不同施工工序瀝青用量相互關系試驗研究

王中良，岳峰林，劉 波，冷俊才，藺尚杰

(四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600)

瀝青混凝土具有較好的柔性、較強的適應結(jié)構(gòu)變形能力、優(yōu)越的耐久性和防滲性等優(yōu)點，20世紀30年代，人們已開始利用瀝青混凝土作為土石壩的防滲結(jié)構(gòu)應用于水利工程建設中[1- 3]。并且瀝青混凝土在嚴寒區(qū)、高山或多雨地區(qū)均可快速施工，當溫度達到一定時可呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)，有利于修補，受到了水利工程界的青睞[4- 5]。迄今為止，已建成200多座以瀝青混凝土為水工防滲結(jié)構(gòu)的水利工程[6- 8]。隨著瀝青混凝土在水利工程中的應用，工程人員對施工技術(shù)和施工質(zhì)量的控制也越來越嚴格[9- 10]。水工瀝青混凝土心墻在施工過程中常需要對瀝青用量進行檢測，以評價瀝青混合料施工配合比的準確性以及瀝青混凝土實體的施工質(zhì)量[11- 12]。目前，工程中對于瀝青用量檢測常用的方法是在拌和機出機口、倉面取瀝青混合料或在心墻碾壓后鉆芯取樣，采用抽提或燃燒爐的方法進行瀝青用量的檢測。

在某水庫工程施工過程中，發(fā)現(xiàn)拌和機出機口位置的瀝青混合料的瀝青用量能夠滿足DL/T 5363—2006《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》的要求[13- 15]，將瀝青混合料攤鋪到倉面上以后瀝青用量檢測結(jié)果與出機口位置的基本相同，但在對碾壓施工后的瀝青混凝土心墻鉆取的芯樣檢測時，瀝青用量比出機口位置和倉面攤鋪后的略偏低，且有時出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的情況。因此，文章針對該問題開展了不同施工工序瀝青混合料(混凝土)瀝青用量相互關系的試驗研究，旨在揭示造成該問題的原因，為施工過程中瀝青用量的檢測提供依據(jù)。

1 研究方法

為研究施工過程中出現(xiàn)的瀝青混凝土瀝青用量存在明顯差異的問題，文章開展了現(xiàn)場不同施工工序過程中的瀝青用量試驗和室內(nèi)模擬現(xiàn)場振動擊實成型試樣的瀝青用量試驗。

1.1 現(xiàn)場試驗

為研究不同施工工序取樣對瀝青混凝土瀝青用量的影響，在現(xiàn)場專項鋪筑了碾壓瀝青混凝土試驗段，鋪筑場地長30m、寬1m，鋪筑一層，入倉層厚0.3m，共計使用瀝青混合料9m3。分別在不同施工工序(拌和機出機口、入倉后瀝青混合料和碾壓后瀝青混凝土)取瀝青混凝土進行抽提試驗來測試瀝青用量。為消除試驗過程中的偶然誤差，每道工序取樣數(shù)量為5組，共計15組。

瀝青用量測試方法參照DL/T 5362—2018《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》第9.5節(jié)抽提試驗方法進行。稱取一定質(zhì)量的瀝青混凝土試樣，質(zhì)量一般控制在1000～1500g，用三氯乙烯溶劑浸泡30min，使瀝青充分溶解，將溶解后的瀝青混凝土及三氯乙烯溶液倒入離心分離器，開動離心機，將瀝青溶液收入回收瓶，待無液體流出時，停機，再次加入與初始注入燒杯中數(shù)量大體相同的三氯乙烯，等待3～5min，重復上述操作，直到流出的抽提液呈清澈的淡黃色為止，稱取容器中剩余骨料的質(zhì)量，獲取濾紙和抽提液中礦粉的質(zhì)量，計入礦料總質(zhì)量，分別計算瀝青混凝土總質(zhì)量、礦料總質(zhì)量，從而測得瀝青用量。

1.2 室內(nèi)試驗

為驗證現(xiàn)場不同施工工序瀝青混凝土瀝青用量試驗，進一步分析現(xiàn)場瀝青混凝土鉆芯試樣與混合料瀝青用量存在差異的原因，實驗室采用標準擊實成型的方法，按照施工配合比制備了12組圓柱形瀝青混凝土試樣(2組備用)，尺寸為φ152.4mm×95.3mm(直徑×高)，如圖1(a)所示。對成型后的試樣采用鉆芯的方式模擬現(xiàn)場碾壓后瀝青混凝土的鉆芯過程，芯樣尺寸為φ100mm×95.3mm，將鉆芯后剩余外部圓環(huán)型瀝青混凝土標記為芯樣外側(cè)，如圖1(b)所示。對上述兩部分通過燃燒爐法檢驗瀝青用量，試驗前對燃燒爐進行了系統(tǒng)偏差的標定。按施工配合比的瀝青用量7.3%稱取三份混合料，每份混合料總重為1500g，燃燒后實際測得瀝青用量分別為7.316%、7.329%、7.315%，平均值為7.320%，故該配合比的燃燒爐修正系數(shù)為0.02%。

圖1 大型馬歇爾試件及取芯后試樣

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場不同施工工序瀝青混凝土瀝青用量抽提試驗結(jié)果見表1。

表1 不同施工工序瀝青混凝土瀝青用量抽提試驗結(jié)果

從現(xiàn)場檢測結(jié)果可以看出，瀝青混凝土在不同施工工序取樣時，瀝青用量檢測值會發(fā)生變化，瀝青混合料入倉攤鋪后取樣的瀝青用量與拌和機出機口取樣的瀝青用量檢測值基本一致，瀝青混凝土芯樣的瀝青用量測值比機口、入倉攤鋪后取樣要低約0.3%。相比較而言，芯樣的瀝青用量偏低，該問題的原因可能是取芯時，鉆機高速運轉(zhuǎn)造成芯樣表面骨料外露，沒有裹覆瀝青，而其他兩個工序瀝青混合料樣品所有骨料都是包裹瀝青的；也有可能是在運輸、碾壓過程中施工機械，尤其是振動碾雙鋼輪黏附了少量瀝青；還有可能是在振動碾壓過程中，瀝青混凝土發(fā)生離析，粗骨料下沉，瀝青膠漿上浮，即出現(xiàn)返油現(xiàn)象，同時，少量瀝青膠漿也會在反復振動碾壓、骨料相互嵌擠的作用下緩慢向兩側(cè)過渡料界面處流動。然而，在取芯進行檢測時，一般芯樣都鉆取在心墻中心線附近，芯樣表面返油層也往往不會被取來作為試驗對象，這些都可能是造成芯樣檢測時瀝青用量偏低的原因。

針對上述芯樣瀝青用量偏低的問題，為了解瀝青混凝土在碾壓過程中是否發(fā)生了離析，進一步對瀝青混凝土芯樣上層、下層分別進行抽提試驗，試驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，不同取芯溫度對上下層瀝青用量的影響不大。這是因為，取芯溫度過高會對瀝青混凝土芯樣結(jié)構(gòu)造成一定影響，但并不會對瀝青用量的檢測結(jié)果造成差異。根據(jù)檢測結(jié)果還可以看出，上半部芯樣的瀝青用量均大于下半部，上部瀝青用量均值為7.08%，下部瀝青用量均值為6.89%，上部比下部高出0.3%左右。從各粒徑含量來看，上部的細骨料含量較多，尤其是礦粉含量，上部瀝青混凝土試件的礦粉含量約為12%，下部瀝青混凝土試件的粗骨料含量較多，礦粉含量約為10%。芯樣上部細骨料、礦粉、瀝青用量均大于下部，而芯樣下部粗骨料含量大于上部，說明處于高溫下的瀝青混合料在碾壓過程中，受振動碾的強烈振動，粒徑較大的骨料出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，瀝青膠漿上浮，產(chǎn)生了一定程度的離析，使得芯樣上下部瀝青混凝土中的瀝青用量存在一定差異，而且瀝青混合料油量越大、溫度越高，離析現(xiàn)象就越嚴重。

表2 不同取芯溫度時芯樣上下層抽提試驗結(jié)果

2.2 室內(nèi)試驗

室內(nèi)模擬不同施工工序瀝青混凝土瀝青用量試驗結(jié)果見表3。

表3 不同位置試樣瀝青用量試驗結(jié)果(燃燒爐法)

從表3中看出，采用施工配合比擊實成型的試樣不同位置的瀝青用量差異不大，10組試樣的均值差僅為0.147%。為分析試驗結(jié)果的差異性，對兩組試驗結(jié)果進行獨立樣本的t檢驗分析[16]，分析結(jié)果見表4—5。

從表4中可以看出，兩組試驗結(jié)果的均值差異為0.147%，標準差分別為0.0567和0.0356，說明數(shù)據(jù)的整體離散型較小。表5中方差方程的齊性檢驗結(jié)果p=0.083大于0.05，說明兩組數(shù)據(jù)的方差是齊性的(相等)，應選取結(jié)果中第一行的顯著性(雙側(cè))值進行判定，由于p=0.000小于0.05，認為兩組試驗得出的瀝青用量有顯著性差異。

表4 試驗結(jié)果統(tǒng)計量分析

表5 獨立樣本t檢驗結(jié)果

兩組試樣的試驗結(jié)果得出瀝青用量存在顯著性差異，這是由于心墻瀝青混凝土屬于富瀝青混凝土，瀝青用量較公路瀝青混凝土高，瀝青黏附于骨料表面，除了形成一定的結(jié)構(gòu)瀝青外，還有少量的自由瀝青，如圖2所示。本次試驗所采用配合比中瀝青用量較高(為7.3%)，在擊實成型前，瀝青和骨料均勻分布在混合料中，結(jié)構(gòu)瀝青裹附在骨料表面，而少量的自由瀝青存在于骨料之間的孔隙中。擊實時受垂直方向荷載作用，混合料開始被壓密實，骨料內(nèi)部形成的孔隙體積減小，此時孔隙中的自由瀝青受擠壓向外緣移動，使瀝青混凝土外緣的瀝青用量相對增加，從而導致瀝青混凝土芯樣的瀝青用量略小于其外緣。

圖2 骨料與瀝青交互作用示意圖

上述室內(nèi)試驗可以反映出，現(xiàn)場瀝青混凝土芯樣與混合料的瀝青用量存在差異也是由于混合料在受振動碾壓過程中，自由瀝青在骨料形成的孔隙中向心墻兩側(cè)過渡料界面移動，使得心墻中心處的瀝青用量略小于兩側(cè)。在現(xiàn)場質(zhì)量控制中，瀝青混凝土芯樣一般是沿心墻縱斷面的中間位置進行鉆取，因此，出現(xiàn)了芯樣的瀝青用量測試結(jié)果比混合料偏低的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

針對施工過程中出現(xiàn)的瀝青混凝土瀝青用量試驗結(jié)果存在明顯差異的問題，進行了不同施工工序下瀝青用量的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究。結(jié)果表明：瀝青混凝土芯樣與瀝青混合料的瀝青用量存在一定的差異，芯樣比瀝青混合料的瀝青用量約低了0.3%。其原因在于瀝青混凝土在攤鋪碾壓施工過程中瀝青混凝土產(chǎn)生了一定程度的離析現(xiàn)象，粗骨料下沉，細骨料及瀝青膠漿上浮。

針對心墻瀝青混凝土施工質(zhì)量控制，瀝青用量試驗應選擇出機口或倉面的瀝青混合料進行測試；若采用鉆取芯樣的方式檢測瀝青用量，應在心墻橫斷面上均勻分布測點，求取平均值后作為試驗結(jié)果。