瀝青介質(zhì)法實測路面空隙率研究及應用

周衛(wèi)峰，李源淵，陳華鑫

(1.天津大學　管理與經(jīng)濟學部,天津　300073；2.天津市市政工程研究院，天津　300074；

3.長安大學　材料科學與工程學院，陜西　西安　710064)

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瀝青介質(zhì)法實測路面空隙率研究及應用

周衛(wèi)峰1,2，李源淵2，陳華鑫3

(1.天津大學管理與經(jīng)濟學部,天津300073；2.天津市市政工程研究院，天津300074；

3.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710064)

摘要：為克服目前瀝青路面空隙率檢測代表性及準確性差的缺點，研究開發(fā)直接實測瀝青路面芯樣最大理論相對密度及計算空隙率的瀝青介質(zhì)法，并應用于實際工程的質(zhì)量檢測與評定。研究結果表明，與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法克服了溶劑法與真空法的缺點，以熱瀝青為介質(zhì)，更準確地測定了瀝青芯樣的最大理論相對密度，因此準確性更高；瀝青介質(zhì)法直接利用芯樣本身的毛體積密度及最大理論相對密度計算芯樣空隙率，因此代表性更強；工程中只要有瀝青路面芯樣，便可應用瀝青介質(zhì)法實測其空隙率，而不需查閱施工時的混合料最大理論密度，因此應用更方便。利用瀝青介質(zhì)法實測的芯樣最大理論相對密度的變異性可準確評價瀝青路面的變異性；瀝青介質(zhì)法實測的路面空隙率與滲水系數(shù)有很好的相關關系。實際工程中，可方便地利用瀝青介質(zhì)法實測芯樣空隙率，其結果可作為路面質(zhì)量評價及質(zhì)量監(jiān)控的有效手段。

關鍵詞：道路工程；瀝青路面芯樣；瀝青介質(zhì)法；空隙率；理論最大相對密度

0引言

空隙率是表征瀝青路面內(nèi)在質(zhì)量的核心指標之一。瀝青路面所有性能如抗裂能力、抗車轍能力、抗水破壞及抗疲勞能力等，都與路面空隙率大小有密切關系[1-3]。研究表明，路面空隙率過大，將產(chǎn)生諸如唧漿、坑槽、推移、擁包等水破壞現(xiàn)象[4-7]?？障堵蔬^大同時也會導致二次壓密產(chǎn)生車轍[8-9]。空隙率過小又會出現(xiàn)泛油、車轍等破壞現(xiàn)象。因此在路面建設過程中，如能準確方便地得到新鋪筑的瀝青混凝土路面的空隙率，并根據(jù)空隙率狀況及時調(diào)整下一步施工工藝，將對提高瀝青路面質(zhì)量起到積極作用。

但是目前施工中檢測得到的空隙率并不能客觀準確地代表路面真實空隙率[10-12]，這主要是由于目前計算空隙率所用的最大理論相對密度的代表性差及難以準確測定所致。

一方面，目前工程中計算空隙率所用的最大理論相對密度是實驗室得到的一個固定值，代表了當天所有混合料的最大理論相對密度。但是，施工中油石比、級配、集料品種的變異、攤鋪及碾壓離析等都會導致路面最大理論相對密度出現(xiàn)變異。因此，實際上，路面每一點處，即每個路面芯樣的最大理論相對密度都是不同的，因此用不變的理論最大相對密度計算的路面空隙率是不準確的，難以代表路面真實空隙率。

另一方面，最大理論密度難以精確測定。目前最大理論相對密度的測定方法有溶劑法和真空法。溶劑法以三氯乙烯溶劑為介質(zhì)，將瀝青溶解，擬得到?jīng)]有空隙的混合料，但溶劑同時進入了集料的開口空隙，理論上其值偏大。真空法以水為介質(zhì)，擬通過真空負壓使得水進入松散混合料中，從而得到?jīng)]有空隙的混合料，但松散的混合料亦有閉口空隙，水很難進入，此法理論上其值偏小。

基于此，研究開發(fā)了實測路面芯樣最大理論相對密度的瀝青介質(zhì)法。該法以熱瀝青為介質(zhì)代替三氯乙烯及水，直接測定能夠代表路面實際狀況的芯樣的最大理論密度并計算芯樣空隙率，因此更準確、代表性更強。同時該法可作為工程質(zhì)量評價手段，對于評價路面施工質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)問題并指導施工具有積極的意義。

1試驗方法

1.1試驗方法原理

原理是將已完成相關試驗的瀝青混凝土芯樣晾干后，先用蠟封法測其毛體積相對密度γM，然后將帶蠟的瀝青混凝土芯樣放入容量合適的容器(盆)中在烘箱中化開，后加入大量熱瀝青淹沒混合料并攪拌排除氣泡，得到空隙率為零的狀態(tài)下芯樣的最大理論密度γL，后計算芯樣的空隙率VV。

1.2試驗方法

(1)采用蠟封法測定干燥芯樣毛體積相對密度γM，具體試驗方法見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》。

(2)瀝青介質(zhì)法測定芯樣最大理論相對密度。

(a)試驗用具：鋼勺、瀝青混合料容器(碗、盆等均可)、水中重法全套儀器、烘箱。

(b)稱量鋼勺和1#盆的空中質(zhì)量(M1)及水中質(zhì)量(M2)，稱量測定瀝青密度用2#盆的空中質(zhì)量(M6)及水中質(zhì)量(M7)。

(c)將裝有鋼勺及芯樣的1#盆放入160 ℃的烘箱中，芯樣處于分散狀態(tài)后保溫30 min；同時用烘箱加熱155～160 ℃(改性瀝青)或135～140 ℃(基質(zhì)瀝青)2～3 kg。

(d)取出裝有鋼勺及芯樣混合料的1#盆，快速準確稱量鋼勺、1#盆、芯樣的總質(zhì)量(M3)。將準備好的瀝青倒入1#盆中，直至淹沒芯樣混合料，并迅速用鋼勺攪拌約1 min，排出氣泡；同時將瀝青倒入2#盆中，不攪拌。后置于溫度160 ℃的烘箱中，每隔30 min攪拌一次以排除氣泡，共攪拌3次，工作完成后取出1#及2#盆，在室溫下放置12 h以上。

(e)稱量裝有鋼勺、瀝青及芯樣混合料的1#盆的總質(zhì)量(M4)及水中質(zhì)量(M5)。

(f)稱量裝有瀝青的2#盆的總質(zhì)量(M8)及水中質(zhì)量(M9)。

(g)計算瀝青混合料最大理論相對密度，公式如下：

(3)計算芯樣的空隙率VV。

2試驗方法說明

(1)瀝青介質(zhì)法的創(chuàng)新點是：首先該法能夠直接測定代表瀝青路面真實狀況的芯樣最大理論相對密度(不再是固定值)，解決了代表性差的問題；同時以熱瀝青替代水或三氯乙烯，作為排除氣泡的介質(zhì)，理論上可得到真正的空隙率為零的混合料密度，解決了準確性差的問題。

(2)對瀝青介質(zhì)法與真空法試驗結果的變異性、復現(xiàn)性進行比較發(fā)現(xiàn)，真空法實測結果的變異系數(shù)是瀝青介質(zhì)法的1.8倍，瀝青介質(zhì)法的復現(xiàn)性也更好。

(3)由于該法直接實測芯樣的最大理論相對密度，因此與傳統(tǒng)方法相比，計算得到的空隙率也是更準確的芯樣空隙率，它準確地代表了路面的空隙率狀況。

(4)由于路面空隙率差別較大，根據(jù)研究結果，空隙率在1%～14%之間，因此為保證試驗的準確性及代表性，瀝青混凝土芯樣的毛體積密度用蠟封法測定。

(5)方法中瀝青的密度同時與其他樣品采用水中重法測定，試驗條件相同，得到的瀝青密度結果真實可靠。

3應用及結果

3.1利用芯樣即可方便準確地測得已建路面的空隙率

已建路面出現(xiàn)損壞后，僅就路面及材料而言，以往的做法是需要調(diào)查施工中混合料的油石比、級配、壓實度及空隙率等是否合格。在需現(xiàn)場進行實際檢測而不是調(diào)查資料的情況下，油石比及級配可通過對路面混合料取樣進行抽提篩分得到。但對于壓實度及空隙率，除需鉆芯并進行芯樣密度試驗外，還必須調(diào)查施工當天的混凝土最大理論密度及擊實試驗的試件密度。姑且不論數(shù)據(jù)的真實性，僅就其代表性而言，所得到的空隙率及壓實度對于評價路面的破壞原因也是不客觀的。

采用瀝青介質(zhì)法，則沒有必要調(diào)查施工資料，只需采用此法實測所取芯樣的最大理論相對密度，然后根據(jù)其毛體積密度計算空隙率，結果準確代表了路面的空隙率狀況。一方面非常方便，避免了查閱數(shù)據(jù)的麻煩及由數(shù)據(jù)的真實性帶來的偏差;另一方面，準確、客觀地評價了真實的路面空隙率狀況。

某快速路路面建成后半年約10 km的路面出現(xiàn)了嚴重的坑槽、唧漿、推移等水破壞現(xiàn)象，為確定破壞原因，現(xiàn)場共取芯5個，并根據(jù)查閱的施工檔案，計算了空隙率及壓實度，發(fā)現(xiàn)空隙率、壓實度等數(shù)據(jù)均合格，如表1所示：

表1空隙率及壓實度數(shù)據(jù)

Tab.1Data of air voids and compactness

蠟封法毛體積相對密度施工時最大理論相對密度施工時馬歇爾相對密度空隙率/%壓實度/%2.3462.5072.3656.499.22.3522.5122.3886.498.52.4012.5082.4154.399.42.3392.5082.3416.799.92.3582.5232.3916.598.6

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)破壞路段的瀝青、集料的各項指標均滿足要求，空隙率平均值為6.1%，代表值為7.7%，屬于較理想的空隙率。為深層次探究其破壞原因，對該路段的5個芯樣換用瀝青介質(zhì)法實測了芯樣的空隙率，實測結果見表2。

由表2可知，換用瀝青介質(zhì)法實測路面空隙率后，實測的芯樣空隙率平均值為7.9%，代表值達到9.9%，空隙率過大，因此可以判定，此段路面的水破壞現(xiàn)象主要由于壓實不足，空隙率過大造成的。

表2　瀝青介質(zhì)法實測芯樣空隙率數(shù)據(jù)

3.2利用實測最大理論相對密度評價施工變異性

施工的變異是油石比的變異、集料種類的變化、級配的離析、施工壓實的變異等等綜合形成的，而這種變異最終綜合反映到攤鋪后的路面上，這種施工的變異對路面造成的影響往往難以量測。而目前在施工過程中，只能在實驗室定量監(jiān)控油石比和級配的變異，而這并不能準確反映施工后的路面質(zhì)量情況并有效控制工程質(zhì)量。

根據(jù)瀝青介質(zhì)法測定的瀝青混凝土芯樣的最大理論密度的變化情況，可以綜合判定路面質(zhì)量的變異情況。

鉆取天津某高速公路的中、表面層的芯樣(每1 km鉆芯一個)，采用瀝青介質(zhì)法實測了芯樣的最大理論相對密度及空隙率,如圖1～圖4所示。

圖1　某高速公路表面層芯樣最大理論相對密度變化Fig.1　Change of theoretical maximum relative density of core samples from surface layer of an expressway

圖2　某高速公路表面層空隙率變化Fig.2　Change of air voids of surface layer of an expressway

圖3　某高速公路中面層芯樣最大理論相對密度變化Fig.3　Change of theoretical maximum relative density of middle layer of an expressway

圖4　某高速公路中面層空隙率變化Fig.4　Change of air voids of middle layer of an expressway

由圖1～圖4可以看出：

(1)如以小于等于6%作為施工后路面空隙率的標準，那么實測中面層空隙率的合格率明顯高于表面層，表面層樁號1～13及23～27兩段存在嚴重的水破壞隱患，后對此兩段在通車前采用霧封層進行了預處理，以降低出現(xiàn)早期的水破壞的風險。

(2)假設中表面層施工時級配、油石比、攤鋪、集料等都是均勻的，即在理想情況下，芯樣實測的最大理論相對密度不變，可以根據(jù)最大理論相對密度的變化情況來綜合評價瀝青混凝土路面的施工變異性。

由圖4可以看出，中面層最大理論相對密度的值位于2.56～2.63之間，其標準差為0.018，變異系數(shù)為0.69%。表面層位于2.50～2.65之間，其標準差為0.034 8，變異系數(shù)為1.348%。表面層的最大理論相對密度的標準差和變異系數(shù)均為中面層的1.8倍以上。從變異的角度來看，中面層的施工質(zhì)量明顯優(yōu)于表面層。

3.3準確評價路面質(zhì)量

空隙率是衡量瀝青路面施工質(zhì)量的重要指標。通常在進行瀝青路面質(zhì)量監(jiān)控時，將瀝青混合料的最大理論密度作為一個不變量，來計算施工后瀝青混合料的芯樣空隙率。由于施工離析等因素的影響，正如本研究所證明的，瀝青混合料的最大理論密度并不是一個常量，因此會造成實際空隙率計算上的誤差，以及對空隙率真實水平的誤判，對瀝青路面的使用壽命產(chǎn)生潛在的不利影響。

以本研究所取表面層芯樣為例，查閱施工資料，表面層施工中實驗室實測的最大理論相對密度為2.560～2.562，據(jù)此計算的空隙率與瀝青介質(zhì)法計算的空隙率對比見圖5。其中細線為用瀝青介質(zhì)法實測的空隙率。

圖5　表面層空隙率對比圖Fig.5　Comparison of air voids of surface layer

由圖5可見，傳統(tǒng)方法與瀝青介質(zhì)法測定的空隙率存在著較大的差別，其最大空隙率差值達到2.9%，27個芯樣空隙率平均差值達到1.8%，如此大的差值不可能準確評價路面質(zhì)量。用瀝青介質(zhì)法實測的空隙率數(shù)據(jù)表明，樁號1～13路面空隙率大于8%，其質(zhì)量是不合格的，是需要進行處理的段落，但傳統(tǒng)方法評價結果則表明此段路面空隙率是合格的，這無疑將留下質(zhì)量隱患。對于中面層，傳統(tǒng)方法與本方法得到的空隙率最大差值為1.5%，平均差值為0.8%，雖然這是由于中面層質(zhì)量控制較好，最大理論相對密度相差不大的原因，但此差值仍會對準確評價路面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

基于此，與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法實測瀝青路面芯樣空隙率更能準確反映路面質(zhì)量。

4瀝青介質(zhì)法實測路面空隙率與滲水的關系

在某新建高速公路上進行了空隙率與滲水系數(shù)關系的試驗。先進行滲水試驗，后在滲水儀正下方取芯，用瀝青介質(zhì)法測芯樣空隙率?？障堵逝c滲水系數(shù)關系見圖6。

1.要使每個海外員工了解將要去的國家的社會概況、風俗習慣、地理環(huán)境氣候等相關知識及一定的防恐知識。每名赴馬來西亞項目施工的員工，出國之前都參加了國際工程分公司組織的HSE 培訓班及集團公司的防恐培訓，了解了馬來西亞的風土人情，具備了一定的緊急事件處理、生存自救能力。

圖6　滲水系數(shù)與空隙率關系Fig.6　Relationship between permeability coefficient and air voids

由圖6看出，滲水系數(shù)與空隙率有很好的相關關系，當空隙率大于6%時，滲水系數(shù)急劇增大。因此一方面驗證了瀝青介質(zhì)法實測空隙率的可靠性；另一方面，建議實體工程采用瀝青介質(zhì)法實測空隙率時采用小于等于6%的標準。

5結論

(1)瀝青介質(zhì)法實測瀝青混合料芯樣最大理論密度及空隙率方法簡單，理論上可行，不需專門儀器設備，且試驗條件固定，人為因素影響小，可以真實得出路面真正的空隙率，對于評價路面施工質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)路面施工問題具有一定的應用價值。

(2)瀝青介質(zhì)法實測的瀝青混凝土的最大理論相對密度的變化情況可以較準確地反映實體工程質(zhì)量的變異情況，可進一步研究并提出標準，以控制瀝青路面的質(zhì)量。與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法實測的空隙率能夠更準確地反映路面空隙率真實狀況。

(3)瀝青介質(zhì)法實測空隙率與滲水系數(shù)有很好的相關關系，當空隙率大于6%時，滲水系數(shù)急劇增大，建議實體工程采用瀝青介質(zhì)法實測空隙率時采用小于等于6%的標準。

(4)工程應用中，可很方便地將瀝青介質(zhì)法作為路面質(zhì)量控制輔助手段。具體做法是，每天將完成密度試驗的芯樣(過去廢棄不用)采用瀝青介質(zhì)法，實測芯樣空隙率，評價路面質(zhì)量及變異性。這樣既充分利用了廢棄芯樣，又方便地增加了一項評價路面質(zhì)量的指標，對進一步提高工程質(zhì)量具有積極的意義。

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Study and Application of Asphalt Medium Method for Measuring Pavement Air Void

ZHOU Wei-feng1，LI Yuan-yuan2，CHEN Hua-xin3

(1.College of Management and Economics, Tianjin University,Tianjin 300073,China;2.Tianjin Municipal Engineering Research Institute, Tianjin 300074,China;3. School of Materials and Engineering, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China)

Abstract：In order to overcome the disadvantages of poor representation and the accuracy in current air voids of asphalt pavement testing, we researched and developed the asphalt medium method for direct measuring asphalt pavement core samples’ largest theory relative density and calculating air voids, and applied it for quality inspection and evaluation of practical projects. The research result shows that(1) Compared with traditional method, the asphalt medium method overcame the drawbacks of solvent method and vacuum method, using heat asphalt as medium, it can more accurately measure the largest theory relative density of asphalt core samples, so the accuracy is higher.(2) The asphalt medium method directly uses the core samples’ bulk density and largest theory relative density for core samples’ air voids calculation, it has stronger representation.(3) As long as there is core samples from asphalt pavement, the asphalt medium method can be used for measuring its air voids, and it does not need to consult the maximum theoretical density of mixture for construction, so the application is more convenient. The variability of the measured largest theory relative density of core samples using the asphalt medium method can accurately evaluate the variability of the asphalt pavement.(4) There is a good relationship between the measured pavement air voids and the water seepage coefficient measured by the asphalt medium method. In practical projects, the method can be easily used for measuring the air voids of asphalt core samples, the result can be used for pavement quality evaluation and quality control.

Key words：road engineering; asphalt pavement core sample; asphalt medium method; air voids; maximum theoretical relative density

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.002

作者簡介：周衛(wèi)峰(1971-)，男，陜西韓城人，正高級工程師，博士后.( zhouweifeng0000@126.com)

基金項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-10-0277)

收稿日期：2015-05-06