層瀝青混凝土馬歇爾試件密度/空隙率與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系測(cè)試結(jié)果

圖1 整平層瀝青混凝土密度和空隙率與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系曲線

當(dāng)n=∞時(shí)，瀝青混凝土的極限密度ρ∞=ρmax-B，極限密度對(duì)應(yīng)瀝青混凝土最小空隙率。B是理論密度和極限密度之差值，也就是說，B是不能通過壓縮實(shí)現(xiàn)的當(dāng)量密度。

當(dāng)n=0時(shí)，瀝青混合料處于松散狀態(tài)，瀝青混合料的松散密度ρ0=A-B，松散密度對(duì)應(yīng)瀝青混凝土最大空隙率。A=ρ0+B，即A是松散密度與不能通過壓縮實(shí)現(xiàn)的當(dāng)量密度之和，ρmax-A是可壓縮的當(dāng)量密度，擊實(shí)功效大小是可壓縮的當(dāng)量密度轉(zhuǎn)化程度。

β是一個(gè)重要指標(biāo)，可定義為瀝青混凝土的壓縮指數(shù)。β越大，密度和空隙率的變化梯度隨擊實(shí)次數(shù)的增加衰減程度越快。也就是說，β越大，實(shí)現(xiàn)擊實(shí)功效更容易，達(dá)到極限密度更容易，需要的擊實(shí)次數(shù)更少。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說，更容易碾壓密實(shí)。通過比較不同配比的瀝青混合料的β值大小，可以比較它們的可壓實(shí)性?？梢灶A(yù)想，在配合比設(shè)計(jì)初期，可以通過選取不同的級(jí)配曲線，拌制瀝青混合料，以不同的擊實(shí)次數(shù)成型馬歇爾試件，測(cè)試其密度及空隙率，計(jì)算壓縮指數(shù)，將其作為一項(xiàng)重要指標(biāo)納入配比初選。當(dāng)然，這也需要進(jìn)行更深入更細(xì)致的研究工作。

寶泉工程整平層瀝青混凝土理論密度ρmax=2.568g/cm3，瀝青混合料的松散密度（n=0時(shí)）ρ0=2.007-0.297=1.710g/cm3，對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土最大空隙率為33.4%；極限密度ρ∞=ρmax-B=2.271g/cm3，不能通過壓縮實(shí)現(xiàn)的密度B=2.568-2.271=0.297g/cm3，對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土最小空隙率11.6%。根據(jù)式（1）計(jì)算得到不同擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的整平層瀝青混凝土密度和空隙率見表3。從表3可以看出，整平層瀝青混凝土室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)達(dá)到35次以上，基本才可以接近極限密度。對(duì)照表2和表3，可以看出，現(xiàn)場(chǎng)芯樣密度及空隙率基本上相當(dāng)于室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)18～20次以上，所以整平層室內(nèi)馬歇爾試件的擊實(shí)次數(shù)確定為20次是合理的。

寶泉工程瀝青混凝土整平層現(xiàn)場(chǎng)通過核子密度儀檢測(cè)密度（空隙率）共1 674點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。根據(jù)式（1）反算得出的等效擊實(shí)次數(shù)也列入表4。

表4 寶泉工程瀝青混凝土整平層現(xiàn)場(chǎng)密度和空隙率測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4中反算的現(xiàn)場(chǎng)密實(shí)度等效擊實(shí)次數(shù)也同樣證實(shí)整平層施工密實(shí)度相當(dāng)于室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)18～20次以上，平均28次，是對(duì)表2及表3試驗(yàn)結(jié)果最有力的實(shí)踐檢驗(yàn)。

3 防滲層瀝青混凝土空隙率和擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

寶泉工程防滲層瀝青混凝土配合比見表5。

表5 防滲層瀝青混凝土配合比

工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工工藝為：攤鋪溫度160～180℃；初碾溫度130～150℃；終碾溫度100～120℃；碾壓設(shè)備3.6tHAMM振動(dòng)碾；碾壓遍數(shù)為動(dòng)碾2遍、靜碾2遍。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取芯的芯樣進(jìn)行密度和空隙率試驗(yàn)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)碾壓效果。防滲層現(xiàn)場(chǎng)取芯密度及空隙率測(cè)試結(jié)果見表6。

現(xiàn)場(chǎng)取混合料樣品室內(nèi)成型馬歇爾試件，成型溫度和現(xiàn)場(chǎng)一致，140℃±5℃，采用不同擊實(shí)次數(shù)擊實(shí)。瀝青混合料的最大密度（理論密度）為2.470g/cm3。試件的密度和空隙率測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 防滲層瀝青混凝土馬歇爾試件密度/空隙率與擊實(shí)次數(shù)關(guān)系測(cè)試結(jié)果

從表7中可以看出，瀝青混凝土的密度隨擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，空隙率隨擊實(shí)次數(shù)的增加而減小，密度和空隙率的變化梯度均隨擊實(shí)次數(shù)的增加在急劇衰減。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)增加到一定程度，密度和空隙率都不再明顯變化。說明擊實(shí)次數(shù)增加到一定程度，不再產(chǎn)生擊實(shí)效果。聯(lián)系到現(xiàn)場(chǎng)，碾壓到一定程度，碾壓遍數(shù)的增加不再產(chǎn)生碾壓效果。否則，過分碾壓可能會(huì)產(chǎn)生裂縫等問題，表7測(cè)試結(jié)果的相關(guān)關(guān)系見圖2。

防滲層瀝青混凝土密度/空隙率和擊實(shí)次數(shù)的擬合曲線可表示為：

式中：ρ為密度，g/cm3；v為空隙率，%；n為擊實(shí)次數(shù)。

就寶泉工程防滲層瀝青混凝土而言，瀝青混凝土理論密度ρmax=2.470g/cm3，瀝青混合料的松散密度ρ0=A-B=2.226-0.021=2.205g/cm3，對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土最大空隙率為10.8%；極限密度ρ∞=ρmax-B=2.449g/cm3，不能通過壓縮實(shí)現(xiàn)的當(dāng)量密度B=2.470-2.449=0.021g/cm3，對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土最小空隙率0.9%。

根據(jù)式（5）計(jì)算得到不同擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的防滲層瀝青混凝土密度和空隙率見表7。從表7可以看出，防滲層瀝青混凝土室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)達(dá)到15～18次，基本就可以達(dá)到極限密度，所以室內(nèi)馬歇爾試件的擊實(shí)次數(shù)20次是比較合理的。所測(cè)得的密度接近極限密度，空隙率接近最小值。根據(jù)式（5）反算現(xiàn)場(chǎng)取芯芯樣的密度和空隙率等效擊實(shí)次數(shù)見表8。

圖2 防滲層瀝青混凝土密度和空隙率與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

表8 現(xiàn)場(chǎng)取芯芯樣密度/空隙率對(duì)應(yīng)的等效擊實(shí)次數(shù)

寶泉工程瀝青混凝土防滲層現(xiàn)場(chǎng)通過核子密度儀檢測(cè)密度（空隙率）共2 022點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9。根據(jù)式（1）反算得等效擊實(shí)次數(shù)也列入表9。

表9 寶泉工程瀝青混凝土防滲層現(xiàn)場(chǎng)密度/空隙率測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表8、表9中可以看出，防滲層現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果相當(dāng)于室內(nèi)馬歇爾試件（正反面）擊實(shí)5～12次，平均7次。這就是為什么防滲層室內(nèi)馬歇爾試件空隙率總是比現(xiàn)場(chǎng)空隙率小的原因。

4 結(jié)論

（1）瀝青混凝土存在極限密度和不可壓縮當(dāng)量密度，對(duì)應(yīng)的空隙率是最小空隙率；（2）瀝青混凝土的壓縮指數(shù)β是一個(gè)重要參數(shù)，β值越大，達(dá)到極限密度（最小空隙率）所需要的擊實(shí)次數(shù)越少。寶泉工程整平層壓縮指數(shù)0.131，接近極限密度需擊實(shí)35次以上。防滲層壓縮指數(shù)0.258，接近極限密度需擊實(shí)18～20次以上；（3）寶泉工程防滲層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)密實(shí)度（空隙率在1.0～3.0%之間）相當(dāng)于室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)5～12次，平均7次；（4）寶泉工程整平層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)密實(shí)度（空隙率在11.1～14.5%之間）相當(dāng)于室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)16～50次以上，平均28次；（5）研究不同品種礦料、不同級(jí)配、不同瀝青含量瀝青混合料的可壓縮性能，提出理想的瀝青混凝土初選參數(shù)，是一個(gè)有待于進(jìn)一步深入研究的課題。

[1]丁樸榮.水工瀝青混凝土材料選擇與配合比設(shè)計(jì)[M].北京：水利電力出版社，1990.

[2]岳躍真，郝巨濤，等.水工瀝青混凝土防滲技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.