装料操作程序对沥青混合料空隙率及抗车辙能力的影响

装料操作程序对沥青混合料空隙率及抗车辙能力的影响

 摘要：影响空隙率的因素很多，沥青混合料的密度以及理论最大密度决定着空隙率的计算值，室内装料操作程序影响着沥青混合料密度的测定。本文通过不同装料操作方法，室内旋转压实成型试件，结合APA车辙试验，分析旋转压实装料操作对空隙率和抗车辙能力的影响，补充完善了旋转压实装料操作程序。

    关键词：空隙率；找平平面；装料操作程序；APA车辙

1  前言

    空隙率是控制路面质量的一个重要指标，影响空隙率的因素很多，沥青混合料的密度以及理论最大密度的确定都影响着空隙率的计算。但事实上对于同一组的平行试件，采用同样的计算方法，确定的空隙率也存在很大的变异，这一变异就是起因于装料操作程序。对于旋转压实仪，这一影响更加显著。由于旋转压实试模为圆柱体，高230㎜，直径分别为100㎜与150㎜，如果不整平试模里混合料的表面，装料时就好比沙漏堆积成锥体，造成大粒径向周边滚落，发生一定的离析，造成试件周边不致密，影响试件空隙率的测定。据SHRP规范要求：混合料分三层装入试模，每层占混合料总量的三分之一，每层用铲捣实5次。但是这一规定对于沥青混合料，就显得过于粗糙与具体，难于确保混合料的均匀分布，需要对其进行解释补充。

2  试验材料与试验设计

2.1  混合料级配

    本研究选用两种类型的厂拌混合料：Super19与LK16，通过室内燃烧炉法抽提筛分得出两种混合料的级配见表1；

表1  混合料级配（各筛孔通过百分率%）

2.2  试验设计

2.2.1  成型操作

    本研究选用Superpave旋转压实仪，采用两种装料操作程序成型：一种是有意识的找平试件表面，先用少量细料找平底面，再把剩余的大部分混合料倒入并插捣周边，最后用预留的少量细料找平顶面；另一种是不找平表面，一次性装入试模并且插捣周边。采用高度控制，高度75㎜，直径150㎜；成型温度为140℃.

2.2.2  空隙率测定

    本研究选用表干法测定混合料试件的毛体积密度，最大理论密度采用溶剂法实测值与计算值（粗集料采有效密度）的平均值。按下式计算空隙率：

                                   VV=（1-ρ/ρ_t）×100%

式中：ρ——试件的实测密度；

      Ρ_t——混合料的理论密度。

2.2.3  APA轮辙试验

    成型完毕后，采用APA进行轮辙分析，试验温度64℃，车辙前保温4h，橡胶管充气压力0.7MP_a，轴载45㎏，轮碾作用次数30000次，记录绝对车辙深度。

3  试验分析

3.1  试件外观及剖面分析

    从外观看，找平表面的试件表面均匀致密，表面粒径相对较小，很少有较大凹陷分布在试件周边，表面空隙小；不找平表面的试件表面粒径相对较大，比较粗糙，有较大凹陷分布在试件周边，表面空隙大。

    切割以上试件，考察试件内部的空隙状况。对于前三组试件，量测空隙率相同，但是内部空隙并不一样，表面致密的试件（找平表面），内部空隙较小，这说明，多出的混合料不仅填补了表面的空隙，也填补了内部的空隙。对于后两组试件，找平表面试件的剖面空隙大于未找平表面试件的剖面空隙，这说明，找平表面的试件，一部分细料向表面迁移，导致试件内部的镂空，试件内部闭口孔隙增加。这意味着装料操作程序的不规范，将导致试件内部空隙率与量测空隙率不一致，所量测的空隙率作为假象掩盖了实际空隙率。

3.2  空隙率分析

    空隙率测定结果见表2，前三组试件空隙率各自相同，但是空中质量不同，找平表面的试件与不找平表面的试件差值分别为55.5g、65.1g、69g。也就是说，为达到相同的空隙率，找平表面的试件要比不找平表面的试件所用混合料多，大概多出2%的混合料，并且随着空隙率的增大，这一影响也在增大。其原因在于：找平表面之后，小粒径集料向周边与表面迁移，表面变得致密，按表干法测试，毛体积增大，为达到相同的毛体积密度与空隙率，只有增加混合料的质量，未找平表面的试件，由于大粒径集料向周边与表面迁移，表面粗糙，毛体积响相应较小；随着空隙率的增大，试件表面的凹陷相应增加，需要更多的混合料来填充，从而这一影响也在加剧。

表2  厂拌混合料旋转压实成型数据表

    后两组试件是空中质量相同，找平表面的试件与不找平表面的试件相比：水中重减小，吸水率相近，空隙率增大，约增加1%。其原因在于：找平表面后，表面致密，表面凹陷减少，水中重减小，排开的水重增加，内部闭口空隙增多，毛体积增大，毛体积密度减小，从而空隙率增大。但是影响体积的还有开口孔隙，下面讨论开口孔隙的变化。从吸水率看连通表面的开口孔隙的变化：吸水率为饱和试件吸收水分的体积与毛体积之比，前三组毛体积相同，吸水率有的增加，有的减少，但是每一组都较为接近，可见所吸收水分的体积也较为接近，这说明不同装料操作对试件连通表面的开口孔隙影响较小；从试件表干重看连通表面的开口孔隙的变化：试件表干重包括混合料的空中质量与连通表面的开口孔隙吸收水分的质量，后两组表干重比较接近，说明不同的装料操作程序对连通表面的开口孔隙的计算影响较小。

3.3  轮辙分析

    试验结果见表2，前三组试件空隙率相同，经轮载作用后，质量大的试件与质量小的试件相比，轮迹外部有轻微隆起现象，说明有一定的塑性变形发生；并且车辙深度随空隙率的增大而增加，三组车辙深度的极差分别为：0.15、0.48、1.52，也就是说，随着空隙率的增加，成型操作对车辙深度的影响也在增加。其原因在于：找平表面的试件，部分细集料迁移至表面，表层承载能力降低，抗车辙能力减弱，另一方面，当量测空隙率相同时，质量大的试件，在轮辙作用下，没有多余的空隙来吸收竖向压实变形，使得多余的混合料向轮迹外迁移，这些都造成塑性流动变形的加剧；此外，空隙率增大后，致密程度减弱，空间骨架支撑能力减弱，从而车辙深度加深。

    后两组试件，其质量相同，但是空隙率不同，空隙率大的试件车辙深度明显要大（两者的差值分别为1.63㎜、0.75㎜）.这正说明：同样的混合料，不同的装料操作程序，会产生不同的骨架排列，导致不同的抗车辙效果；改善混凝土的内部结构，可以提高其抗车辙能力；装料操作程序显著影响着空隙率以及室内抗车辙能力的评价。

4  装料操作程序

    由以上分析可知，装料操作程序显著影响着试件的空隙率，进而影响抗车辙能力的评价。为减小装料操作对混合料性能的影响，有必要对装料操作程序加以限定与补充。下面对当前的旋转压实装料操作程序补充解释如下：

    （1）装模前，混合料先拌合均匀，大致分成三等分；

    （2）分三层装模，每层约占1/3的混合料；每层装毕后，用铲刀整平表面；

    （3）顶层装毕后，用铲刀沿试模周边均匀插捣；

    整个操作过程尽量避免堆积成锥形小山状，如果是，则整平，切忌有意识地找平表面。按照以上步骤，可保证试件表面以及周边与内部致密程度的一致性，尽可能的减少混合料的局部离析，保持混合料的均匀性。

5  试验验证

    按上述装料操作程序，成型Super19与LK16旋转压实试件，成型采用高度控制，试件高度仍为7㎜，直径150㎜，所用混合料为厂拌混合料，各项指标仍同上。试验结果见表3：

                        表3  Super19与LK16混合料空隙率验证数据表