集料有效密度确定方法影响比较

沥青混合料理论密度简介

 

沥青混合料理论密度概念

 

沥青混合料的理论密度是沥青混合料的重要参数之一，其含义为沥青裹附集料后，形成的沥青混合料的无空隙状态的密度，即沥青粘附到集料上形成混合体积(包括集料的微观闭口体积及一部分微观开口体积)后的单位体积的质量。即假定沥青混合料的空隙为零时的密度。

 

在沥青混合料的配合比设计中，空隙率、集料间隙率及沥青饱和度被作为沥青混合料的设计指标，对确定沥青混合料的油石比起着决定性的作用，而混合料理论的最大相对密度是计算这三大指标的主要参数。因此，混合料理论最大相对密度的准确性将直接影响沥青混合料配合比结果的准确性。

 

对于沥青混合料密度测定而言，混合料质量可以直接称量，容易确定。但是对于沥青混合料体积而言很难确定其准确的密度值，要想获得准确的密度值，必须获得准确的混合料体积。

 

沥青混合料体积组成分析

 

沥青混合料的体积，并不是简单的把沥青的体积与集料的体积直接相加就可以得到。实际上，由于沥青混合料用集料是经过破碎加工得到的，集料因为破碎而使其内部的部分微观闭口空隙成为开口的微观空隙，因为集料表面微观开口空隙的存在，当沥青在高温流动状态下与集料拌合时，一部分沥青进入集料表面的微观开口空隙内部，沥青与集料粘附到一起时，形成的共同体积小于混合前各自的体积(沥青体积 集料体积)。而沥青与集料形成的共同体积的测定，是确定沥青混合料理论密度的关键。由于不同集料的表面开口微观空隙的大小及数量不同，所以沥青进入集料内部的程度及数量也不同，形成的共同体积也不同。只有准确的确定沥青进入集料的数量，才能准确的确定沥青与集料混合后形成的共同体积。

 

集料有效密度概念解析

 

沥青与集料形成的混合料的体积实际上是由沥青体积、集料表观体积(集料本身体积与闭口微观体积之和)与未被沥青填充的开口微观空隙的体积之和，而集料的表观体积(集料本身体积与闭口微观体积之和)和未被沥青填充的开口微观空隙的体积则称为集料的有效体积，对应的该单位有效体积的集料质量(密度)，称为集料的有效密度。因此，集料的有效密度则大于集料的毛体积相对密度，而小于集料的表观相对密度。假设沥青完全填充进集料的开口微观空隙，那么沥青与集料混合后的体积就应该是沥青的体积与集料表观体积(集料本身体积与闭口微观体积之和)之和，此时的沥青混合料理论密度为集料表观相对密度下的沥青混合料理论相对密度；假设沥青一点也没有填充进集料的开口空隙，那么沥青与集料混合后的体积就应该是沥青体积与集料的毛体积(集料本身体积、闭口体积与开口体积之和)之和，此时的沥青混合料理论密度为集料毛体积相对密度下的沥青混合料理论相对密度。由于集料多少都会吸收一部分沥青，因此，真实有效的沥青混合料的理论相对密度应大于集料毛体积相对密度下的沥青混合料理论相对密度，小于集料表观相对密度下的沥青混合料理论相对密度。

 

综上所述，只要能准确确定集料的有效密度(体积)就能确定沥青混合料的真实理论相对密度。

 

沥青混合料理论密度确定方法

 

当前，沥青混合料的理论密度确定方法主要有两种：一种是直接实测法，另一种是计算法。

 

直接实测法确定沥青混合料理论密度方法介绍

 

真空法

 

真空法是借助真空泵，抽出沥青混合料间隙中的空气，并让水进入沥青混合料集料之间的间隙中，使沥青混合料集料间的间隙率为0，从而获得沥青混合料的无空隙状态下的体积，进而求得沥青混合料的理论相对密度。真空法适用于吸水率小，集料开口微观空隙的沥青混合料，对于多孔性集料有可能集料表面并未全部为沥青裹覆或在抽真空时将沥青膜破坏使水进入未被沥青填充的开口空隙，造成所测得的结果偏大，因此它不适用于吸水率＞3％的多孔性集料的沥青混合料。真空法要求沥青混合料充分分散，粗集料不破碎，细集料团块分散到＜6.4mm，避免集料内部有较多的小气泡，影响测定结果。

 

目前，我国标准、美国标准ASTMD2041、英国标准、欧盟标准都列入了真空法。

 

溶剂法

 

溶剂法是借助溶剂(三氯乙烯)将裹覆在集料表面的沥青溶解，让沥青进入溶剂中，使混合料空隙率为0，由于溶剂将沥青膜溶解后将进一步进入集料开口空隙中，使得混合料实际体积变小，造成结果偏大，因此它不适用于吸水率＞1.5％的混合料。

 

溶解法

 

溶解法列入了我国试验规程，但是应用甚少。

 

计算法确定沥青混合料理论密度方法介绍

 

要计算沥青混合料理论相对密度，只要确定集料的有效体积，就可以计算出集料的有效相对密度。而要确定集料的有效体积的关键就在于集料开口空隙对沥青的吸收量，它取决于集料的开口空隙、吸水性、沥青的粘度、沥青用量以及拌合的温度、时间等。

 

采用集料毛体积相对密度、表观相对密度、吸水率确定集料有效相对密度

 

如集料的开口微观空隙较大、较多，就能使沥青比较容易地进入开口微观空隙，并且进入的量较多，使得集料的有效体积变小，沥青与集料混合后的混合料的理论相对密度将增大。根据有关研究，集料的吸水率与集料吸收沥青有一定的相关性。为计算集料有效相对密度，引入了一个吸收系数，以表示集料吸收沥青的能力。这个系数由美国SHRP最早提出，称为经验常数，通常采用0.8，吸水性集料时采用0.5或者0.6，它采用集料有效相对密度计算混合料的理论最大相对密度。

 

中国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)规定，对改性沥青及SMA等难以分散的混合料，沿用了上面经验公式，对式中的经验常数C更改为合成集料的沥青吸收系数。沥青吸收系数的公式是我国学者经过试验研究，由沥青浸渍密度反算得到的不同吸水率的C值。由此可知，当C值采用0.8时，集料合成吸水率为0.482；当C值采用0.6时，集料合成吸水率为1.338；当C值采用0.5时，集料合成吸水率为1.871。对非改性沥青混合料，以预估的最佳油石比拌和2组混合料，采用真空法实测最大理论相对密度，取平均值。然后反算合成集料的有效相对密度，然后计算沥青混合料的理论最大相对密度。

 

沙庆林沥青混合料理论密度计算法。中国工程院沙庆林院士采用集料毛体积相对密度、表干相对密度、吸水率确定集料有效相对密度，进而计算沥青混合料理论密度。确定集料有效相对密度后，再计算沥青混合料的理论密度。

 

目前，采用集料表观相对密度、毛体积相对密度计算沥青混合料理论相对法列入了我国标准，美国SHRP研究计划也列入了此理论相对密度计算法。

 

采用石蜡油直接测定集料的有效相对密度确定沥青混合料理论密度

 

该方法是采用一定标准参数的石蜡油，要求20℃下粘度为170cSt±10cSt，这个粘度正是沥青拌合温度下的推荐粘度范围。该方法的主要特点是采用与沥青拌合粘度相同的介质测量集料的密度，由于粘度相同，能够模拟在拌合过程中沥青对集料孔隙的浸入填充状态，可以模拟热沥青与集料拌合后形成的共同体积状态，因此从理论上来讲，该方法得到的集料密度就是国内所说的有效密度。该方法相对国内有效密度的计算方法而言，能够避免细集料毛体积密度试验过程中的人为因素误差。

 

石蜡油测定集料密度简介：

 

主要的试验步骤：

 

(1)试验准备。a.准确测量20℃时石蜡油的密度，检测20℃时石蜡油的粘度在170cSt±10cSt之内；b.根据标准要求准备好试验样品(碎石约800g，石屑约500g)，样品放在105±5℃的烘箱中烘干直至质量恒定，也即相隔1h样品连续称重相差≤0.1%，然后放在装有颜色指示剂的无水硫酸钙的干燥箱里进行冷却直至试验温度。

 

(2)确定样品的干质量。已知比重瓶的质量M0及内部体积V0(精确至0.1ml);在比重瓶内加入密度为ρp(t/m3)的石蜡油以浸透测试样品；把比重瓶与所加的液体进行称重，得质量M1；把样品小心地放进比重瓶里，均匀搅拌比重瓶以消除比重瓶里的气泡，把已装浸透样品液体的比重瓶称重，得质量M2；相减得样品的干质量M3=M2-M1。

 

(3)确定样品的体积。把装有样品的比重瓶保持在压力47kPa2h，然后把比重瓶灌满石蜡油，并放在20±1℃的室温内4??6h。把比重瓶从室温内取出，用过滤纸补充或吸收的方式把石蜡油添加至试管所需的刻度，这时称的重量为M4。

 

所以液体的质量:MP=M4－(M0＋M3)；液体的体积：VP=MP／ρp；相减得样品的体积：Ve=V0－VP；集料试样的有效相对密度：GSe=Ms／Ve；试验结果要取3次测试的平均值。

 

目前，法国标准NFP18-559采用石蜡油测定集料有效密度，然后采用集料的有效密度计算沥青混合料的理论密度。

 

不同理论密度检测方法的检测结果对比

 

各种集料有效相对密度确定方法计算

 

为了对比各种沥青混合料理论密度的确定方法，笔者采用埃塞俄比亚AA高速使用的玄武岩碎石集料，应用不同的方法进行了高模量沥青混合料HMAC-25型混合料的理论密度计算对比。

 

各种集料有效相对密度确定方法结果比较

 

可见，中国规范计算法与美国高性能沥青路面研究计算法的结果接近。沙庆林院士计算法、法国NFP18-559计算法、中国规范(JTJF40-2004)实测混合料密度推算法的结果接近。原因分析：对于吸水性较大的集料，采用中国规范(JTJF40-2004)计算法与美国高性能沥青路面研究计算法模拟的沥青吸入集料开口微观空隙的程度大，得到的集料有效相对密度偏大；沙庆林院士计算法、法国NFP18-559计算法、中国规范(JTJF40-2004)实测混合料密度推算法，模拟的沥青吸入集料表面开口微观空隙的程度接近真实状态，特别是通过法国NF标准方法，使用热沥青与集料接触状态等同粘度的石蜡油测定的集料有效相对密度的对比数据更加证明了这一点。

 

集料有效相对密度确定不同方法对沥青混合料理论相对密度和混合料油石比确定的影响

 

使用埃塞俄比亚AA高速使用的K33料场的吸水率较大的集料进行配合比试验研究，采用中国规范(JTJF40-2004)集料有效相对密度计算法与法国NF标准集料有效相对密度计算法，分别计算沥青混合料理论密度。采用马歇尔沥青混合料设计法进行最佳沥青用量确定。通过试验，发现在2种沥青混合料理论相对密度基准下，对于HMAC-25沥青混合料而言，最佳油石比相差0.3%，即采用中国规范(JTJF40-2004)计算法得到的混合料油石比偏大。

 

结论

 

中国规范(JTJF40-2004)要求，由于改性沥青混合料不易分散，采用实测法确定的沥青混合料理论密度偏小，所以规范要求改性沥青混合料采用集料有效相对密度计算法确定混合料理论相对密度。对于吸水率较大的集料而言，规范要求方法确定的沥青混合料理论相对密度偏大，应使用沙庆林院士集料有效相对密度计算法，或法国NFP18-559集料有效相对密度计算法，进行校核修正沥青混合料理论密度。还可以采用制备改性沥青的基质沥青拌制沥青混合料，然后采用实测法测定沥青混合料的理论相对密度，推算集料有效相对密度。采用推算的集料有效相对密度，计算不同沥青用量下的沥青混合料理论相对密度，进行沥青混合料配合比设计。