沥青混合料最大密度测试方法的试验研究＊

朱兴一陈 龙 王福建

（上海大学上海市应用数学和力学研究所1） 上海 200072） （浙江大学交通工程研究所2） 杭州 310027） （浙江大学建筑设计研究院市政交通分院3） 杭州 310012）

0 引 言

为了提高沥青路面的使用性能，首先必须提高沥青混合料的性能，即准确进行沥青混合料配合比设计.目前，国内外普遍采用的沥青混合料设计方法有马歇尔设计法和Superpave沥青混合料体积设计法.该2种方法都考虑到集料和沥青混合料的体积结构在沥青混合料设计中所起到的作用.其中，空隙率VV 是十分重要的控制指标，其影响到沥青混合料使用性能的各个方面.最大密度对计算空隙率等其他体积参数很有用，其准确性直接决定了体积参数的准确度，进而影响到最佳沥青用量甚至是施工质量的控制和检测，此外国内外也有一些地方将其作为确定沥青混凝土路面现场压实度的依据［1］.因此，可以说沥青混合料最大理论密度是沥青混合料配合比设计中的重要一环［2］.

在国际上通常有2种情况：一种是我国历来采用的以各种集料、矿粉、沥青的相对密度及配合比例计算求得的理论密度，日本也采用此法.另一种方法是实测沥青混合料最大密度，美国和欧洲大部分国家采用此法.其中美国主要采用真空法，欧洲主要采用溶剂法.进一步对现行主要方法的优缺点进行比较，将计算法、真空法及溶剂法的优缺点列于表1.

结合台缙高速公路试验路段的课题研究项目的要求，通过试验综合分析不同计算法和实测法所得结果之间的关系，以期完善规范中关于测试沥青混合料最大理论密度中所存在的缺陷，并指导该工程项目的实践.

表1 各类方法比较

1 试验方案及实施措施

关于真空实测法，我国规范所规定的试验步骤有许多值得商酌之处，针对我国规范真空法的规定提出几点看法［3－5］：（1）我国真空法所规定的具体测定条件，均参考了1992年美国沥青技术组给出的上述“最佳测定条件”.其适用性究竟如何值得进一步研究；（2）在《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）（以下简称《规范》）中不推荐使用真空法实测改性沥青混合料和SMA 混合料的理论密度.但事实证明，真空法实测得到的沥青混合料最大理论密度最接近实际状况.因此，可针对改性沥青混合料和SMA 混合料给出与普通沥青混合料不同的真空实测测定条件；（3）我国《规范》中规定“强烈振荡负压容器，使水充分搅动混合料，除去剩余的气泡.每隔2min晃动若干次，直至不见气泡出现为止.”此条可归纳为对测试频率的要求，但是在不给出准确条件的情况下，很可能因为人为因素导致测试结果的偏差.因此，需要通过大量试验给出比较准确的测试频率.

1.1 试验设计

1.1.1 计算法设计参数 在运用计算法计算沥青混合料最大理论密度时，首先需要通过试验确定粗集料密度（表观、表干、毛体积密度）及吸水率、细集料密度（表观、表干、毛体积密度）及吸水率、矿粉密度、沥青密度.其算式为［6］

式中：γ1，γ2，…，γn分别为集料表观密度、集料毛体积密度、集料表观和表干平均密度、集料表观和毛体积平均密度，每一粒径集料的有效密度由式（1），（2）计算.

1.1.2 实测法试验条件参数 为更充分排除混合料空隙内空气，所以采用以下具体的设计参数及参数变化范围，见表2.试验所选用的方法为真空法，采用的仪器为交通运输工程学院道路与工程实验室新引进的仪器.

表2 设计参数及参数变化范围

2 试验结果与分析

2.1 试验条件参数对实测法结果的影响分析

2.1.1 振动频率 针对不同级配及设定试验参数做两组平行试验，并取平均值，得不同振动频率对最大理论相对密度的影响曲线图，见图1～4.

图1 （AC－20F）振动频率对最大密度的影响

图2 （AC－20C）振动频率对最大密度的影响

图3 改性沥青振动频率对最大密度的影响

由图可见，振动频率在80～120r／min之间其递增速率较快，而在120r／min之后其增长速度减缓.但值得注意的是，当振动频率过大，达140r／min 之后，包裹在集料外的沥青膜容易脱落，使水变浑浊，测得的理论相对密度偏大.因此，使用过大的频率会使得测试结果产生很大误差.

图4 SMA 振动频率对最大密度的影响

而对于SMA 沥青混合料而言，当振动频率达到140r／min时，最大理论相对密度值趋于稳定，且随着振动频率的增大，沥青混合料在水中并没有呈现浑浊的现象.

综上所述，根据影响曲线图来看，不论是普通沥青（粗、细集料的级配）及改性沥青，振动频率为120r／min更适合真空实测法；而对于改性沥青，振动频率为140r／min更适合真空实测法.

2.1.2 试验水温 针对不同级配及设定试验参数做两组平行试验取平均值，得试验水温对最大密度的影响图，见图5～8.

图5 （AC－20F）水温对最大密度的影响

图6 （AC－20C）水温对最大密度的影响

图7 改性沥青水温对最大密度的影响

图8 SMA 水温对最大密度的影响

从图中可以看出，在室温～25 ℃之间，几乎没有太多的影响.此外，使用改性沥青及SMA 的混合料当水温达30℃以上时，容器内的水出现浑浊现象，其原因可能是水温逐渐接近于沥青的软化点，当沥青混合料在来回振动的状态下，沥青容易脱落，故测得的理论相对密度有偏大.

综上所述，根据水温对理论相对密度的影响曲线图来看，采用室温更适合真空实测法.

2.1.3 抽真空时间 针对不同级配及设定试验参数分别做两组平行试验，并取平均值，得不同抽真空时间对最大理论相对密度的影响曲线图，见图9～12.

图9 （AC－20F）抽真空时间对最大密度的影响

图10 （AC－20C）抽真空时间对最大密度的影响

图11 改性沥青抽真空时间对最大密度的影响

图12 SMA 抽真空时间对最大密度的影响

1）从级配为AC－20F（普通沥青）及改性沥青的影响曲线图可见，由5～15min，AC－20F（普通沥青）最大理论相对密度在10min内增加了0.004，而由15～30min的15min内只增加了0.002，且30 min后就不再有什么变化.对于改性沥青及SMA沥青混合料其影响也并不大.因此，对于以细集料为主的普通沥青、使用改性沥青和SMA 沥青混合料均可采用15min的真空实测时间.

2）从级配为AC－20C的影响曲线图可见，在25min之前，抽真空时间对理论密度的影响不断增长，25min以后逐渐趋于平缓.因此，对于以粗集料为主的级配可采用25min的真空实测时间.

图13 老化时间对最大理论相对密度的影响

2.1.4 老化时间 针对不同级配及设定试验参数分别做两组平行试验，并取平均值，得不同老化时间对最大理论相对密度的影响曲线图，见图13.以图13可以看出，在老化时间4h之前最大理论相对密度有逐渐上升的趋势，在4h后老化时间对最大理论相对密度的影响趋势逐渐减少，几乎没有什么变化.因此，可采用4h老化时间作为真空实测法的测定条件之一.

2.2 计算法与实测法的比较

2.2.1 替代真空实测法的计算方法 利用差值分析及不同油石比下各类方法最大理论相对密度曲线图14，可知按《规范》所述的计算公式，并利用合成集料有效密度得到的最大理论相对密度与实测法所得到的最大差值对于AC－20F 仅为0.004，最小差值仅为0.002；对于AC－20C 差值仅为0.001.虽然，《规范》中规定合成集料有效密度的公式适用于改性沥青和SMA，但试验证明该计算公式同样适用于计算其他普通沥青的合成集料有效密度.因此，当真空实测法较难实施时，可改用计算法（《规范》所述的计算公式，并利用合成集料有效密度）来近似代替真空实测法.

图14 在不同油石比下各类方法最大理论相对密度曲线图

2.2.2 改性沥青及SMA 使用真空法的可行性

1）对于改性沥青采用真空实测法与《规范》所得到的最大理论相对密度值仅相差0.003.可见，改性沥青若在本文推荐使用的测定条件下，同样也能够采用真空实测法得到较为可靠的理论密度值.

2）对于SMA 沥青混合料从计算值可以看出采用真空实测法所得到的最大理论相对密度值与《规范》计算法所得到的数据比较接近，仅相差0.001，且与我国00版的计算法所得到的数值完全吻合.可见，SMA 沥青混合料在本文推荐使用的测定条件下，同样也能够采用真空实测法得到较为可靠的最大密度.

3 结 论

1）根据试验所得结果，在测定沥青最大理论密度时，所须采用的测定条件为：（1）振动频率，120r／min（普通沥青混合料和改性沥青）140 r／min（SMA 沥青混合料）；（2）抽真空时间，15 min（细级配普通沥青混合料，改性沥青，SMA 沥青混合料）、25 min（粗级配沥青混合料）；（3）水温，室温；（4）老化 时间，4h；（5）真 空度，97.3 kPa；（6）振动模式，顺时针＋逆时针.这些测定条件适用于普通沥青混合料及改性沥青混合料.

3）《规范》规定，采用计算法确定改性沥青及SMA 沥青混合料的最大理论相对密度.但本文通过大量试验证明在本文给出的测定条件下，真空实测法也同样适用于改性沥青及SMA 沥青混合料，且其实测结果与规范所述的计算法所得结果大致相同.

［1］蒋 玮，沙爱民，裴建中，等.多孔沥青混合料压实关键技术研究［J］.武汉理工大学学报，2010，35（11）：13－16.

［2］李立寒，张南鹭.道路建筑材料［M］.上海：同济大学出版社，1999.

［3］交通部公路科学研究所.JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：交通部公路科学研究所，2004.

［4］Theoretical maximum secific gravity and density of bituminous paving mixtures AASHTOTT－209－99［R］.Technician Training and Certification Program，2003.

［5］Prithvi S，Kandhal M，Khatri A.Improved rice method for determing theoretical maximum specific gravity of asphalt paving mitures［R］.NCAT Report，No.92－3.

［6］交通部公路科学研究所.JTJ058—2000 公路工程集料试验规程［S］.北京：交通部公路科学研究所，2000.