吳國雄，楊 銳，楊大田，袁傳泯

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074)

壓實(shí)瀝青混合料的毛體積相對密度是反映瀝青混合料體積特性的重要指標(biāo)。許多試驗(yàn)方法可以用來測定壓實(shí)瀝青混合料的毛體積相對密度，對于開口孔隙或連通孔隙較少的試件，表干法是最常用的方法。近年來隨著交通量和軸載的增加，為了改善抗車轍等路用性能，大量具有較多開口孔隙和連通孔隙的開級配、大孔隙瀝青混合料被應(yīng)用到工程實(shí)踐中。對于該類試件毛體積相對密度的測定，蠟封法是最普遍的方法，然而，蠟封法測定時(shí)具有人為因素影響大、操作復(fù)雜、耗時(shí)長且導(dǎo)致試件不能進(jìn)行其他試驗(yàn)的顯著缺點(diǎn)［1］。

為了解決上述問題，近年來國外有不少學(xué)者嘗試用其他新型方法來測定瀝青混合料的毛體積相對密度，其中真空密封法是研究較多的一個(gè)方法。美國佛羅里達(dá)州交通部(FDOT)、俄克拉荷馬州交通部(ODOT)、國家瀝青技術(shù)中心(NCAT)等機(jī)構(gòu)利用CORELOK真空多功能密度測試儀，與傳統(tǒng)測定方法進(jìn)行了大量可行性和精準(zhǔn)度的對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:真空密封法具有人為干擾少，操作簡單，且精準(zhǔn)度較高的優(yōu)點(diǎn)［2］。

目前，在國內(nèi)真空密封法測定壓實(shí)瀝青混合料的毛體積相對密度相關(guān)研究比較少，缺乏大量試驗(yàn)資料。同時(shí)，也沒有生產(chǎn)用于真空密封法的專業(yè)設(shè)備及耗材，因此推廣該方法存在一定困難。筆者利用食品工業(yè)中的真空包裝機(jī)，使用真空密封法，對比傳統(tǒng)表干法和蠟封法，測定了不同碾壓次數(shù)成型的壓實(shí)瀝青混合料試件的毛體積相對密度，探討了真空密封法測定壓實(shí)瀝青混合料試件毛體積相對密度的適用性。

1 測定方法介紹

1.1 真空密封法

1.1.1 真空密封法原理

從原理上分析，真空密封法與表干法、蠟封法相同，均是基于阿基米德的浮力原理。使用真空密封設(shè)備，將一種柔韌耐穿刺的塑料袋緊貼在瀝青混合料試件表面包裹起來(圖1)，通過這種方式來阻止在水中稱重時(shí)水分進(jìn)入開口孔隙中，形成一種類似于蠟封的狀態(tài)，從而測定毛體積相對密度。該方法與表干法、蠟封法最大的區(qū)別是，使用該方法測定時(shí)，試件內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)不會影響到試驗(yàn)結(jié)果的精確程度。

圖1 密封后的試件Fig.1 Sealed sample

1.1.2 操作步驟

使用真空密封法測定壓實(shí)瀝青混合料毛體積相對密度的過程可以分為如下幾個(gè)步驟:①測定塑料密封袋的密度γb(廠商提供或密封重物法測定，類似于測定蠟的密度方法)，冷卻試件至室溫，稱取干燥試件的空中質(zhì)量md，將試件放進(jìn)塑料密封袋中;②將放有試件的塑料密封袋放入真空密封機(jī)的真空室中，將真空密封機(jī)的密封蓋按下至關(guān)閉狀態(tài)，真空泵自動開始工作并抽取真空室內(nèi)的空氣至－0.1 MPa，真空抽氣一段時(shí)間后，密封蓋自動打開，試件被密封好，稱取密封后試件的空中質(zhì)量mds;③將密封好的試件浸沒在水中，并稱取其水中質(zhì)量mss，從水中取出試件;④完成上述步驟后，記錄數(shù)據(jù)后按照的公式，便可計(jì)算出試件的毛體積相對密度。

1.1.3 誤差來源分析

1)真空密封狀態(tài)

密封袋中的空氣是否抽得徹底，是影響真空密封法測定結(jié)果的主要因素。若空氣未抽盡，密封袋未緊貼著試件表面，密封后的試件的體積將大于試件的毛體積與密封袋的體積之和，從而導(dǎo)致比表積的增大，浸水后浮力增大，導(dǎo)致水中重的減小，即計(jì)算公式中的分母項(xiàng)偏大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小。

本研究通過變化真空抽氣時(shí)間(5，10，15，30，40，45，60 s)，分析了不同真空密封效果對毛體積相對密度測定結(jié)果的影響，結(jié)果表明(圖2、圖3)，當(dāng)抽氣時(shí)間小于30 s時(shí)，隨著真空抽氣時(shí)間的增加，密封后試件的水中重以及試件的毛體積密度明顯增加，說明此條件下真空密封后的試件中仍然殘留有較多的空氣;當(dāng)抽氣時(shí)間達(dá)到30 s后，隨著抽氣時(shí)間的繼續(xù)增加，密封后試件的水中重以及試件的毛體積密度達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，并沒有隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)明顯的變化，說明此條件下真空密封后的試件中的空氣基本抽盡，試件已經(jīng)達(dá)到較好的密封狀態(tài)。

圖2 抽氣時(shí)間與真空密封試件水中重的關(guān)系Fig.2 Relationship between period of exhaust and weight of submerged sealed samples

圖3 抽氣時(shí)間與試件毛體積相對密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between period of exhaust and γmb

2)密封袋材質(zhì)

密封袋材質(zhì)柔韌性和耐穿刺性是影響測定結(jié)果的另外因素。當(dāng)密封袋在抽真空瞬間收縮與試件接觸時(shí)，若密封袋不滿足柔韌耐穿刺的要求，極易被試件表面刺破而出現(xiàn)微小空洞，從而產(chǎn)生2種后果:一是空氣的滲入，導(dǎo)致真空密封狀態(tài)破壞;二是水中稱重時(shí)，水滲入試件孔隙(類似蠟液滲入試件孔隙)，產(chǎn)生誤差。

1.2 表干法

表干法是國內(nèi)外測定壓實(shí)瀝青混合毛體積密度最為普遍的方法，飽和面干狀態(tài)的確定是該試驗(yàn)方法最為關(guān)鍵的因素(即開口孔隙中的水質(zhì)量是否精確)，而當(dāng)混合料試件孔隙很大或者連通孔隙多時(shí)，當(dāng)試件從水中取出時(shí)，開口孔隙中的水會流出，此外使用毛巾擦拭時(shí)容易吸出開口孔隙中的水，因此，國內(nèi)外規(guī)范一致認(rèn)為［1－3］，表干法不適合測定開級配、吸水率超過2%的壓實(shí)混合料試件。其誤差主要來源于人為因素和由于試件孔隙過大所導(dǎo)致的實(shí)測表干質(zhì)量與真實(shí)表干質(zhì)量間的差異。

1.3 蠟封法

為了解決表干法在測定開級配和吸水率超過2%的壓實(shí)HMA試件時(shí)不準(zhǔn)確的問題，蠟封法被廣泛使用。蠟封法即通過使用石蠟涂在試件表面或者用石蠟?zāi)ぐ谠嚰砻?，以此來封閉開口孔隙，來形成一種假想的飽和面干狀態(tài)。

我國規(guī)范明確規(guī)定［1］，對于吸水率超過2%的試件，要采用蠟封法測定毛體積密度，但是對于試驗(yàn)溫度、加入滑石粉的量并沒有嚴(yán)格規(guī)定，蠟封法的精確性和可靠性主要決定于蠟封過程的精確，當(dāng)石蠟融化過程的溫度過高，石蠟將浸入到試件內(nèi)部的孔隙中，從而導(dǎo)致試件毛體積的偏小，毛體積密度計(jì)算結(jié)果偏大。為了解決這一問題，我國規(guī)范中參照國外相關(guān)規(guī)范，提出了冷凍蠟封法，以減少蠟的浸入帶來的誤差。然而，于新［4］、劉紅瑛［5］指出蠟封時(shí)的溫度也不宜過低，如果溫度太低，試件表面的蠟很多，試件取出后很快冷卻，試件表面的蠟也很容易開裂，開裂后的試件放入水中，水的進(jìn)入將影響試驗(yàn)結(jié)果，因此建議試驗(yàn)溫度比規(guī)范上略高即可，同時(shí)其研究指出，加入的滑石粉的量對試驗(yàn)結(jié)果有影響，將會使結(jié)果變大，但影響不大。

此外，沙慶林［6］還提出了鉆件蠟封法，通過對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行切割后蠟封，以此減小由于表面不規(guī)則帶來的誤差;楊瑞華［7］等的相關(guān)研究認(rèn)為，對于最大公稱粒徑大于25 mm骨架密實(shí)型瀝青混合料用鉆件蠟封法比表干法更準(zhǔn)確。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用玄武巖和SBS改性瀝青，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，纖維采用木質(zhì)素纖維。材料技術(shù)性質(zhì)均滿足規(guī)范要求。

2.2 試件制備

混合料級配選用SMA－13(表1)，確定最佳油石比為5.8%，分別碾壓6次和12次成型2種不同孔隙狀態(tài)的車轍試件，再通過鉆芯得到直徑10 cm，高度為4 cm的圓柱形試件。

表1 SMA－13礦料級配Tab.1 Gradation of SMA －13

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的真空密封設(shè)備為重慶方廣牌單室真空包裝機(jī)，其真空泵的功率為0.9 kW，真空壓力為－0.1 MPa，真空抽氣時(shí)間范圍為0～60 s。由于密封袋材質(zhì)是影響測定結(jié)果的主要因素之一，為了避免密封袋被刺穿，本試驗(yàn)選用了質(zhì)量較好的聚乙烯塑料袋(尺寸為200 mm×100 mm)，測定結(jié)束后，對拆開的塑料袋充氣，未漏氣，說明該密封袋的材質(zhì)能保證試驗(yàn)過程中柔韌耐穿刺的要求。

2.4 試驗(yàn)方案

所有試件按照風(fēng)干至恒重→真空密封法→表干法→試件風(fēng)干至恒重→蠟封法的順序進(jìn)行測定。為了減少不同人員操作帶來的誤差，每種方法固定單個(gè)操作人員。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3種方法測定2種不同碾壓次數(shù)的車轍鉆芯試件的毛體積相對密度結(jié)果(表2)。

表2 試件毛體積相對密度測定結(jié)果Tab.2 Test results of bulk specific gravity of samples

3.1 測定方法精密度對比

表3中的精密度對比結(jié)果表明，與其他2種方法相比，使用真空密封法測定的2類試件的變異系數(shù)介于表干法和蠟封法之間，且其變異系數(shù)小于1%，若不考慮同類試件間的差異，由于方法本身導(dǎo)致的測定結(jié)果的變異更小。此外，隨著碾壓次數(shù)的增加，3種方法測定結(jié)果的變異系數(shù)均下降。分析3種方法測定結(jié)果的變異來源可知，當(dāng)碾壓次數(shù)增加后，試件表面平整程度的提高，內(nèi)部孔隙率降低;在使用表干法測定時(shí)，由于開口孔隙中水流失的現(xiàn)象減少;在使用真空密封法測定時(shí)，由于試件表面不平整導(dǎo)致密封袋刺穿的現(xiàn)象減少;使用蠟封法時(shí)，由于蠟液的滲入孔隙的現(xiàn)象減少。因此，3種方法的變異程度都明顯降低。

表3 不同方法測定試件毛體積相對密度精密度對比Tab.3 Comparison between precision and bulk specific gravity of samples by different methods

3.2 測定結(jié)果相關(guān)性分析

此外，分別對真空密封法的測定結(jié)果和表干法、蠟封法進(jìn)行線性回歸分析，如圖4、圖5，真空密封法與另外2種方法測定結(jié)果的相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.962 2和0.977 6。此外，隨著密度的降低(碾壓次數(shù)的減少)，真空密封法與表干法以及蠟封法的差異更大;并且，回歸趨勢線并不與直線y=x重合。

圖4 真空密封法與表干法測定試件毛體積相對密度值關(guān)系Fig.4 Relationship between γmbmeasured by vacuum sealing method and that by saturated-surface dry method

圖5 真空密封法與蠟封法測定試件毛體積相對密度值關(guān)系Fig 5 Relationship between γmbmeasured by vacuum sealing method and that by wax-enveloped method

圖3中回歸趨勢線位于直線y=x之上，說明真空密封法的測定結(jié)果要比表干法偏小。而圖4中回歸趨勢線位于直線y=x下方，說明真空密封法要比蠟封法偏大。故而說明真空密封法測定值介于表干法和蠟封法之間。Buchanan［8］等從誤差來源分析認(rèn)為，使用表干法測定的毛體積相對密度將比真值大，而使用蠟封法測定的毛體積相對密度將比真值小。真空密封法測定值介于上下限之間，故而更加接近真值。

3.3 測定結(jié)果均值t檢驗(yàn)

表4 t檢驗(yàn)Tab.4 Table oft-test

從表4中可知，2類試件使用真空密封法測定的結(jié)果與表干法和蠟封法測定結(jié)果的平均差值都很小，最高為0.051。為了進(jìn)一步驗(yàn)證使用真空密封法測定2類試件的毛體積密度與表干法和真空密封法是否有顯著差異，對測試結(jié)果用t檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)。假定每兩組樣本對應(yīng)數(shù)據(jù)之差服從正態(tài)分布，檢驗(yàn)兩總體均值是否相等，即檢驗(yàn)μ1=μ2的問題，相當(dāng)于檢驗(yàn)μ1－μ2=0的問題［9］。首先檢驗(yàn)?zāi)雺捍螖?shù)為6次的瀝青混合料試件，真空密封法與表干法的測定結(jié)果是否有顯著差異。

假設(shè)H0∶μ=0，即認(rèn)為真空密封法與表干法的測試結(jié)果沒有顯著差異。對立假設(shè)H1∶μ≠0，選擇統(tǒng)計(jì)量，式中x與y分別表示不同方法測定的結(jié)果為表中的平均值，S為表4中的標(biāo)準(zhǔn)差。拒絕域?yàn)槿?α=0.05，根據(jù)文獻(xiàn)［4］知t0.0259=2.262 2 ，計(jì)算T=11.639拒絕H0，接受H1，即認(rèn)為在測定碾壓次數(shù)為6次的試件毛體積相對密度時(shí)，真空密封法與表干法存在顯著差異。同樣，可知在測定碾壓次數(shù)為12次的試件毛體積相對密度時(shí)，真空密封法與蠟封法測試結(jié)果也存在顯著差異(表4)，測定碾壓次數(shù)為12次的試件毛體積相對密度時(shí)結(jié)論相同。

4 結(jié)論及建議

本研究對碾壓2種不同次數(shù)成型的壓實(shí)瀝青混合料試件采用真空密封法，測定了其毛體積相對密度，探討了使用該方法測定時(shí)產(chǎn)生誤差的原因，并與傳統(tǒng)表干法以及蠟封法測定的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。誤差分析表明，真空密封狀態(tài)與密封袋的材質(zhì)是影響試驗(yàn)誤差的主要因素，為了確保試驗(yàn)精準(zhǔn)度，真空抽氣時(shí)間應(yīng)超過30 s，且應(yīng)選用耐穿刺的密封袋。此外，與表干法和蠟封法相比，真空密封法具有操作簡便，人為因素影響小，并且測試過程對試件沒有任何影響的優(yōu)點(diǎn);對比測定結(jié)果表明:真空密封法重復(fù)性較好，且其測定值與表干法和蠟封法測定值間有良好的線性關(guān)系;而均值假設(shè)檢驗(yàn)表明:對于孔隙分布不同的2類試件，真空密封法與表干法和蠟封法的測定值均有顯著差異。

由于本試驗(yàn)僅研究了不同碾壓次數(shù)成型的試件，且試件的數(shù)量有限，因此，后期研究中將采用不同類型、不同最大公稱粒徑、以及不同成型方式的試件(或現(xiàn)場鉆芯)系統(tǒng)研究真空密封法測定瀝青混合料毛體積相對密度的適用性。

［1］JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2000.

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