沥青介质法实测路面空隙率研究及应用

?

沥青介质法实测路面空隙率研究及应用

周卫峰1,2，李源渊2，陈华鑫3

(1.天津大学　管理与经济学部,天津　300073；2.天津市市政工程研究院，天津　300074；

3.长安大学　材料科学与工程学院，陕西　西安　710064)

摘要： 为克服目前沥青路面空隙率检测代表性及准确性差的缺点，研究开发直接实测沥青路面芯样最大理论相对密度及计算空隙率的沥青介质法，并应用于实际工程的质量检测与评定。研究结果表明，与传统方法相比，沥青介质法克服了溶剂法与真空法的缺点，以热沥青为介质，更准确地测定了沥青芯样的最大理论相对密度，因此准确性更高；沥青介质法直接利用芯样本身的毛体积密度及最大理论相对密度计算芯样空隙率，因此代表性更强；工程中只要有沥青路面芯样，便可应用沥青介质法实测其空隙率，而不需查阅施工时的混合料最大理论密度，因此应用更方便。利用沥青介质法实测的芯样最大理论相对密度的变异性可准确评价沥青路面的变异性；沥青介质法实测的路面空隙率与渗水系数有很好的相关关系。实际工程中，可方便地利用沥青介质法实测芯样空隙率，其结果可作为路面质量评价及质量监控的有效手段。

关键词： 道路工程；沥青路面芯样；沥青介质法；空隙率；理论最大相对密度

0　引言

空隙率是表征沥青路面内在质量的核心指标之一。沥青路面所有性能如抗裂能力、抗车辙能力、抗水破坏及抗疲劳能力等，都与路面空隙率大小有密切关系[1-3]。研究表明，路面空隙率过大，将产生诸如唧浆、坑槽、推移、拥包等水破坏现象[4-7]。空隙率过大同时也会导致二次压密产生车辙[8-9]。空隙率过小又会出现泛油、车辙等破坏现象。因此在路面建设过程中，如能准确方便地得到新铺筑的沥青混凝土路面的空隙率，并根据空隙率状况及时调整下一步施工工艺，将对提高沥青路面质量起到积极作用。

但是目前施工中检测得到的空隙率并不能客观准确地代表路面真实空隙率[10-12]，这主要是由于目前计算空隙率所用的最大理论相对密度的代表性差及难以准确测定所致。

一方面，目前工程中计算空隙率所用的最大理论相对密度是实验室得到的一个固定值，代表了当天所有混合料的最大理论相对密度。但是，施工中油石比、级配、集料品种的变异、摊铺及碾压离析等都会导致路面最大理论相对密度出现变异。因此，实际上，路面每一点处，即每个路面芯样的最大理论相对密度都是不同的，因此用不变的理论最大相对密度计算的路面空隙率是不准确的，难以代表路面真实空隙率。

另一方面，最大理论密度难以精确测定。目前最大理论相对密度的测定方法有溶剂法和真空法。溶剂法以三氯乙烯溶剂为介质，将沥青溶解，拟得到没有空隙的混合料，但溶剂同时进入了集料的开口空隙，理论上其值偏大。真空法以水为介质，拟通过真空负压使得水进入松散混合料中，从而得到没有空隙的混合料，但松散的混合料亦有闭口空隙，水很难进入，此法理论上其值偏小。

基于此，研究开发了实测路面芯样最大理论相对密度的沥青介质法。该法以热沥青为介质代替三氯乙烯及水，直接测定能够代表路面实际状况的芯样的最大理论密度并计算芯样空隙率，因此更准确、代表性更强。同时该法可作为工程质量评价手段，对于评价路面施工质量，及时发现问题并指导施工具有积极的意义。

1　试验方法

1.1　试验方法原理

原理是将已完成相关试验的沥青混凝土芯样晾干后，先用蜡封法测其毛体积相对密度γM，然后将带蜡的沥青混凝土芯样放入容量合适的容器(盆)中在烘箱中化开，后加入大量热沥青淹没混合料并搅拌排除气泡，得到空隙率为零的状态下芯样的最大理论密度γL，后计算芯样的空隙率VV。

1.2　试验方法

(1)采用蜡封法测定干燥芯样毛体积相对密度γM，具体试验方法见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。

(2)沥青介质法测定芯样最大理论相对密度。

(a)试验用具：钢勺、沥青混合料容器(碗、盆等均可)、水中重法全套仪器、烘箱。

(b)称量钢勺和1#盆的空中质量(M1)及水中质量(M2)，称量测定沥青密度用2#盆的空中质量(M6)及水中质量(M7)。

(c)将装有钢勺及芯样的1#盆放入160 ℃的烘箱中，芯样处于分散状态后保温30 min；同时用烘箱加热155～160 ℃(改性沥青)或135～140 ℃(基质沥青)2～3 kg。

(d)取出装有钢勺及芯样混合料的1#盆，快速准确称量钢勺、1#盆、芯样的总质量(M3)。将准备好的沥青倒入1#盆中，直至淹没芯样混合料，并迅速用钢勺搅拌约1 min，排出气泡；同时将沥青倒入2#盆中，不搅拌。后置于温度160 ℃的烘箱中，每隔30 min搅拌一次以排除气泡，共搅拌3次，工作完成后取出1#及2#盆，在室温下放置12 h以上。

(e)称量装有钢勺、沥青及芯样混合料的1#盆的总质量(M4)及水中质量(M5)。

(f)称量装有沥青的2#盆的总质量(M8)及水中质量(M9)。

(g)计算沥青混合料最大理论相对密度，公式如下：

式中γA为沥青的相对密度,;γW为试样蜡的相对密度；MW为试样蜡的质量。

(3)计算芯样的空隙率VV。

2　试验方法说明

(1)沥青介质法的创新点是：首先该法能够直接测定代表沥青路面真实状况的芯样最大理论相对密度(不再是固定值)，解决了代表性差的问题；同时以热沥青替代水或三氯乙烯，作为排除气泡的介质，理论上可得到真正的空隙率为零的混合料密度，解决了准确性差的问题。

(2)对沥青介质法与真空法试验结果的变异性、复现性进行比较发现，真空法实测结果的变异系数是沥青介质法的1.8倍，沥青介质法的复现性也更好。

(3)由于该法直接实测芯样的最大理论相对密度，因此与传统方法相比，计算得到的空隙率也是更准确的芯样空隙率，它准确地代表了路面的空隙率状况。

(4)由于路面空隙率差别较大，根据研究结果，空隙率在1%～14%之间，因此为保证试验的准确性及代表性，沥青混凝土芯样的毛体积密度用蜡封法测定。

(5)方法中沥青的密度同时与其他样品采用水中重法测定，试验条件相同，得到的沥青密度结果真实可靠。

3　应用及结果

3.1　利用芯样即可方便准确地测得已建路面的空隙率

已建路面出现损坏后，仅就路面及材料而言，以往的做法是需要调查施工中混合料的油石比、级配、压实度及空隙率等是否合格。在需现场进行实际检测而不是调查资料的情况下，油石比及级配可通过对路面混合料取样进行抽提筛分得到。但对于压实度及空隙率，除需钻芯并进行芯样密度试验外，还必须调查施工当天的混凝土最大理论密度及击实试验的试件密度。姑且不论数据的真实性，仅就其代表性而言，所得到的空隙率及压实度对于评价路面的破坏原因也是不客观的。

采用沥青介质法，则没有必要调查施工资料，只需采用此法实测所取芯样的最大理论相对密度，然后根据其毛体积密度计算空隙率，结果准确代表了路面的空隙率状况。一方面非常方便，避免了查阅数据的麻烦及由数据的真实性带来的偏差;另一方面，准确、客观地评价了真实的路面空隙率状况。

某快速路路面建成后半年约10 km的路面出现了严重的坑槽、唧浆、推移等水破坏现象，为确定破坏原因，现场共取芯5个，并根据查阅的施工档案，计算了空隙率及压实度，发现空隙率、压实度等数据均合格，如表1所示：

表1　空隙率及压实度数据

Tab.1　Data of air voids and compactness

蜡封法毛体积相对密度施工时最大理论相对密度施工时马歇尔相对密度空隙率/%压实度/%2.3462.5072.3656.499.22.3522.5122.3886.498.52.4012.5082.4154.399.42.3392.5082.3416.799.92.3582.5232.3916.598.6

根据检测数据，出现破坏路段的沥青、集料的各项指标均满足要求，空隙率平均值为6.1%，代表值为7.7%，属于较理想的空隙率。为深层次探究其破坏原因，对该路段的5个芯样换用沥青介质法实测了芯样的空隙率，实测结果见表2。

由表2可知，换用沥青介质法实测路面空隙率后，实测的芯样空隙率平均值为7.9%，代表值达到9.9%，空隙率过大，因此可以判定，此段路面的水破坏现象主要由于压实不足，空隙率过大造成的。

表2　沥青介质法实测芯样空隙率数据

Tab.2　Data of air voids core samples measured by asphalt medium method

序号盆勺质量盆勺水中质量/g盆勺料质量/g盆勺油料质量/g盆勺油料水中质量/g试件蜡质量/g蜡相对密度沥青相对密度芯样最大理论相对密度芯样蜡封法毛体积相对密度芯样空隙率/%1116.687.8608.6947.9391.011.70.8601.03882.5572.3468.22113.581.9369.7617.0240.210.50.8601.03882.5882.3529.13117.789.3632.7870.2406.55.70.8601.03882.5462.4015.74106.078.6548.9919.5352.112.50.8601.03882.5512.3398.35117.587.8419.3650.6272.310.90.8601.03882.5682.3588.2

3.2　利用实测最大理论相对密度评价施工变异性

施工的变异是油石比的变异、集料种类的变化、级配的离析、施工压实的变异等等综合形成的，而这种变异最终综合反映到摊铺后的路面上，这种施工的变异对路面造成的影响往往难以量测。而目前在施工过程中，只能在实验室定量监控油石比和级配的变异，而这并不能准确反映施工后的路面质量情况并有效控制工程质量。

根据沥青介质法测定的沥青混凝土芯样的最大理论密度的变化情况，可以综合判定路面质量的变异情况。

钻取天津某高速公路的中、表面层的芯样(每1 km钻芯一个)，采用沥青介质法实测了芯样的最大理论相对密度及空隙率,如图1～图4所示。

图1　某高速公路表面层芯样最大理论相对密度变化
Fig.1　Change of theoretical maximum relative density of 
core samples from surface layer of an expressway

图2　某高速公路表面层空隙率变化
Fig.2　Change of air voids of surface layer of an expressway

图3　某高速公路中面层芯样最大理论相对密度变化
Fig.3　Change of theoretical maximum relative density of 
middle layer of an expressway

图4　某高速公路中面层空隙率变化
Fig.4　Change of air voids of middle layer of an expressway

由图1～图4可以看出：

(1)如以小于等于6%作为施工后路面空隙率的标准，那么实测中面层空隙率的合格率明显高于表面层，表面层桩号1～13及23～27两段存在严重的水破坏隐患，后对此两段在通车前采用雾封层进行了预处理，以降低出现早期的水破坏的风险。

(2)假设中表面层施工时级配、油石比、摊铺、集料等都是均匀的，即在理想情况下，芯样实测的最大理论相对密度不变，可以根据最大理论相对密度的变化情况来综合评价沥青混凝土路面的施工变异性。

由图4可以看出，中面层最大理论相对密度的值位于2.56～2.63之间，其标准差为0.018，变异系数为0.69%。表面层位于2.50～2.65之间，其标准差为0.034 8，变异系数为1.348%。表面层的最大理论相对密度的标准差和变异系数均为中面层的1.8倍以上。从变异的角度来看，中面层的施工质量明显优于表面层。

3.3　准确评价路面质量

空隙率是衡量沥青路面施工质量的重要指标。通常在进行沥青路面质量监控时，将沥青混合料的最大理论密度作为一个不变量，来计算施工后沥青混合料的芯样空隙率。由于施工离析等因素的影响，正如本研究所证明的，沥青混合料的最大理论密度并不是一个常量，因此会造成实际空隙率计算上的误差，以及对空隙率真实水平的误判，对沥青路面的使用寿命产生潜在的不利影响。

以本研究所取表面层芯样为例，查阅施工资料，表面层施工中实验室实测的最大理论相对密度为2.560～2.562，据此计算的空隙率与沥青介质法计算的空隙率对比见图5。其中细线为用沥青介质法实测的空隙率。

图5　表面层空隙率对比图
Fig.5　Comparison of air voids of surface layer

由图5可见，传统方法与沥青介质法测定的空隙率存在着较大的差别，其最大空隙率差值达到2.9%，27个芯样空隙率平均差值达到1.8%，如此大的差值不可能准确评价路面质量。用沥青介质法实测的空隙率数据表明，桩号1～13路面空隙率大于8%，其质量是不合格的，是需要进行处理的段落，但传统方法评价结果则表明此段路面空隙率是合格的，这无疑将留下质量隐患。对于中面层，传统方法与本方法得到的空隙率最大差值为1.5%，平均差值为0.8%，虽然这是由于中面层质量控制较好，最大理论相对密度相差不大的原因，但此差值仍会对准确评价路面质量产生不利影响。

基于此，与传统方法相比，沥青介质法实测沥青路面芯样空隙率更能准确反映路面质量。

4　沥青介质法实测路面空隙率与渗水的关系

在某新建高速公路上进行了空隙率与渗水系数关系的试验。先进行渗水试验，后在渗水仪正下方取芯，用沥青介质法测芯样空隙率。空隙率与渗水系数关系见图6。

图6　渗水系数与空隙率关系
Fig.6　Relationship between permeability coefficient 
and air voids

由图6看出，渗水系数与空隙率有很好的相关关系，当空隙率大于6%时，渗水系数急剧增大。因此一方面验证了沥青介质法实测空隙率的可靠性；另一方面，建议实体工程采用沥青介质法实测空隙率时采用小于等于6%的标准。

5　结论

(1)沥青介质法实测沥青混合料芯样最大理论密度及空隙率方法简单，理论上可行，不需专门仪器设备，且试验条件固定，人为因素影响小，可以真实得出路面真正的空隙率，对于评价路面施工质量，及时发现路面施工问题具有一定的应用价值。

(2)沥青介质法实测的沥青混凝土的最大理论相对密度的变化情况可以较准确地反映实体工程质量的变异情况，可进一步研究并提出标准，以控制沥青路面的质量。与传统方法相比，沥青介质法实测的空隙率能够更准确地反映路面空隙率真实状况。

(3)沥青介质法实测空隙率与渗水系数有很好的相关关系，当空隙率大于6%时，渗水系数急剧增大，建议实体工程采用沥青介质法实测空隙率时采用小于等于6%的标准。

(4)工程应用中，可很方便地将沥青介质法作为路面质量控制辅助手段。具体做法是，每天将完成密度试验的芯样(过去废弃不用)采用沥青介质法，实测芯样空隙率，评价路面质量及变异性。这样既充分利用了废弃芯样，又方便地增加了一项评价路面质量的指标，对进一步提高工程质量具有积极的意义。

参考文献：

References:

[1]　PELL P S，COOPER K E. The Fatigue of Testing and Mix Variables on the Fatigue Performance of Bituminous Materials[J].Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1975, 44: 1-37.

[2]　HUBER G A, HEIMAN G H. Effect of Asphalt Concrete Parameters on Rutting Performance: A Field Investigation(with Discussion)[C]//Association of Asphalt Paving Technologists Proceedings. Washington,D.C.:TRB,1987,56:33-62.

[3]　姚祖康.沥青路面结构设计[M].北京：人民交通出版社, 2011.

YAO Zu-kang. Asphalt Pavement Structure Design [M]. Beijing：China Communications Press, 2011.

[4]　沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M]. 北京：人民交通出版社,2004.

SHEN Jin-an. Failure Analysis and Preventive Techniques of Premature Damage of Asphalt Pavement in Expressway[M]. Beijing: China Communications Press, 2004.

[5]　沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M]. 北京：人民交通出版社,2001.

SHA Qing-lin. Premature Damage and Its Preventive Measures of Bituminous Pavement on Expressway[M]. Beijing：China Communications Press, 2001.

[6]　沙庆林.重载交通长寿命半刚性路面设计与施工[M]. 北京：人民交通出版社,2011.

SHA Qing-lin. Design and Construction of Long Life Semi Rigid Pavement for Heavy Traffic with Heavy Wheel Load[M]. Beijing： China Communications Press, 2011.

[7]　王黎明,谭忆秋. 沥青路面铺筑温度场数值仿真模型[J]. 北京工业大学学报,2013,39(12):1827-1834.

WANG Li-ming，TAN Yi-qiu. Research on Simulation Model of Asphalt Pavememt Paving Temperature Field [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2013,39(12):1827-1834.

[8]　叶奋,王宝松.成型温度对温拌沥青混合料水稳定性的影响[J]. 建筑材料学报,2009,12(3):302-305,309.

YE Fen, WANG Bao-song. Influence of Compaction Temperature on the Moisture Susceptibility of Warm Asphalt Mixture [J]. Journal of Building Materials, 2009,12(3):302-305, 309.

[9]　王辉,李雪连,张起森. 高温重载作用下沥青路面车辙研究[J]. 土木工程学报, 2009(5):139-144.

WANG Hui, LI Xue-lian, ZHANG Qi-sen. Rutting in Asphalt Pavement under Heavy Load and High Temperature [J]. China Civil Engineer Journal, 2009(5):139-144.

[10]徐科. 沥青路面空隙率分布规律研究[J]. 公路交通技术,2008(3):38-40.

XU Ke. Research on Distribution Rule of Asphalt Pavement Space [J]. Technology of Highway and Transport, 2008(3):38-40.

[11]周月波,刘后林,吴文彪. 沥青混凝土路面空隙结构分析[J]. 山西交通科技,2013(4):19-22.

ZHOU Yue-bo,LIU Hou-lin, WU Wen-biao. The Analysis of Void Structure of Asphalt Concrete Pavement [J]. Shanxi Science & Technology of Communications, 2013(4):19-22.

[12]李明国,申爱琴,臧芝树，等. 空隙率对沥青混凝土路面透水性影响及施工中的控制[J]. 公路,2010(6):192-196.

LI Ming-guo, SHEN Ai-qin, ZANG Zhi-shu, et al. Influence of Porosity on Water Permeability of Asphalt Concrete Pavement and Construction Control [J]. Highway,2010(6):192-196.

Study and Application of Asphalt Medium Method for Measuring Pavement Air Void

ZHOU Wei-feng1，LI Yuan-yuan2，CHEN Hua-xin3

(1.College of Management and Economics, Tianjin University,Tianjin 300073,China;2.Tianjin Municipal Engineering Research Institute, Tianjin 300074,China;3. School of Materials and Engineering, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China)

Abstract： In order to overcome the disadvantages of poor representation and the accuracy in current air voids of asphalt pavement testing, we researched and developed the asphalt medium method for direct measuring asphalt pavement core samples’ largest theory relative density and calculating air voids, and applied it for quality inspection and evaluation of practical projects. The research result shows that(1) Compared with traditional method, the asphalt medium method overcame the drawbacks of solvent method and vacuum method, using heat asphalt as medium, it can more accurately measure the largest theory relative density of asphalt core samples, so the accuracy is higher.(2) The asphalt medium method directly uses the core samples’ bulk density and largest theory relative density for core samples’ air voids calculation, it has stronger representation.(3) As long as there is core samples from asphalt pavement, the asphalt medium method can be used for measuring its air voids, and it does not need to consult the maximum theoretical density of mixture for construction, so the application is more convenient. The variability of the measured largest theory relative density of core samples using the asphalt medium method can accurately evaluate the variability of the asphalt pavement.(4) There is a good relationship between the measured pavement air voids and the water seepage coefficient measured by the asphalt medium method. In practical projects, the method can be easily used for measuring the air voids of asphalt core samples, the result can be used for pavement quality evaluation and quality control.

Key words： road engineering; asphalt pavement core sample; asphalt medium method; air voids; maximum theoretical relative density

中图分类号：U416.217

文献标识码： A

文章编号： 1002-0268(2016)04-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.002

作者简介：周卫峰(1971-)，男，陕西韩城人，正高级工程师，博士后.( [e-mail])

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10-0277)

收稿日期：2015-05-06