沥青混凝土空隙率与击实次数的关系.pdf

第1 1 卷 第2 期 中国水利水 电科学研究 院学报 V o 1 1 1 N o 2 2 0 1 3 年 6 月 J o u r n a l o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r Re s 0 u r c e s a n d Hy d r 0 p 0 we r Re s e a r c h J u n e , 2 0 1 3 文章编号 ： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 1 4 4 0 7 沥青混凝土空 隙率与击实次数 的关 系 刘增宏， 黄 昊，郝巨 涛，汪正业 x ( 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 ，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：密度和空隙率是沥青混凝土的重要技术指标。通过室内马歇尔试件击实试验 ，对沥青混凝 土密度和空隙率 与马歇尔击实次数 的相关关系进行试验研究 ，得 出统计规律。依据统计规律对宝泉上水库防渗面板施工过程 中整 平层和防渗层沥青混凝土密度和空隙率检测试验结果进行 统计计算 ，分析总结出宝泉上水库沥青 混凝 土防渗面板 工程现场施工试 验结果与室 内击实次数 的的对应关系 ，研究得 出的沥青混凝土密度 和空 隙率与马歇尔击实次数统 计关系可供未来 工程参考 。 关键词 ：沥青混凝土 ；密度 ；空隙率 ；击实 ；碾压 中图分类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 1 研究背景 沥青混凝土空隙率系指压实沥青混凝土中空隙的体积 占沥青混凝土总体积的百分率 ，空隙率 的 大小反映沥青混凝土的密实度 ，在沥青混凝土配合 比设计及现场施工质量控制 中有着举足轻重的作 用 ，可以说，沥青混凝土空隙率是检测和评价沥青混凝土施工质量的最直接最有效 的指标。 沥青混凝土 的功用不同，对其空隙率 ( 密实度 ) 的大小要求不同，如防渗层对沥青混凝 土的抗渗 要求高 ，空隙率要求不超过 3 。整平层和排水层要求沥青混凝 土具有排水功能 ，而要求空隙率较 大。宝泉抽水蓄能电站沥青混凝土面板工程要求防渗层空隙率 3 0 ，整平层空隙率 1 0 1 4 。 沥青 混凝 土空 隙率大小首先与混合料配合 比有关 ，矿料级配越细 ，沥青含量越高 ，空隙率越 小 ，反之 ，则越大 。所以在配合 比试验阶段 ，空隙率是确定最优级配和最佳沥青含量 的重要指标之 一 。其次 ，空隙率与碾压荷载和碾压温度等施工条件有关 ，在合适的温度条件下 ，荷载越大 ，空 隙率越小 ，其中 ，碾压温度很重要 ，温度过高 ，混合料更接近不可压缩流体 ，无法承受碾压荷载 ， 所以不可能充分压实 ；温度过低 ，沥青混凝土已失去应有的黏塑性 ，同样不能有效压实。所 以，水 工碾压式沥青混凝土施工规范 ( D L T 5 3 6 3 2 0 0 6 ) 对沥青混合料的碾压温度要求根据现场铺筑试验确 定 ，这是场外工业性试验的一项主要 内容。 沥青混凝土配合 比是决定其空隙率的内因，首先配合 比决定了混合料松散状态下的空隙率 ，其 次决定沥青混合料 的可压缩性 ( 当然这种可压缩性与温度等条件有关) ，最终决定可能达到的最小空 隙率 ( 极 限密实度 ) ；碾压条件 ( 荷载 、温度等) 是决定空隙率( 密实度) 的外 因，是实现混合料从松散 空隙率到最小空隙率变化 的条件 。在宝泉上水库沥青混凝土面板工程工业性试验阶段 ，通过对不同 类型的沥青混合料采用不 同的击实次数成型马歇尔试件 ，测试其空隙率 ，并且与合同要求的空隙率 指标进行对比。一方面检测现场碾压效果 ，另一方面检验现场碾压效果与室内击实次数 的相关性 。 2 整平层沥青混凝土空隙率和击实次数的关 系 整平层沥青混凝土配合比见表 1 。工业性试验现场碾压施工工艺为 ：摊铺温度 1 4 5 C 1 8 0 C；初 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 5 1 5 作者简介 ：刘增宏( 1 9 6 3 一 ) ，男 ，陕西耀 县人 ，高级工程师 ，主要从 事沥青混凝土等防渗材料研究 。E - ma i l ：l i u z h i w h mo m 一 1 4 4 沥青混凝土空 隙率与击实次数 的关系 刘增宏 黄吴郝 巨涛汪正兴 碾温度 1 2 0 C 1 4 0 C；终碾 温度 1 0 0 C 1 2 0 C；碾压设备 3 6 t H AMM振动碾 ；碾压遍数为动碾 2 遍 、3 遍 、4 遍 ，静 碾 2 遍 。 通过对现场 芯样进行密度和空 隙率检测反映现场碾压效果。整平层现场取芯密度及空隙率测试 结果见表 2 。 表 l 整平层沥青混凝土配合 比 表 2 整平 层现场取 芯密度及空隙率测试结果 注 ：测 试 僵 每 个 工 况 9 个 。 根据表 2中芯样密度及空隙率测试结果碾压2 遍、3 遍 、4 遍的效果非常接近，而且均满足工程设 计要求 ，故从施工效率考虑 ，碾压2 遍经济合理。 现场取混合料样品室内成型马歇尔试件 ，成型温度和现场一致 ，1 4 0 C 5 ，采用不 同击实次 数。沥青混合料的最大密度( 理论密度) 为 2 5 7 0 g c m 。试件的密度和空隙率测试结果见表 3 。 从表 3中可以看出，整平层沥青混凝土的密度随击实次数的增加而增大 ，空隙率随击实次数的增 加而减小 ，密度和空隙率 的变化梯度均随击实次数的增加急剧衰减 。当击实次数增加到一定程度 ， 密度和空隙率都不再 明显变化 。说 明击实次数增加到一定程度 ，不再产生击实效果。表 3 测试结果的 相关关系见图 1 。整平层沥青混凝土密度 空隙率和击实次数的拟合曲线可表示为 ： P = 2 5 6 8 一 f 2 5 6 8 2 0 0 7 ) e 一 。 一 0 2 9 7 ( 1 ) = ( 2 5 6 8 一 P ) 2 5 6 8 1 0 0 ( 2 ) 式中：P 为密度 ，g c m ； 为空隙率 ，；n为击实次数。 式 ( 1 ) 、式 ( 2 ) 用通 式表 示 为 ： P = p 一 ( P 一 A ) e 嘶一 B ( 3 ) = 【 P 一 P ) P 1 0 0 ( 4 ) 式 中： 为沥青混凝土的压缩指数 ； A为理论密度与可通过压缩实现的密度之差值 ；P m a x 为可压缩的 当量密度 ；B为理论密度与极 限密度之差值 。 根 据式 ( 3 ) 、式 ( 4 ) 可 以解 释 沥青 混凝 土 的压实 过程 。 一 1 45 沥青混凝土空隙率与击实次数的关系刘增宏黄昊郝巨涛汪正兴 表 3 整平层沥青混凝土马歇尔试件密度， 空隙率与击实次数的关系测试结果 注 ：表 中计算结果是根据拟合曲线公式计算。 寇 懈 一 2568 击实次数( 次) ( a ) 密度和击实次数的关系 竺 1 击实次数( 次) ( b ) 空隙率和击实次数的关系 图 l 整平层沥青混凝土密度和空隙率与击 实次数 的关 系曲线 当 n = 时 ，沥青混凝土的极限密度p = p m , - B，极限密度对应沥青混凝土最小空隙率 。B是理论 密度和极限密度之差值 ，也就是说 ，曰是不能通过压缩实现的当量密度 。 当 n = O时，沥青混合料处于松散状态 ，沥青混合料 的松散密度p 。 = A B，松散密度对应沥青混凝 土最大空隙率。A - p 。 + B，即A是松散密度与不能通过压缩实现的当量密度之和，P m a x - A 是可压缩的当 _ 。 _ 1 4 6 - O O 0 0 O O O O 如 髓捌 沥青混凝土空隙率与击实次数的关系刘增宏黄吴郝巨涛汪正兴 量密度 ，击实功效大小是可压缩的当量密度转化程度。 卢 是一个重要指标 ，可定义为沥青混凝土的压缩指数。 越大 ，密度和空隙率 的变化梯度随击实 次数的增加衰减程度越快 。也就是说 ， 越大，实现击实功效更容易 ，达到极限密度更容易 ，需要的 击实次数更少。对于现场来说 ，更容易碾压密实。通过比较不 同配比的沥青混合料 的 B 值大小 ，可以 比较它们的可压实性。可 以预想 ，在配合 比设计初期 ，可 以通过选取不 同的级配曲线 ，拌制沥青混 合料 ，以不同的击实次数成型马歇尔试件 ，测试其密度及空隙率 ，计算压缩指数 ，将其作为一项重 要指标纳入配比初选。当然 ，这也需要进行更深人更细致的研究工作。 宝 泉工 程 整 平层 沥 青混 凝 土 理论 密 度P = 2 5 6 8 g c m ，沥 青 混合 料 的松 散 密度 ( n = 0时 ) P = 2 0 0 7 0 2 9 7 = 1 7 1 0 g c m ，对应的沥青混凝土最大空隙率为3 3 4 ；极限密度P = P ro x - B = 2 2 7 1 g c m ，不 能通过压缩实现的密度 B = 2 5 6 8 2 2 7 1 = 0 2 9 7 g c m ，对应的沥青混凝土最小空 隙率 1 1 6 。根据式( 1 ) 计算得到不同击实次数对应 的整平层沥青混凝土密度和空隙率见表 3 。从表 3 可以看出 ，整平层沥青 混凝土室内马歇尔试件击实次数达到 3 5 次以上 ，基本才可以接近极限密度 。对照表2 和表 3 ，可以看 出，现场芯样密度及空隙率基本上相当于室 内马歇尔试件击实 1 8 2 0 次以上 ，所以整平层室 内马歇尔 试件的击实次数确定为2 0 次是合理 的。 宝泉工程沥青混凝 土整平层现场通过核子密度仪检测密度 ( 空隙率 ) 共 1 6 7 4 点 ，统计结果见表 4 。根据式( 1 ) 反算得 出的等效击实次数也列入表4 。 表 4 宝泉工程沥青混凝土整平层现场 密度和空 隙率测试统计结果 表 4 中反算的现场密实度等效击实次数也同样证实整平层施工密实度相当于室 内马歇尔试件击实 1 8 2 0 次以上 ，平均 2 8 次，是对表2 及表3 试验结果最有力的实践检验 。 3 防渗层沥青混凝土空隙率和击实次数的关系 宝泉工程防渗层沥青混凝土配合 比见表 5 。 表 5 防渗层沥青混凝 土配合 比 目标值 混合料 1 O O 9 8 5 8 7 0 6 6- 3 51 6 3 7 5 2 6 5 1 8 - 3 1 4 4 l 1 3 7 0 0 1 O O 9 92 8 92 68 9 5 4 8 3 95 2 8 1 1 9 0 1 4 7 1 1 6 68 2 工业性试 验现场碾 压施工工艺为 ：摊铺温度 1 6 0 1 8 0 C；初碾 温度 1 3 0 1 5 0 C；终碾温度 1 0 0 - 1 2 0 o C ；碾压设备 3 6 t H A MM振动碾 ；碾压遍数为动碾 2 遍 、静碾 2 遍。 对现场取芯的芯样进行密度和空隙率试验 ，检测现场碾压效果 。防渗层现场取芯密度及空隙率 测试 结果 见 表 6 。 现场取混合料样 品室内成型马歇尔试件 ，成型温度和现场一致 ，1 4 0 C 5 0 C，采用不同击实次数 击实。沥青混合料的最大密度 ( 理论密度) 为2 4 7 0 g c m 。试件的密度和空隙率测试结果见表 7 。 - - 1 4 7 - 沥青混凝土空隙率与击实次数 的关 系 刘增宏 黄昊郝巨涛汪正兴 表6 防渗层 现场取芯密度及空隙率测试结果 注 ：表 中计 算 结 果 是 根 据 拟 合 曲线 公 式 计 算 。 从表7中可以看 出，沥青混凝土的密度随击实次数的增加而增大，空隙率随击实次数的增加而减 小 ，密度和空隙率的变化梯度均随击实次数的增加在急剧衰减。当击实次数增加到一定程度 ，密度 和空隙率都不再 明显变化。说明击实次数增加到一定程度 ，不再产生击实效果 。联系到现场 ，碾压 到一定程度 ，碾压遍数 的增加不再产生碾压效果 。否则 ，过分碾压可能会产生裂缝等 问题 ，表 7 测试 结 果 的相关 关 系见 图 2 。 防渗层沥青混凝土密度， 空隙率和击实次数的拟合曲线可表示为： P：2 4 7 0 一 r 2 4 7 0 2 2 2 6 ) e 一 一 0 0 2 1 ( 5 ) = f 2 4 7 0 一 p ) 2 4 7 0 1 0 0 ( 6 ) 式中：p 为密度 ，g e m ； 为空隙率 ，；n 为击实次数。 就宝泉工程防渗层沥青混凝土而言 ，沥青混凝土理论密度p = 2 4 7 0 g c m ，沥青混合料 的松散密 度p 0 = A B = 2 2 2 6 0 0 2 1 = 2 2 0 5 g e m ，对应 的沥青混凝 土最大 空隙率为 1 0 8 ；极限密度P - B = 2 4 4 9 g c m ，不能通过压缩实现的当量密度 B = 2 4 7 0 2 4 4 9 = 0 0 2 1 g c m ，对应的沥青混凝土最小空隙率 0 9 。 根据式 ( 5 ) 计算得到不同击实次数对应 的防渗层沥青混凝土密度和空隙率见表 7 。从表7 可 以看 出，防渗层沥青混凝土室内马歇尔试件击实次数达到 1 5 1 8 次，基本就可以达到极限密度，所 以室 内 一 1 48 沥青混凝土空隙率与击实次数的关系刘增宏黄吴郝巨涛汪正兴 2 5 O 2 4 5 2 4 0 舍 2 3 5 2 3 0 毯 2 2 5 豫2 2 0 2 l 5 2 1 O 格 暨 稍 击实次数( 次) ( a ) 密度和击实次数的关系 击实次数( 次) ( b ) 空隙率和击实次数的关系 图 2 防渗层沥青混凝土密度和空隙率与击实次数 的关系 马歇尔试件 的击实次数 2 0 次是比较合理 的。所测得的密度接近极限密度 ，空隙率接近最小值。根据 式( 5 ) 反算现场取芯芯样的密度和空隙率等效击实次数见表 8 。 表 8 现场取芯芯样密度， 空 隙率对应的等效击实次数 芯样 编号 密度 ( g c m 。 ) 空隙率， 等效击实次数 芯样 编号 密度， ( g ， c m ) 空隙率， 等效击实次数 1 2 4 2 7 1 7 9 1 l 2 41 1 23 7 2 2 41 6 2 1 8 1 2 2 4 0 4 26 7 3 2 41 6 2 1 8 1 3 2 4 11 23 7 4 2 41 6 2 1 8 1 4 2 4 0 6 26 7 5 2 4 0 6 2 6 7 1 5 2 4 0 8 25 7 6 2 4 0 7 2 5 7 l 6 2 4 0 2 28 6 7 2 4 0 3 2 7 6 1 7 2 。4 03 27 6 2 41 4 2 2 8 l 8 2 4 0 7 25 7 9 2 4 0 7 2 5 7 1 9 2 41 2 2 3 7 1 0 2 41 0 2 4 7 2 2 4 1 5 22 8 平均值 2 4 1 0 2 4 7 平均值 2 4 1 0 2 4 7 宝泉工程沥青混凝 土防渗层现场通过核子密度仪检测密度( 空隙率 ) 共 2 0 2 2 点 ，统计结果见表 9 。根据式( 1 ) 反算得等效击实次数也列入表 9 。 表 9 宝泉工程沥青混凝土防渗层现场密度 空隙率测试统计结果 注 ：测试点 2 0 1 1 。 - - - 1 4 9 - 沥青混凝土空隙率与击实次数 的关系刘增宏黄吴郝巨涛汪正兴 从表 8 、表 9 中可以看出，防渗层现场压实效果相 当于室内马歇尔试件( 正反面) 击实 5 - 1 2 次，平 均7 次。这就是为什么防渗层室 内马歇尔试件空隙率总是 比现场空隙率小的原因。 4 结论 ( 1 ) 沥青混凝土存在极限密度和不可压缩当量密度 ，对应 的空隙率是最小空隙率 ；( 2 ) 沥青混凝 土的压缩指数卢 是一个重要参数 ，卢 值越大 ，达到极限密度( 最小空隙率) 所需要的击实次数越少。宝 泉工程整平层压缩指数 0 1 3 1 ，接近极限密度需击实 3 5 次以上 。防渗层压缩指数 0 2 5 8 ，接近极限密 度需击实 1 8 2 0 次以上 ；( 3 ) 宝泉工程防渗层沥青混凝土现场密实度( 空隙率在 1 0 3 0 之间) 相当于 室 内马歇尔试件击实 5 1 2 次 ，平均 7 次；( 4 ) 宝泉工程整平层沥青混凝土现场密实度 ( 空隙率在 1 1 1 1 4 5 之间) 相 当于室内马歇尔试件击实 1 6 5 O 次以上 ，平均 2 8 次 ；( 5 ) 研究不 同品种矿料 、不同级 配 、不同沥青含量沥青混合料的可压缩性能 ，提出理想的沥青混凝土初选参数 ，是一个有待于进一 步深入研究的课题 。 参 考 文 献 ： 1 丁朴荣 水工沥青混凝土材料选择与配合 比设计 M 北京 ： 水利 电力出版社 ， 1 9 9 0 2 岳跃真， 郝巨涛， 等 水工沥青混凝土防渗技术 M 北京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 7 Re l a t i o ns hi p be t we e n p e r c e nt v o i ds o f a s pha l t c o nc r e t e an d c o m pa c t i o n t i me s LI U Ze n g -h o n g， HUANG Ha o， HAO J ut a o， W ANG Zh e n g x i n g ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fS i mu l a t i o n a n dR e q u l a t i o n ，I W HR，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Abs t r ac t ： De n s i t y a n d pe r c e nt a i r v o i d s ar e t wo i mp o r t a nt t e c h n i c a l i n d i c e s o f a s p ha l t c o n cr e t e Th i s p ap e r h a s r e s e a r c h e d t h e c o r r e l a t i o n b e t we e n p e r c e n t a i r v o i d s a n d Ma r s h a l l c o mp a c t i o n t i me s b y l a b o r a t o r y Ma r s ha l l c o mpa c t i o n t e s t ， a nd t h e n e s t a b l i s he d a s t a t i s t i c a l r u l eAc c o r d i n g t O t he s t a t i s t i c a l rul e， t h e d e ns i t y a n d p e r c e nt a i r v o i ds o f a s p ha l t c o n c r e t e we r e s t a t i s t i c a l l y c o un t e d du r i ng t h e c o ns t r uc t i o n o f t h e Ba o q ua n u p p e r r e s e r v o i r i mp e r v i o u s p a n e l p r o j e c t T h e p a p e r s u mma r i z e d a c o r r e l a t i o n b e t we e n t e s t r e s u l t i n c o n s t r u c t i o n a n d c o mp a c t i o n t i m e s i n l a b o r a t o ry，w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r f u t u r e p r o j e c t s Ke y W o r ds：a s p ha h c o n c r e t e；de n s i t y；pe r c e n t a i r v o i ds ； c o mpa c t i o n； r o l l i n g 一 1 5 0 一 ( 责任编辑 ：王冰伟)