一种沥青混合料等效压实功试验检测方法及应用与流程

本发明涉及一种沥青混合料等效压实功试验检测方法及应用，属于道路工程技术领域。

背景技术：

沥青路面是我国高等级公路主要的结构形式，随着国民经济的发展，交通量迅速增长，加上车辆大型化、超载严重以及渠化交通等原因，使得沥青路面早期损害现象严重，大量研究表明：我国沥青路面发生的早期损害和路面的压实度直接相关，压实度不足的路面极易出现车辙、渗水、疲劳等病害；而过压会使路面出现泛油和失稳现象。

马歇尔试验为道路施工提供了很多重要的设计参数。我国现行马歇尔方法建立于20世纪80年代初，采用双面各击实75次(小马氏试件)或112次(大马氏试件)，适应当时压实水平(胶轮压路机10t-15t、振动压路机2-6t，双轮钢筒压路机6t-8t)和交通状况，也就是说马歇尔击实75次试件密度与当时施工的机械设备的压实功相吻合。随着重载交通的快速发展,马歇尔击实法也凸显出一些新的问题。目前干线公路上的交通状况发生了显著的变化，如交通量显著增加，渠化交通加强，高压轮胎的应用增多。随着施工工艺水平和压实机械水平提高(振动压路机普遍10-14t，胶轮压路机25t-30t)，实践证明，这些压实机械的压实功增加，使得道路上的沥青混合料的最终密度超过了当初建立标准马歇尔方法，因此现行规范中使用的沥青混合料试验方法(即马歇尔试验方法)无法模拟现场的压实效果，导致根据等效压实功的试验方法得到的设计参数对指导现场施工的意义不大，即现场的压实功与室内马歇尔的击实功不匹配，用马歇尔密度控制现场压实度时，压实度多数都超百，无法得到实际现场的压实程度。为了弥补现有试验方法不足，同时针对马歇尔试验方法在交通领域认知广泛程度的特点，本申请特提出等效压实检测试验方法。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种沥青混合料等效压实功试验检测方法，采用的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种沥青混合料等效压实功试验检测方法，该方法是包括以下步骤：

1)对沥青混合料进行配合比设计试验，确定最佳沥青用量，并计算出最佳沥青用量下采用双面75次击实功制作的标准室内马歇尔试件的毛体积相对密度D_室内标准，并对最佳沥青用量进行性能检验；

2)铺筑试验路段，记录碾压至密度不再增长时现场压实机具的碾压遍数，现场取芯样测定毛体积相对密度D_试验路段；

3)根据步骤1)获得的标准室内马歇尔试件的毛体积相对密度D_室内标准和步骤2)获得的试验路段芯样的毛体积相对密度D_试验路段计算压实度；

4)根据步骤3)所得压实度通过调整击实次数和击实温度，最终确定最大击实次数和最低击实温度，以修正标准室内马歇尔试验的方法；

5)按照步骤4)确定的最大击实次数和最低击实温度制备马歇尔修正试件，以马歇尔修正试件的毛体积相对密度D_{修正室内标准}作为标准衡量施工现场的压实度。

优选地，所述方法步骤如下：

1)首先对沥青混合料进行配合比设计试验，采用标准双面击实75次的击实功制作标准马歇尔试件，确定出最佳沥青用量并计算出最佳沥青用量下的标准室内马歇尔试件的毛体积相对密度D_室内标准和其他技术指标，并对最佳沥青用量进行耐久性检验；

2)铺筑试验路段，记录碾压至密度不再增长时现场压实机具的碾压遍数，现场取芯样测定毛体积相对密度D_试验路段；

3)根据步骤1)获得的标准室内马歇尔试件的毛体积相对密度D_室内标准和步骤2)获得的试验路段芯样的毛体积相对密度D_试验路段计算压实度；

4)根据步骤3)所得压实度调整击实次数和击实温度，通过增加马歇尔标准击实试验的击实功，使室内马歇尔试件的毛体积相对密度与试验段芯样的毛体积相对密度D_试验路段相同，最终确定最大击实次数和最低击实温度，以修正标准室内马歇尔试验的方法；

5)按照步骤4)确定的定最大击实次数和最低击实温度制备马歇尔修正试件，以马歇尔修正试件的毛体积相对密度D_{修正室内标准}作为标准衡量施工现场的压实度。

优选地，步骤1)所述其他技术指标，包括饱和度、空隙率、流值和稳定度。

优选地，步骤1)所述耐久性检验，包括高温稳定性检验、水稳定性检验和抗冻性检验。

优选地，步骤4)所述所述最低击实温度，是通过以下步骤确定的：1)首先逐步降低击实温度，增加击实次数使密度达到最佳沥青用量确定的标准密度，即为最低拌合温度；2)通过逐渐增加击实功，确定出达到标准密度的最大击实次数，以最大击实功与最小压实温度两个指标共同确定沥青混合料的最低压实温度。

优选地，所述逐步降低击实温度，是指每增加25次击实功，击实温度降低5℃。

本发明还提供了一种上述任一方法在道路施工中的应用。

目前的一些研究主要集中在碾压过程中沥青混合料温度场的变化以及路面压实的影响因素等方面.而对于击实的次数是根据规程中确定，但不同的沥青混合料具有不同的压实特性，达到要求密实度所需要的击实次数与击实温度并不相同。本申请通过室内试验得出典型沥青混合料达到目标空隙率所需的击实能量，通过现场实测得出摊铺、碾压机械一次操作所能提供的压实能量，使两者相等，则可确定沥青路面所需的击实次数与最低的压实温度。

本申请提供的等效压实功试验方法是从能量等效角度确定沥青路面达到密实所需要的击实能量，利用现场压实设备下充分碾压沥青混合料，碾压至密度不再增长或增长非常有限时的现场芯样密度，通过室内马歇尔试验，逐渐增加击实功，使其达到与现场芯样同密度，这时的击实次数就是现场压实设备所能达到的最大击实功。在等效压实功相同(即马歇尔试件密度与芯样标准密度相同时的击实次数)时，也就能确定空隙率是否达到与现场压实空隙率相近的压实质量。

本申请等效压实功试验方法可以确定沥青混合料的沥青混合料的最低压实温度，从两个指标确定最低压实温度：1、先逐步降低击实温度，增加击实次数使密度达到最佳沥青用量确定的标准密度，即为最低拌合温度；2、通过逐渐增加击实功，确定出达到标准密度的最大击实次数，以最大击实功与最小压实温度两个指标共同确定沥青混合料的最低压实温度。

使用现有双面击实75次马歇尔试验方法会出现现场的压实功与室内马歇尔的击实功不匹配，用马歇尔密度控制现场压实度时，压实度多数都超百无法得到实际现场的压实程度的问题，本申请克服了现有技术中标准方法(双面击实75次马歇尔实验方法)的技术缺陷，重新构建了一种更能准确反应实际施工现场的压实程度的新的马歇尔试验方法，克服了固有偏见。

本发明有益效果：

1)等效压实功试验方法能够确定混合料的最低压实温度，其优点是能使混合料的拌合温度、摊铺温度都适当合理的降低，在达到相同施工质量的同时能够提高施工速度；

2)等效压实功试验方法能合理的节约能源，降低拌合沥青混合料的温度能很大程度上减少重油的使用量；

3)等效压实功试验方法中拌合温度降低的同时也提高了拌和效率和施工进度，为沥青路面施工带来较大的经济效益；

4)本发明建立的室内马歇尔试验可以更准确的衡量实际施工现场的压实程度。

附图说明

图1为混合料级配曲线图。

图2为普通沥青混合料芯样密度与马歇尔密度图。

图3为改性沥青混合料芯样密度与马歇尔密度图。

图4为改性沥青混合料击实次数与马歇尔密度关系图。

图5为普通沥青混合料击实次数与马歇尔密度关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

同一类型沥青混合料达到密实所需能量基本相同；SMA型沥青混合料可压实性能最好，AC型次之，Su-perpave骨架型最难压实。本方法采用AC型密级配类型，进行试验。等效压实试验方法的检测过程下面做详细介绍。

实施例1：

一、按照标准配合比设计步骤确定最佳沥青用量

首先对沥青混合料进行配合比设计试验，混合料级配选择密实型级配作为构造目标，沥青选择八方实业SBS改性沥青，矿料采用逊克双利石场生产的碎石，矿粉采用吉林梨树矿粉。马歇尔采用双面75次的击实功确定出最佳沥青用量，计算出室内马歇尔的毛体积相对密度，得出最佳沥青用量下所达到的标准密度。

混合料的级配的选择如表1所示，混合料级配曲线图如图1所示。

表1混合料级配的选择

2、最佳沥青用量的确定

对以上的设计级配采用双面击实75次的击实功制作马歇尔试件，沥青用量选择3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％5个沥青用量，计算出最佳沥青用量和最佳沥青用量下的密度、空隙率等指标。试验结果详见下表2。

表2.最佳沥青用量的指标

3、最佳沥青用量的耐久性检验

对沥青混合料的最佳沥青用量采用轮碾成型法成型车辙试件，进行高温稳定性的检验，高温稳定性满足要求。水稳定性检验，采用双面击实50次的击实功成型浸水马歇尔和标准马歇尔试件，测定其残留稳定度达到90.5％，满足《公路沥青路面施工技术规范》要求。抗冻性检验，采用双面击实50次的击实功成型劈裂试件，其残留强度达到84.4％，满足《公路沥青路面施工技术规范》要求。

二、试验路的铺筑

1、压实方案的选择

试验段选择逊克一级公路K3+200-K3+700左幅上面层选用普通沥青混合料铺筑，,K10+000-K10+500左幅上面层，选用改性沥青混合料铺筑，压实层厚度为4cm。试验段经反复碾压至沥青混合料密度不再增长为止，具体压实机械与压实工艺情况如下：

英格索兰DD110静压1遍+英格索兰DD110振动碾压2遍+徐工XP260胶轮压路机碾压4遍+英格索兰DD110静压1遍，共碾压8遍，达到现场混合料密度不再增长。

2、混合料试验结果

混合料的级配和物理—力学性能指标满足要求。

(1)矿料级配范围

表3试验段混合料的级配

(2)沥青混合料马歇尔试验物理—力学指标

表4试验段马歇尔试验物理-力学指标

3、现场取芯测定毛体积相对密度

在试验段中每隔50m钻取一个芯样，测定芯样的毛体积相对密度，普通沥青混合料芯样的毛体积相对密度平均值为2.367，改性沥青混合料芯样的毛体积相对密度为芯样的密度较室内马歇尔混合料密度都要高，在压实机械水平充分碾压作用下，不论是普通沥青混合料还是改性沥青混合料的沥青路面所能达到最大密度比标准马歇尔试件密度至少高1.00倍，也就是压实度都超过一百。通过这些数据说明马歇尔击实功已落后于生产实际，与目前的施工工艺水平和压实机械水平不相适应。

表5.普通沥青混合料现场取芯的压实度

表6改性沥青混合料现场取芯的压实度

三、与现场压实功相关的修正马歇尔方法

为了使室内的击实功达到现场的压实功，通过上表的数据表明，在现有压实设备下充分碾压沥青混合料至密度不再增长或增长非常有限时，以马歇尔密度为控制标准，则沥青混合料压实度均出现“超百”，通过增加马歇尔的击实功使之接近于现场芯样密度。

1、击实次数对密度的影响

马氏试件密度与击实次数关系见表7、图4和图5。由图表中试验结果可知:随着击实次数的增加，沥青混合料试件的密度先呈线性增大，然后逐渐趋于平缓；达到一定击实次数后，由于锤重的原因，不能使材料更进一步密实，密度无明显变化，也表明试件结构已处于稳定。击实功达到一定程度后，若需增加混合料的密度，有效办法是增加锤重。同时，增加锤重可在较少的击实次数下即达到较高的密度，这一点对沥青路面碾压施工也有参考意义。为了获取与路面芯样最大密相同的马氏试件，对于普通沥青混合料和改性沥青混合料小马氏试件的击实次数分别从75次逐步增加至200次。通过增加击实功(如增加碾压遍数)，可以提高压实度；也可以提高一次碾压的作用力(如压路机的重量或振动压路机的激振力，即在高温条件下通过重载快速压密)，以减少碾压遍数，从而提高工作效率。如将振动压路机DD一110提高到DD一130等措施，在摊铺、碾压的温度损失快的条件下(如薄层、桥面铺装、大风和低温等)，可达到明显效果。

表7马歇尔击实次数对密度的影响

2、击实次数的增加对混合料级配的影响

随着击实次数的增加，马歇尔密度也随之增大，不断的增加击实次数会将粒径较大的集料破碎，使混合料级配发生改变，确定合理的击实次数是有必要的。

3、击实温度的影响

在增加击实功的同时也减少了混合料的压实温度，采用每增加25次击实功，击实温度降低5℃的方法，确定了达到密度所能降低的温度范围。通过表8和表9的数据绘图分析，普通沥青混合料在马歇尔密度达到与芯样密度接近时的压实温度是122℃(规范中要求普通沥青混合料的最低摊铺温度是130℃)，改性沥青混合料在马歇尔密度达到与芯样密度接近时的压实温度是160℃(规范中要求改性沥青混合料的最低摊铺温度是145℃)。

表8普通沥青混合料马歇尔击实温度与密度变化规律

表9改性沥青混合料马歇尔击实温度与密度变化规律

4、确定混合料最大击实次数

通过大量的试验数据分析，不论是普通沥青混合料还是改性沥青混合料在双面各击实150次时，试件密度最大，空隙率最小，那么就可以确定了混合料密度达到与现场芯样密度时的最大击实次数是150次。

5、确定混合料最低压实温度

为了确定混合料的最低压实温度，在增加击实次数的同时，逐步降低击实温度。由表8数据可以看出，普通沥青混合料在击实次数达到150次击实温度为120℃时，空隙率最小，同时也与现场芯样的密度相近，那么可以确定了普通沥青混合料最低击实温度为120℃。由表9数据可以看出，改性沥青混合料在击实次数达到150次击实温度为160℃时，空隙率最小，同时也与现场芯样的密度相近，那么可以确定了改性沥青混合料最低击实温度为160℃。

四、室内击实功与现场压实功的比较

对于不同类型的沥青混合料，其内部颗粒的排列规律不同，颗粒间互相作用力的强弱也不同，用相同压实工艺进行压实后的效果也不尽相同，为了使室内马歇尔的密度与现场芯样马歇尔的密度相等，就需要增加室内马歇尔试件的击实功，以达到现场机具压实后的毛体积相对密度作为基准，逐渐增加击实功，确定室内马歇尔的最大击实能量，在混合料结构类型不变的情况下，作为室内马歇尔最大的击实次数。通过室内的试验研究建立了马歇尔击实次数与路面现场压实的相关性。

1、沥青混合料密实所需能量估算

每次试验所用的是标准马歇尔试验仪器，击实锤质量为4.536kg，从457.2mm的高度沿导向棒自由落下击实，因而单次击实提供的能量为

E0＝mgh (1)

式中:E0——一次击实提供的能量J；

m——击实锤质量kg；

g——重力加速度9.8N/kg；

h——击实高度m.

则单次击实提供能量为20.3J。

从上述试验结果分析，在室内马歇尔双面击实150次时，试件密度最大，空隙率最小，那么最大击实次数确定为双面击实150次，则试件成型过程中机械提供的总击实功为6.094kJ.

EJ＝nE0 (2)

式中：EJ——击实试验提供的总能量kJ；

n——击实次数

2、施工机械压实能量分析及碾压遍数确定

2.1摊铺机械压实能量

经摊铺机摊铺振捣后，沥青路面不但平整而且得到了预压实，具有了初始压实度.不同粒径的石料相互镶嵌填充，初步形成了板块结构，再经过压路机碾压后，形成密实的板块.

本实施例采用无核密度仪PQI301测试了摊铺沥青混合料的初始压实度.在摊铺后混合料压实度能

达到90％左右，摊铺机的振捣装置对沥青混合料的压实作用是相当显著的。

由室内不同类型沥青混合料马歇尔击实试验可知，在双面击实15次后，各混合料的压实度也在90％左右.可以认为摊铺机对沥青混合料的压实所提供的能量相当于室内马歇尔击实15次提供的能量，则摊铺机械压实能量ET＝304.9J.

2.2振动压路机压实能量

振动压路机的压实是由压路机的自重和钢轮的振动共同产生的，沥青路面常用的振动压路机自重为7一18t，激振力为15一30t，一般为单轮振动和双轮振动(串联)2种，目前常用的为双轮振动压路机.振动压路机对被压材料施加一系列的激振作用，激起被压材料颗粒之间的相对运动，在垂直压力的作用下，使其重新排列而变得更为密实.振动能量以压力波的形式传向被压材料深部，同样可激起下部材料颗粒的振动，因而比同样自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实深度。

根据工程振动理论，压路机单周期振动器施加的能量为

式中:——在一个周期内表面振动器施加的能量；

A——名义振幅m；

F0——激振力N；

W——参振质量kg.

G——重力加速度，9.8N/kg

D——碾压轮直径

f——振动频率，取25HZ。

沥青混凝土碾压过程中多采用高频低振幅的方式，如工程中常用的DD110振动压路机，施工中取2档作为压路机的振动档，其名义振幅A＝0.51mm，参振质量w＝11.37x 103kg，激振力F＝70.7kN.根据工程振动理论计算公式，可以计算出振动压路机在一个周期的时间内能够对沥青混合料施加的能量为3.2979kJ.

碾压克服被压材料颗粒之间的黏聚力和吸附力，使之由静态进入到振动状态，但提供的能量并不会完全被压实材料所吸收，其中大约有70％用于混合料的压实，另30％则转化成热能等耗散了。因此，EDD110碾压一遍提供给混合料的能量为2.3085kJ.

因此，DD110压实2遍，则该区域沥青混合料的总压实能为4.6171kJ.

2.3轮胎压路机压实能量

轮胎压路机主要利用机械自重进行压实.由于橡胶充气轮胎的气压均匀性和橡胶的弹性，对被压实材料产生搓揉作用，在水平方向和竖向都做功.竖向力主要对混合料实现垂直压实.水平力和竖向力共同作用形成对混合料的揉搓作用，使得沥青混合料颗粒发生移动、重新排列和互相靠近，提高了整体压实度.水平力提供的压实功不仅很难计算，而且对压实度提高不具备直接作用.本文只计算轮胎压路机竖向力做的功。

轮胎压路机碾压一遍被沥青混合料所吸收的能量可以用沥青路面高度的变化求得，即

EL＝Fh (4)

式中:EL——轮胎压路机碾压一遍提供给混合料的能量；

F——轮胎质量kg；

H——轮胎压路机碾压一遍沥青混合料高度的变化.

例如，对于轮胎压路机XP260其工作质量为26.0x l03kg.根据现场实测的混合料密度变化，

可推算出每压实一次的沥青混合料高度变化.压实4遍后，沥青混合料密度提高50—80kg/m3；则压实1次的高度变化为h＝0.040cm左右.所以XP260轮胎压路机碾压一遍提供给混合料的能量

EXP260＝104J；同样，XP301轮胎压路机碾压一遍提供给混合料的能量EXP301＝120J

3、基于能量等效的沥青路面压实次数

沥青路面施工中，若己知沥青混合料达到密实所需能量，以及施工机械碾压一遍被沥青混合料吸收的能量，设定施工机械碾压n遍后，提供给沥青混合料的可吸收能量等于混合料达到密实所需能量，则沥青路面达到要求密实度，碾压完成，并可确定混合料现场压实所需的遍数.

例如，对于AC型沥青混合料而言，若使用DD110振动压路机与XP301轮胎压路机压实，设定

EAC＝ET+n1EDD110+n2EXP301 (5)

式中:n1——DD110振动压路机碾压次数；

n2——XP301轮胎压路机碾压次数.

可算得:n1＝2,n2＝4,n1＝3,n2＝3或者n1＝4,n2＝2按照实际施工经验，可选择振动压路机碾压2次，轮胎压路机碾压4次.所得到的总压实能量为5.402KJ。

4、基于能量等效的马歇尔击实次数

由上述公式可知，根据工程的实际施工经验，施工现场的总压实能量为5.402KJ，室内马歇尔试件的击实功是6.094KJ，与现场压实功较接近，所以选择室内马歇尔双面击实150次作为控制现场压实指标的最大击实次数。

五、结论

1、通过对不同类型混合料进行室内马歇尔击实试验，得出不同类型混合料的室内所需能量，使之与现场压实能量相匹配；

2、同一类型沥青混合料达到密实所需能量基本相同，通过增加击实次数降低击实的方法，得出了沥青混合料的最低压实温度；

3、结合现场检测和室内分析，得出摊铺机械的压实能量.根据不同压实机械类型及其性能参数，计算出了典型振动压路机与轮胎压路机碾压后总的压实能量；

4、设定摊铺碾压机械提供能量等于混合料达到目标空隙率所需压实能量，计算得出混合料达到目标空隙率所需的压实遍数。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。