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

（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 100038）

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10%～14%。

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[1-2]。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（DL/T5363-2006）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145℃～180℃；初碾温度120℃～140℃；终碾温度100℃～120℃；碾压设备3.6tHAMM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1 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

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，140℃±5℃，采用不同击实次数。沥青混合料的最大密度（理论密度）为2.570g/cm3。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：

式中：ρ为密度，g/cm3；v为空隙率，%；n为击实次数。

式（1）、式（2）用通式表示为：

式中：β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；ρmax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。

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

图1 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ρ∞=ρmax-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，B是不能通过压缩实现的当量密度。

当n=0时，沥青混合料处于松散状态，沥青混合料的松散密度ρ0=A-B，松散密度对应沥青混凝土最大空隙率。A=ρ0+B，即A是松散密度与不能通过压缩实现的当量密度之和，ρmax-A是可压缩的当量密度，击实功效大小是可压缩的当量密度转化程度。

β是一个重要指标，可定义为沥青混凝土的压缩指数。β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，β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β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，这也需要进行更深入更细致的研究工作。

宝泉工程整平层沥青混凝土理论密度ρmax=2.568g/cm3，沥青混合料的松散密度（n=0时）ρ0=2.007-0.297=1.710g/cm3，对应的沥青混凝土最大空隙率为33.4%；极限密度ρ∞=ρmax-B=2.271g/cm3，不能通过压缩实现的密度B=2.568-2.271=0.297g/cm3，对应的沥青混凝土最小空隙率11.6%。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35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18～20次以上，所以整平层室内马歇尔试件的击实次数确定为20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1 674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18～20次以上，平均28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

工业性试验现场碾压施工工艺为：摊铺温度160～180℃；初碾温度130～150℃；终碾温度100～120℃；碾压设备3.6tHAMM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，140℃±5℃，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2.470g/cm3。试件的密度和空隙率测试结果见表7。

表7 防渗层沥青混凝土马歇尔试件密度/空隙率与击实次数关系测试结果

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：

式中：ρ为密度，g/cm3；v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ρmax=2.470g/cm3，沥青混合料的松散密度ρ0=A-B=2.226-0.021=2.205g/cm3，对应的沥青混凝土最大空隙率为10.8%；极限密度ρ∞=ρmax-B=2.449g/cm3，不能通过压缩实现的当量密度B=2.470-2.449=0.021g/cm3，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15～18次，基本就可以达到极限密度，所以室内马歇尔试件的击实次数20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。

图2 防渗层沥青混凝土密度和空隙率与击实次数的关系

表8 现场取芯芯样密度/空隙率对应的等效击实次数

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2 022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

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5～12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β是一个重要参数，β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0.131，接近极限密度需击实35次以上。防渗层压缩指数0.258，接近极限密度需击实18～20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5～12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11.1～14.5%之间）相当于室内马歇尔试件击实16～50次以上，平均28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。

[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，1990.

[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，2007.