影響馬歇爾試件密度的因素和相關建議

楊 威

（浙江浙交檢測技術有限公司,浙江 杭州 310000）

0 引言

瀝青混凝土路面具有良好的行車舒適性、平整度以及行車噪聲較小并且易于養(yǎng)護維修的優(yōu)點，因此，我國高等級公路大多采用的是瀝青混凝土路面。但是，瀝青混凝土路面在使用一定時間后會產(chǎn)生幾種常見的病害，如：裂縫、坑槽、擁包、車轍、水損害等[1]。對于瀝青混凝土路面常見病害形成原因，主要可以從兩個方面來分析：一方面是日常行車過程中行車流量較大、部分車輛軸重較重；另一方面是施工過程中施工方對于路面結(jié)構(gòu)層質(zhì)量控制不到位，結(jié)構(gòu)層存在壓實遍數(shù)不足、壓實度未達到設計要求、殘留空隙率較大等問題。瀝青混凝土路面壓實度達不到設計要求的主要原因有：碾壓不到位、壓實機具配合不合理、室內(nèi)標準馬歇爾密度不準確等。其中室內(nèi)標準馬歇爾密度不準確是導致壓實度、殘留空隙率不滿足設計要求的重要原因。壓實度和殘留空隙率是瀝青路面施工質(zhì)量控制的兩大重要參數(shù)，但兩者并非越極端越好，而是應該維持在一定范圍內(nèi)，才能真正發(fā)揮瀝青混凝土的應有特點和功能。同時我們發(fā)現(xiàn)兩個重要參數(shù)都需要馬歇爾密度來支撐，所以分析馬歇爾試件密度準確性影響因素和相關處理建議是必要的，相關分析如下文。

1 影響馬歇爾密度準確性的原因分析

1.1 馬歇爾試件配料過程

馬歇爾試驗、旋轉(zhuǎn)壓實試驗是進行瀝青混合料配合比設計和施工過程中瀝青混合料質(zhì)量檢驗的主流方法，在日常檢測中使用最多的是馬歇爾試驗方法。在進行瀝青混合料配合比設計時，需要在試驗室人工配制瀝青混合料，經(jīng)成型后再進行各項試驗，拌制過程需按規(guī)范要求進行。將烘干分級的粗、細集料按每個試件摻配比例要求稱重，在一金屬盤中混合均勻，礦粉單獨放入小盆里，待加熱達到要求后混合攪拌，并特別強調(diào)進行配合比設計時，宜對每個試件分別備料[2]。通過多次配合比設計和驗證過程，發(fā)現(xiàn)按單個試件分別配料成型的馬歇爾試件數(shù)據(jù)不準確。不準確結(jié)果體現(xiàn)于：按相同的質(zhì)量成型的試件高度有一定的偏差，實測的試件密度也存在一定的離差。產(chǎn)生這些差異的主要原因是試件的組成級配與設計級配存在一定偏差，也就是說：配料過程中各檔集料的稱樣存在離析現(xiàn)象。配制一個試件的混合料質(zhì)量一般在1 200 g 左右，根據(jù)配合比摻配比例稱料，每種規(guī)格的集料稱量質(zhì)量在100～500 g 不等；又因稱取每種規(guī)格集料都有自己的級配組成，在該稱量質(zhì)量下很難保證集料應有的設計級配，故而此舉很難保證成型的馬歇爾試件密度的實測值為設計級配下的真實密度。以此實測密度作為標準密度控制現(xiàn)場施工壓實度和空隙率是不科學的，因為此時的標準密度已經(jīng)偏離了設計級配下的標準密度，以此作為標準來控制現(xiàn)場施工會出現(xiàn)壓實度和殘留空隙率不準確，表征出來的結(jié)果是碾壓不足和過壓兩種情況。

1.2 馬歇爾試件裝料過程

因為裝料過程是“人”進行手動裝料、整形，所以結(jié)果的離差性就體現(xiàn)在不同裝料人員的熟練度以及裝料手法上。瀝青混合料路面日常施工中需要對混合料質(zhì)量進行檢測，通常是在瀝青混合料拌和站或施工現(xiàn)場進行取樣，再在試驗室中進行試驗。規(guī)范中介紹了裝料辦法，但是沒有明確規(guī)范裝料過程的細節(jié)，導致出現(xiàn)各種不同的裝料方法，各種裝料方法得出的結(jié)果各不相同。施工現(xiàn)場使用最多的方法是在測量保溫桶中混合料溫度滿足要求的情況下，用加熱過的小鏟將混合料裝入試模中經(jīng)過稱重、插搗、整平表面后進行擊實，進而成型馬歇爾試件。規(guī)范上提出裝料后需要在裝好的試件邊部插搗15次，中間插搗10 次，很多檢測人員也按此過程操作，但是插搗過程中粗細集料又重新排列了，粗集料上浮，細集料沉底，此舉成型的馬歇爾試件很有可能會出現(xiàn)棱角不分明，試件兩面出現(xiàn)一面離析和一面光滑的現(xiàn)象即裝料發(fā)生了離析。此種情況的馬歇爾試件會出現(xiàn)測得馬歇爾密度數(shù)據(jù)離差較大的情況，又因裝料過程中人的主觀因素比較大，所稱取的材料均勻性體現(xiàn)于檢測人員的熟練度和手法上，不利于控制馬歇爾試件質(zhì)量。

1.3 馬歇爾試件擊實過程

擊實過程是一個與試件賽跑的過程，試件在擊實過程中一直暴露在低于擊實溫度一百多度的空氣中，受環(huán)境因素的影響，試件溫度會急劇下降，倘若過程中檢測人員操作不熟練、手法不嫻熟，那就有可能出現(xiàn)擊實過程還未完成，試件溫度就已低于要求的擊實溫度，過低的擊實溫度下成型的馬歇爾試件不能準確表達混合料的實際性能。例如在擊實過程中，馬歇爾試件的實測高度是擊實完成后通過游標卡尺測量，需要在成型完成后才能測量，而且普遍出現(xiàn)由于檢測面不平整所導致檢測的精度較差，使得量取的高度不準確，最后致使后續(xù)試件高度調(diào)整出現(xiàn)問題，在一定程度上影響檢測的效率，從而延長擊實過程。擊實過程中溫度的影響亦較大，其中包括裝料完成的溫度以及擊實過程中的溫度。通常檢測人員為圖方便，未將裝料完成的待擊實試件放入烘箱中以擊實溫度進行保溫，而是在裝料完成后直接進行擊實。該過程可能未考慮到擊實溫度，或者雖然進行了保溫，卻未關注烘箱的加熱機制，而是將試件分散于烘箱中，未考慮烘箱中不同位置的溫差問題。此兩種情況，前者會導致實際成型的馬歇爾試件密度偏離真實馬歇爾密度，后者則導致每個試件內(nèi)部溫度不一致，以至于產(chǎn)生密度數(shù)據(jù)的離差情況，偏離真實數(shù)據(jù)的馬歇爾密度是不能作為標準密度正確指導現(xiàn)場施工的，而離差較大的一組馬歇爾試件其數(shù)據(jù)是無效的。

1.4 馬歇爾試件密度檢測過程

馬歇爾試件密度檢測的方法有四種，分別是表干法、水中重法、蠟封法、體積法，其中表干法是日常檢測中使用較多的方法。表干法檢測過程中以水作為檢測介質(zhì)溶液，計算公式見公式（1）。表干法的原理是通過靜水天平稱量得到試件在水中的質(zhì)量，以試件表干質(zhì)量與試件水中質(zhì)量之差表示試件的體積，其原理來自浮力公式，見公式（2）：

式中，ρ液——液體的密度（kg/m3）；g——常數(shù)，是重力與質(zhì)量的比值，取g=9.8 N/kg，粗略計算時可取10 N/kg；V排——排開液體的體積（m3）;rf——馬歇爾試件毛體積相對密度（g/cm3）；Ma、Mf、Mw——試件干燥質(zhì)量、試件表干質(zhì)量、試件水中質(zhì)量。根據(jù)牛頓第二定律可將公式（1）簡化成M浮=ρ液×V排，從簡化后的公式看，當V排恒定時M浮與ρ液成正比，也就是當體積一定時浮重和介質(zhì)溶液的密度成正比。所以此檢測過程中體積測量準確性的關鍵是水中質(zhì)量，換而言之就是浮重測量的準確性。眾所周知，水在20 ℃時的浮力與介質(zhì)溶液的密度息息相關，當水的飽和程度不斷上升，其密度呈上升的趨勢。當水的密度也不斷上升，表征出來的實際結(jié)果是實測水中重比實際水中重偏小，即實測體積較實際體積偏大，進而導致實測馬歇爾密度偏小。以此檢測結(jié)果評定出來的瀝青路面空隙率、壓實度指標偏離實際結(jié)果，導致該結(jié)果有誤，不能正確指導實際施工。

2 馬歇爾試件制作、密度檢測過程中的相關建議

2.1 加強人員培訓

人員是試驗檢測工作的主要對象，和試驗檢測的總體質(zhì)量水平與施工質(zhì)量有著密切的關系。交通工程項目數(shù)量正在逐漸增加，對于交通工程施工的要求也更加嚴格。試驗檢測工作人員要與時俱進，不斷提高自身的綜合素質(zhì)和操作技能，以滿足當前試驗檢測技術的需求。同時，可以通過增加人員實踐培訓的次數(shù)，投入更多的材料成本和資源，建立公司特色的專業(yè)培訓體系，并建立切實的內(nèi)部管理制度，提高交通工程試驗檢測的效率[3]。另外，在建立內(nèi)部管理體系時，應充分考慮交通工程的具體情況，不要盲目跟風，隨意建立，為提高檢查管理的效率和質(zhì)量打下堅實的基礎?！叭恕笔窃囼灆z測過程中對數(shù)據(jù)真實性影響最重要的因素，很多檢測數(shù)據(jù)往往存在著一定的主觀性，對于試驗檢測活動來說，加強人員培訓和提高人員檢測素養(yǎng)是保證試驗檢測數(shù)據(jù)真實性的必要措施。

2.2 配料和裝料過程

針對配料過程中影響數(shù)據(jù)離差性的原因，建議在配制過程中以一組試件為單位進行配料。即以6 個試件需要的量并考慮損耗配制，每種集料以四分法攤平成圓形于地面，稱料的時候以圓心為基準，按扇形區(qū)域鏟料，直到達到要求的質(zhì)量，礦粉按一組的時間需要的質(zhì)量單獨稱量。室內(nèi)拌制的瀝青混合料和現(xiàn)場取的瀝青混合料均倒入準備好的容器中充分攪拌，待攪拌均勻后在盆中攤平，待測量溫度滿足要求后同樣以圓心為基準點，按扇形區(qū)域鏟料，直至達到要求稱量的質(zhì)量標準。在裝料過程中可以擺脫常規(guī)方法，每一組試件準備6 個小鐵盆，小鐵盆的底部直徑較馬歇爾試模外徑大20 mm 即可，將每個馬歇爾試模放于小鐵盆中，試模加熱的時候?qū)⒔M裝好的馬歇爾試模和鐵盆一起放入烘箱中加熱，試模加熱完成后將稱量好的瀝青混合料按規(guī)范要求裝入試模中。試件在插搗的過程中需要注意的是：在插搗邊部15 次的時候盡量插搗到底；插搗中部10 次的時候盡量插搗到距離底部5 mm 左右為宜；最后將試件表面整平成中間高兩邊低的錐形面，在整平的同時倘若有粗顆粒在表面，可以在整平過程中使粗顆粒盡量夾雜著細顆粒放置在試件靠中部的位置上。通過如此嚴格的過程控制可以使得擊實后的試件能準確表達混合料的實際性能。在配料過程中亦采用四分法并按要求稱樣，以一組試件的總量配料，各檔材料的配制稱量重量大大提高。稱量的提高在一定程度上提高了稱量材料取樣的均勻性，從而使稱取的混合料級配盡可能接近設計級配，使設計級配能通過馬歇爾試件參數(shù)正確表達出來，進而降低馬歇爾試件數(shù)據(jù)偏離實際值的可能性。在裝料過程中同樣按四分法均勻拌和混合料，以扇形區(qū)域稱料，而后整平試件表面并按要求在烘箱中保溫，如此成型的試件在一定程度上排除了人為因素的影響，從而降低了馬歇爾密度數(shù)據(jù)離差性。

2.3 擊實成型過程

在進行馬歇爾試件擊實的過程中，馬歇爾試件高度達到（63.5±1.3）mm 的范圍是試件符合標準的初步要求，但往往首個試件在進行擊實的時候很難達到標準要求，而需要以第一個試件為標準來調(diào)整后續(xù)的試件。在此過程中需要擊實完成后再通過游標卡尺進一步測量試件的高度，然而游標卡尺測量的高度數(shù)據(jù)僅代表一個點，是不能正確的表達馬歇爾試件的真實高度的。所以在擊實準備工作中可以在擊實桿與馬歇爾擊實儀頂部交叉的位置做高度標記，在擊實桿上部標上試件62.2 mm 的標記，再往下1.3 mm 標記出試件高度達到64.8 mm 的標記，標記的精確度精確到0.1 mm，如此在擊實過程中就能夠掌握試件的真實高度，在后續(xù)擊實過程中也可以直接調(diào)整試件的質(zhì)量，使后續(xù)試件高度達到要求。同時試件擊實溫度是影響馬歇爾試件密度的重要因素，保證試件擊實溫度在一定程度上能保證試件密度數(shù)據(jù)的均勻性。建議一組待擊實的試件中選擇一個或者幾個試件插上玻璃溫度計，然后放入達到擊實溫度的烘箱中保溫。而放入烘箱保溫過程中試件放置位置也是有講究的，每一組試件盡量放置在烘箱中的同一層，并且同一組試件盡量放置在烘箱中同一排的相同位置，待擊實試件內(nèi)部溫度達到擊實溫度后開始擊實。進行保溫的烘箱不宜使用體積過大的，因為在擊實過程需要開關烘箱多次，體積過大的烘箱在反復打開門后溫度會急劇下降，而相比小體積的烘箱，大體積烘箱溫度降低后的升溫速度慢，從而會影響后續(xù)未擊實試件的擊實溫度，并在一定程度上影響到后續(xù)成型完成試件的質(zhì)量。

2.4 密度檢測過程

進行馬歇爾密度檢測過程中，除了需要對檢測溫度密切關注，同時也要關注檢測介質(zhì)溶液的飽和度，在日常檢測活動中通常以水為介質(zhì)，而規(guī)范中又未規(guī)定檢測用水的參數(shù)情況。建議加強對試件密度檢測用水溫度控制，現(xiàn)今很多工地試驗室乃至檢測機構(gòu)仍配備的是不能控溫的靜水天平。該種靜水天平的溫度控制在一定程度上依賴于室內(nèi)環(huán)境的溫度，雖然室內(nèi)有空調(diào)，但是空調(diào)對于溫度控制只能起到輔助作用，故而建議使用可以控溫的靜水天平，以此排除溫度對水的密度影響。同時大部分檢測機構(gòu)以及工地試驗室進行馬歇爾密度、芯樣密度檢測所用的水大多更換頻率很低，在反復的試驗中，檢測用水的飽和度是逐漸上升的，即水的密度是不斷變化的，而不同的密度的水會導致實測馬歇爾密度數(shù)據(jù)偏離。以此水溶液進行檢測的馬歇爾密度乃至芯樣密度，檢測出來的結(jié)果易偏離實際。故而建議加強對靜水天平的核查工作，并且配備一些已知質(zhì)量的標準塊，以此標準塊對靜水天平進行動態(tài)校準。并在每次檢測前進行一次校準，當標準塊水中重發(fā)生重大變化時對檢測用水進行更換，更換后再校準一次，當達到要求后方能開始檢測。以此方法能避免水溶液的飽和度變化導致影響馬歇爾密度檢測結(jié)果準確性的情況，以此檢測出來的馬歇爾密度才能更接近其實際密度，并能以此結(jié)果有效指導現(xiàn)場實際施工。

3 結(jié)束語

馬歇爾試件的制作和密度檢測過程原理較簡單，但其中的每個步驟都應認真對待，深刻認識每個步驟的重要性，只有如此才能保證所成型的馬歇爾試件密度數(shù)據(jù)的準確性和代表性，從而客觀地反映瀝青路面的施工質(zhì)量，為公路建設事業(yè)添磚加瓦。