剪切壓實儀壓實均勻性研究*

李偉聰 龔僥斌 李 浩

(廣東華路交通科技有限公司1) 廣州 510420) (廣州大學(xué)土木工程學(xué)院2) 廣州 510006)

0 引 言

落錘擊實、旋轉(zhuǎn)壓實、剪切壓實是成型瀝青混合料試件的三種主要方式，其典型的成型設(shè)備分別為馬歇爾擊實儀、旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)、剪切壓實儀(SBC).不同成型原理制備試件的均勻性相差較大，而瀝青混合料試件均勻性與其力學(xué)性能試驗結(jié)果息息相關(guān)，試件越均勻，試驗結(jié)果越可靠，反之亦然[1].衡量試件均勻性的有效指標是瀝青混合料的重要設(shè)計參數(shù)——空隙率.為此，測試試件的空隙率分布規(guī)律便可把握其均勻性.

Hall等[2]利用Superpave混合料和變水頭滲透儀進行空隙率路徑試驗，表明空隙大多數(shù)處于橫截面表面以下25 mm；Masad等[3]利用CT和圖像分析技術(shù)研究旋轉(zhuǎn)壓實成型試件空隙分布規(guī)律，結(jié)果表明，試件空隙分布呈現(xiàn)浴盆狀，多數(shù)空隙集中于試件的上部和下部；裴建中等[4]利用分形理論研究了PAC空隙數(shù)量、空隙率沿試件高度方向分布情況；吳文亮等[5]采用CT技術(shù)對比研究了采用馬歇爾、旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件空隙分布，表明前者空隙率沿試件深度方向不斷變化，后者在30～105 mm高度范圍內(nèi)空隙率分布均勻；郭乃勝等[6]利用CT和數(shù)字圖像處理技術(shù)對比分析了3種級配類型、2種成型方法、不種壓實功下的試件空隙分布特征，提出了沿著試件高度方向三段式劃分方法，并建立了空隙率預(yù)測模型.

現(xiàn)有研究對落錘擊實、旋轉(zhuǎn)壓實兩種方式成型試件的空隙率分布規(guī)律研究較多，對新型的剪切壓實成型試件的空隙率分布規(guī)律研究較少.為此，本文通過對比分析不同裝料方式對空隙空間分布的影響，在確定合理裝料方式的基礎(chǔ)上，采用CT掃描法和逐層切割法研究并得到了剪切壓實成型試件的空隙分布規(guī)律，并與常規(guī)落錘擊實、旋轉(zhuǎn)壓實成型試件空隙分布特性進行對比.

1 試驗材料

1.1 瀝青

瀝青膠結(jié)料選用韓國SK改性瀝青，參照文獻[7]進行相關(guān)指標測試,瀝青主要技術(shù)指標見表1.

1.2 集料

粗集料為廣西貴港石牛嶺料場的輝綠巖，細集料、礦粉為馬水鎮(zhèn)馬蘭石場的石灰?guī)r，集料性能指標分別見表2～4.集料和礦粉各指標均滿足規(guī)范要求.

表1 瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

表2 粗集料檢測結(jié)果

表3 細集料檢測結(jié)果

表4 礦粉檢測結(jié)果

1.3 配合比設(shè)計

采用廣東省典型級配GAC-16，瀝青混合料合成級配見表5.

表5 GAC-16瀝青混合料合成礦料級配組成

2 試件制備

不同于馬歇爾的擊實和旋轉(zhuǎn)壓實的旋轉(zhuǎn)揉搓，SBC通過提供一個恒定的壓力及恒定剪切角的循環(huán)剪切力，來模擬現(xiàn)場壓實機具的剪切揉搓壓實行為.

SBC成型時需要約30 kg瀝青混合料，試件尺寸大、約束小，集料在試模中的移動與實際路面壓實行為更接近.

采用SBC制備試件，按照馬歇爾設(shè)計方法確定最佳油石比為4.7%，成型溫度為140 ℃，剪切壓實儀剪切角為4°，垂直壓力為0.7 MPa，壓實頻率16 s/周期，試件成型尺寸為450 mm×150 mm×170 mm.

3 裝料操作對試件均勻性影響

室內(nèi)裝料操作方式對瀝青混合料空隙率分布影響顯著，文獻[7]對瀝青混合料裝料操作有明確規(guī)定：擊實法要求用小鏟將混合料鏟入試模后，用熱的插刀沿周邊插搗15次、中間10次，插搗完后將混合料表面找平；輪碾法要求裝料時用小鏟拌合均勻后，沿試模由邊至中按順序轉(zhuǎn)圈裝模，中部要略高于四周，再用預(yù)熱的擊實錘由邊至中轉(zhuǎn)圈夯實整平成凸圓弧形；文獻[8]要求混合料分三層裝入試模，每層用鏟搗實5次.

然而，目前卻并無規(guī)范或文獻研究剪切壓實儀裝料操作方式對試件均勻性的影響.若直接套用其他成型方法的裝料方式，難以確?；旌狭暇鶆蚍植迹旌狭系姆植疾痪锌赡軐?dǎo)致同一批試件性能試驗結(jié)果離散性較大，從而對性能試驗結(jié)果的精度造成較大影響.同時，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范、研究成果及瀝青混合料性能試驗對試件空隙率的要求，約定空隙率與目標值的偏差小于等于0.5%的為均勻試件；超出此范圍，為不均勻試件.

為了避免因裝料方式的隨意性造成試驗結(jié)果可比性差的現(xiàn)象，采用兩種不同裝料操作方式分別成型剪切壓實試件，并對成型的試件進行切割，然后分別測試其毛體積密度，對比分析不同裝料操作方式的差異，以確定合理的裝料方式.

方法一 直接將拌和好的瀝青混合料一次性全部倒入試模，用熱的鐵棒沿周邊插搗15次、中間10次，插搗完畢后將混合料表面找平.

方法二 將拌和好瀝青混合料分三次倒入試模，每次倒入的質(zhì)量相當(dāng)，每倒一次后的處理方法同方法一.

試件成型尺寸為長×寬×高=450 mm×150 mm×170 mm，對兩組試件沿高度方向進行均勻切割，編號為上、中、下，并將切割后的三塊試件二次切割，每塊試件切割成兩根長380 mm、厚度50 mm、寬度63.5 mm的四點疲勞小梁試件.分別測試六根小梁試件的空隙率，整塊試件的空隙率取六根小梁試件空隙率的平均值，計算結(jié)果見表6.六根小梁的空隙率分布見圖1.

表6 兩種裝料方法的整塊試件空隙率

圖1 兩種裝料操作空隙分布情況

由圖1和表6可知，采用方法一成型試件的空隙率、極差、標準差及變異系數(shù)均大于方法二，表明后者成型試件的空隙率分布更均勻，且上、中、下三塊試件空隙率差值不超過0.5%，滿足瀝青混合料性能試驗對空隙率差異性的要求.因此，將方法二作為剪切壓實儀標準的裝料方法.

作風(fēng)問題從本質(zhì)上說是黨性問題，反映的是黨的純潔性與先進性。加強作風(fēng)修養(yǎng)是黨性修養(yǎng)的基礎(chǔ)問題，體現(xiàn)的是我們黨的人格力量與魅力。目前高校黨建工作存在的許多問題與“四風(fēng)”息息相關(guān)，或者說是“四風(fēng)”衍生出來的產(chǎn)物。糾正“四風(fēng)”永遠不能止步，要從我做起，從身邊小事做起，以身作則，率先垂范，言出必行，說到做到。要以踏石留印、抓鐵有痕的勁頭與壯士斷腕的果敢勇氣，緊抓不放，永不懈怠，善始善終，善做善成。加強作風(fēng)修養(yǎng)要踐行黨全心全意為人民服務(wù)的宗旨，自覺接受群眾批評與監(jiān)督，經(jīng)得起群眾與時代的考驗。

4 試件空隙空間分布規(guī)律

4.1 CT掃描法

工業(yè)計算機斷層成像(industrial computed tomograph，工業(yè)CT)是一種借助計算機將X線斷層掃描裝置掃描的斷面再現(xiàn)出來的一種全新成像技術(shù)，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式能清晰、準確、直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的信息特征.該技術(shù)可從微觀角度研究瀝青混合料空隙率分布規(guī)律.

由于剪切壓實成型試件為大體積長方體試件，試件截面尺寸為450 mm×150mm，而CT機掃描視野有限，不能掃描整個截面全部圖像，因此，對立方體試件取芯，芯樣尺寸：直徑100 mm、高度170 mm.

在處理瀝青混合料內(nèi)部空隙特性前，應(yīng)對掃描圖片做灰度處理.CT定量描述的是CT數(shù)，利用CT數(shù)實時反饋功能對瀝青混合料圖像中的集料、瀝青膠漿及空隙各組分進行深入識別.根據(jù)文獻[9-10]研究結(jié)論：確定CT數(shù)大于1 950的圖像代表粗集料；CT數(shù)在1 200～1 950之間的圖像代表瀝青膠漿；CT數(shù)小于1 200的圖像代表空隙.處理前后效果見圖2.

圖2 灰度處理試件前后圖

將掃描后的圖像進行灰度處理后，運用Image-Pro Plus6.0圖像分析軟件對圖像進行空隙提取處理，見圖3.利用面空隙率表征混合料不同深度下截面空隙分布的均勻性.面空隙率的計算式為

(1)

式中:VVarea為面空隙率；Ssection為截面上空隙的像素點面積；Stotal為圓截面的面積.

圖3 空隙提取處理(試件中黑色為空隙)

按照上節(jié)提出的標準裝料方法，應(yīng)用SBC成型三種目標空隙率(2%，3%，4%)下的試件，取芯后，對芯樣進行不同深度處截面面空隙率的統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖4.

圖4 不同目標空隙率試件CT掃描空隙分布情況

由三種目標空隙率下剪切壓實成型的試件內(nèi)部空隙分布規(guī)律可知：空隙率沿剪切壓實成型高度方向呈現(xiàn)兩頭大、中間小的類“U”形分布規(guī)律，且在沿高度方向30～150 mm的范圍內(nèi)，試件內(nèi)部空隙率與設(shè)計值偏差在±0.5%范圍內(nèi).

4.2 逐層切割法

對試件沿高度方向逐層切割，測試每塊試件的毛體積密度，通過與最大理論密度的關(guān)系求出空隙率，以從宏觀方面體現(xiàn)成型試件的空隙率分布規(guī)律.

圖5 不同目標空隙率試件沿成型高度方向空隙分布規(guī)律

由圖5可知，逐層切割法得出的空隙分布規(guī)律與工業(yè)CT法大體一致，空隙率沿剪切壓實成型高度方向出現(xiàn)兩頭大，中間小的呈類“U”型分布規(guī)律，在沿高度方向30～150 mm的范圍內(nèi)，試件內(nèi)部空隙率與設(shè)計值偏差在±0.5%范圍內(nèi).

微觀和宏觀方面研究結(jié)果的一致性不僅驗證了剪切壓實成型試件呈類“U”形的空隙分布規(guī)律，且表明了剪切壓實試件空隙分布規(guī)律的客觀性.

4.3 與其他成型方式對比

為比較落錘擊實(Marshall)、旋轉(zhuǎn)壓實(SGC)、剪切壓實(SBC)三種不同成型方法的空隙分布特性，分別采用上述成型方法成型目標空隙率均為4%且高度為63.5,150,170 mm的試件，后采用CT掃描法分別對其進行掃描[11].三種成型方式的試件空隙分布特性見圖6和表7.

圖6 三種成型方式下空隙分布特性%

定義有效高度為面空隙率在目標空隙率0.5%范圍內(nèi)且高度連續(xù)的范圍大小；有效高度比為有效高度與試件成型高度的比值.

圖6表明三種成型方式的試件空隙沿深度方向分布規(guī)律大體一致，均呈類“U”型分布規(guī)律，但有效高度比、空隙變異性差異較大.

表7 三種成型方式下參數(shù)對比

由圖6和表7可知，三種成型方法的有效高度范圍分別為20～50mm，30～105mm，30～150 mm；有效高度比分別為50.79%，61.33%，68.24%；空隙率變異系數(shù)分別為25.58%，17.45%，12.19%；有效高度范圍內(nèi)空隙率變異系數(shù)相當(dāng).

從有效高度比、空隙率變異系數(shù)來看，采用剪切壓實成型的試件最均勻、變異性最小，旋轉(zhuǎn)壓實居中，落錘擊實最次.

5 結(jié) 論

1) 裝料方式對剪切壓實成型試件空隙空間分布影響較大，確定了分層插搗裝料方法為剪切壓實成型試件可靠的裝料方法.

2) CT掃描法和逐層切割法均表明剪切壓實成型試件的空隙率沿高度方向呈兩頭大、中間小的類“U”型分布規(guī)律，在沿高度方向30～150 mm的范圍內(nèi)，試件內(nèi)部空隙率與設(shè)計值偏差在±0.5%范圍內(nèi).

3) 落錘擊實、旋轉(zhuǎn)壓實、剪切壓實三種不同成型方法的空隙分布特性對比研究表明剪切壓實成型的試件最均勻、變異性最小，旋轉(zhuǎn)壓實居中，落錘擊實最次.