沥青混凝土面层压实后的孔隙率检测标准研究

许欢欢

(重庆能源职业学院, 重庆　402260)



沥青混凝土面层压实后的孔隙率检测标准研究

许欢欢

(重庆能源职业学院, 重庆402260)

首先简要介绍了沥青混凝土路面孔隙率对车辙产生速度、路面透水性能、沥青老化速度、平整度衰减速度4个方面的影响；其次又从矿料级配合和粉料含量、沥青含量、压实度3个方面，简要介绍了影响沥青混凝土路面孔隙率的主要因素；之后建议在具体施工时通过合理选择级配和矿料含量、提高压实度、控制油石比和压实温度这几个方面来降低沥青混凝土中的孔隙率；最后基于CT图像扫描法验证了分形理论在沥青混凝土空间结构和孔隙特征分析中的应用，并提出将孔隙率的纵向分布标准差作为评价沥青混凝土离析状况、强度特性的评价标准。

沥青混凝土； 孔隙率； 检测； 分形理论

1　沥青混凝土路面孔隙率对路面使用性能的影响

根据相关资料调研发现，当前我国很多高速公路在通车运行一年之后即出现了不同程度的病害现象。这些病害的发生一部分是由于当前的重载、超载现象导致的，而另一部分原因则是由于面层孔隙率过大，导致了沥青路面性能的降低。

1.1车辙产生速度

车辙是沥青混凝土路面的主要病害之一，而孔隙率的大小可以严重影响路面车辙的产生。当沥青混凝土路面孔隙率较大时，说明施工时压实度不满足规范要求。在通车运营情况下，车辆荷载反复压实路面使得压实度增大、孔隙率减小，但由于行车道车辆荷载的不均匀分布，从而导致路面产生不同荷载的压实变形，从而出现了车辙现象的发生(见图1)。

图1　车辙病害

此外，沥青混凝土路面压实度不足、孔隙率过大还会降低路面的抗剪能力。在高温条件下，沥青面层在车辆荷载作用下会向道路两侧产生挤压膨胀，形成侧向变形后又增加了车辙病害的严重程度。而孔隙率较小，说明压实度较高，抗剪切能力和抗车辙能力都较强，病害发生的概率大大降低。

1.2路面的透水性能

路面透水性能是评价沥青混凝土路面的一个重要指标。当沥青面层孔隙率较大时，降水可以通过孔隙进入面层内部冲刷集料和沥青的粘结面，降低二者的粘结程度。在水循环的反复冲刷作用下，集料和沥青产生脱落。在车辆荷载的反复碾压作用下，就可能产生坑槽、松散、沉陷等病害的发生。

此外，降水通过大孔隙还可能渗透到基层、路基当中。渗透到基层时会产生冻融、强度失稳等病害的发生。渗透到路基时会产生冻融现象，冻涨后的毛细孔径变大出现较大孔隙，产生翻浆病害，这对路基的承载性能是致命的。因此沥青混凝土面层的孔隙率对沥青路面的透水性能有极大影响。

1.3沥青老化速度

沥青混凝土路面的强度主要是由沥青粘结集料共同产生。当孔隙率较大时，外部光照、紫外线和空气会进入面层内部，使得沥青中的沥青质和粘度增加、油分和树脂减少、氧化作用加剧，这些都使得沥青的粘结性能降低、塑性变差、老化速度加快。同时沥青降解物在遇到降水后也加剧了沥青的老化程度。

1.4平整度衰减速度

沥青路面平整度是施工交验时的一个重要验收指标(见图2)，该指标反映了路面行驶的舒适程度。根据相关数据资料反映，大部分高速公路交工验收时的平整度值都较小且满足规范要求，如京沪高速初验时的平整度值只有0.49 mm，但经过几年的通车运营后平整度值达到了0.81 mm，增幅达到了约90%，这说明平整度在通车运行后衰减幅度很大。造成上述现象的一个重要原因是由于孔隙率过大、压实度难以满足荷载需求造成的。

图2　平整度检测

基层平整度不均匀、矿料级配不均匀、车辆行驶荷载分布不均匀，这三种不均匀现象的重复叠加，就使得路面平整度衰减幅度大幅增加。

2　影响沥青混凝土路面孔隙率的因素

2.1矿料级配合和粉料含量的影响

悬浮式结构和骨架密实结构是当前沥青混凝土路面常用的2种结构形式。其中，悬浮式结构以AC为代表，其本质是将连续变化且数量一定的级配矿料组成密实沥青混凝土。骨架密实结构以SAC为代表，其本质是将细料、粉料填充到粗粒料的孔隙中，从而形成高密度的沥青混凝土。这2种沥青混凝土结构为降低孔隙率，可以从矿料级配和粉料含量进行变化。具体可见表1所示。

2.2沥青含量的影响

沥青含量是影响沥青混凝土路面孔隙率的一个重要因素。根据相关试验结果分析，沥青含量每增大1%，沥青混凝土的孔隙率就降低1%～2%。这说明可以通过增大沥青含量来降低沥青混凝土中的孔隙率。

2.3压实度的影响

压实度是决定孔隙率大小的决定性因素，压实度大则孔隙率小，压实度小则孔隙率大。根据《公路沥青路面设计规范》的规定，马歇尔试验密度是确定沥青混凝土的标准密度，此外还有以试验段为密度的标准密度法。这两种标准密度所对应的压实度标准也是不同的，施工时需有所注意才可以保证较小的孔隙率。

高速、一级公路当采用马歇尔试验标准密度时压实度标准为95%，采用试验段标准密度时压实度为98%。其他等级公路当采用马歇尔试验标准密度时压实度标准为94%，采用试验段标准密度时压实度为98%。其中马歇尔试验标准密实度和孔隙率的对应关系见表2所示。

表2 压实度和孔隙率关系Table2 Degreeofcompactionandporosity%压实度孔隙率压实度孔隙率9310.7976.9949.8985.9958.8995.0967.81004.0

3　沥青混凝土孔隙率控制方法

3.1选择级配和矿料含量

AC — 16和SAC — 16是当前沥青上面层较为常见的2种结构形式。SAC — 16需调整4.75 mm筛孔的通率由原有的35%提高到45%，可将SAC渗水路面变为不渗水路面，孔隙率大大降低。AC — 16需降低粉料含量和细料到3%以下，并将孔隙率控制在5%以下，在经过标准压实后即可满足规范要求。

当采用分层摊铺技术时，可通过调整下面层来控制上面层孔隙率。例如将上下面层结构形式修改为上面层AC — 16Ⅰ型、下面层AC — 25Ⅱ型，通过相关试验检测发现其马歇尔试验孔隙率由原有的4%～10%降低为3.5%，且其抗弯拉强度、抗车辙性能都有了显著提高。其中各筛孔尺寸通过百分率见表3所示。

表3 AC—16Ⅰ型和AC—25Ⅱ型面层级配Table3 AC—16ⅠandAC—25Ⅱsurfacelevel筛孔/mm合成级配规范级配规范级配中值31.5100100100 26.595.890～100 95 1975.265～85 78 1682.562～70 61 各筛孔尺寸通过百分率/%13.641.442～62 52 9.529.432～52 42 4.7523.320～40 30 2.3514.713～30 21.50.28.42 9～23 16

3.2提高压实度

规范要求的95%的压实度其实际对应的孔隙率为7.85%，这已经不能满足高速、一级公路的不渗水要求。因此在实际施工时需尽可能提高路面压实度，降低实际路面孔隙率。具体可参照表4的孔隙率与压实度的关系，来确定实际压实度。

3.3控制油石比和压实温度

高速公路、一级公路根据马歇尔试验确定的油石比上下浮动范围为±0.3%，其他等级公路根据马歇尔试验确定的油石比上下浮动范围为±0.5%。

表4 沥青混凝土马歇尔试验压实度与孔隙率关系表Table4 AsphaltconcreteMarshalltestcompactiontablerelationshipwithporosity毛体积密度2.45/(g·cm-3)毛体积密度2.410/(g·cm-3)压实度/%孔隙率/%压实度/%孔隙率/%939.89312.6948.89411.4957.99510.7966.7969.8975.9978.8984.9987.9994996.910031006

实际施工时很多企业为了降低施工造价，经常将油石比下调0.3%，这就直接导致了沥青含量降低、孔隙率增大。为此在实际施工时，需严格按照规范要求，尽可能增加0.3%沥青含量而非降低0.3%。此外为保证不同沥青型号的粘度，还要求具体施工时依据沥青粘温曲线确定合适的碾压温度。

4　沥青含量孔隙精细描述与分布特性研究

4.1分形理论及其在沥青混凝土研究中的应用

分形的本意是“不规则的、分数的、支离破碎的”物体。随着分形理论的不断完善，其特点也逐渐明确： ①可以用简单方法形成； ②具有精细的结构； ③分形维数大于拓扑维数； ④具备自相似性。其中，分形的自相似性又细分为有规分形和无规分形。而分形的这种相似性又受到无标度区域的限制。

分形理论的建立，在沥青混凝土的力学行为分形特征、集料与级配的分形特征、沥青混凝土表面分形特征方面均有广泛应用。而分形理论在沥青混凝土的孔隙分形特征研究方面，也有较大发展。沥青混凝土作为一种复杂的复合材料，其内部的空间结构表现为无序、无规则状态。内部孔隙的面积、形状、尺寸等均表现出高度的自相似特征，同时分形的这种相似性又受到无标度区域的限制，因此沥青混凝土中的孔隙结构和级配特征也可以通过分形理论进行表达分析。

4.2沥青混凝土孔隙分形的测试评价方法

① 图像分析法图像分析法主要是通过计算机对沥青混凝土试件进行扫描、切片、灰度处理，之后通过盒维数法、变尺码法、小岛法等对得到的断面轮廓曲线计算得到分形维数。该指标反映了沥青混凝土试件内部复杂的空间结构和孔隙特征。

② 压汞法压汞法的测试原理是通过计算汞滴曲率半径和外加压力的比值，来确定孔隙半径及分布。之后再计算出分形体的面积、长度、体积等参数。需注意的时，只有汞滴的曲率半径小于试验中的小孔半径时，汞滴才可以进入小孔。

③ X射线小角度散射法X射线小角度散射法主要是根据散射X射线的强度和波矢量的大小关系，来确定沥青混凝土内部复杂的空间结构和孔隙特征。

需注意的是对同一沥青混凝土，当采用不同的孔隙分形测试方法时，可能得到不同的分形维数。但不论采用何种试验方法，其分形维数的变化规律和趋势是相似的。

4.3沥青混凝土试件制备及参数测试

为研究沥青混凝土内部的孔隙分布特征，本文根据不同级配确定了几组不同空隙率的沥青混凝土试件。其中，三组孔隙率不同，两组较小的孔隙率做对比分形。不同试件编号及制备方法见表5所示。

表5 不同试件编号及制备方法Table5 Differentspecimennumberandpreparationmethods级配级配代码试件编号成型方法作用次数级配1G1G1-1击实法50级配2G2G2-1击实法50G3-1击实法50G3-2击实法50级配3G3G3-3击实法50G3-4击实法75G3-5轮碾法往返12次级配4G4G4-1击实法50级配5G5G5-1击实法50

4.4沥青混凝土孔隙分析

① 横向分布研究。

本文首先以G3 — 1试件为例，进行了沥青混凝土孔隙横向分布特性研究分析。经过CT图像扫描处理后的孔隙特征提取图像见图3所示，相关参数见表6所示。

图3　孔隙特征提取图像Figure 3　Pore feature extraction and image

表6 横向分布CT图像参数汇总Table6 CTimagesoftransversedistributionoftheparameters图像编号高度/mm孔隙数量孔隙率/%孔隙轮廓分形维数孔隙面积分形维数孔隙等效直径/mm13010819.41.11461.00134.1422409821.31.10730.98854.584

从图和表中数据可以看出: 图像2的孔隙轮廓分形维数和孔隙面积分形维数均小于图像1，这反映出图像2中的沥青混凝土空间分布结构较为简单，而图像1内部的结构较为复杂。

② 纵向分布研究。

本文对G3 — 1试件做了纵向扫描，得到了6个断面孔隙特征提取图像见图4，相关参数见表7。

(a)图像1(b)图像2

(c)图像3(d)图像4

(e)图像5(f)图像6

图4　孔隙特征提取图像

从竖向分布CT图像参数中可以看出: G3 — 1试件的竖向孔隙分形特征参数都大于横向分布。这说明沥青混凝土在竖向上的孔隙分布变化较横向更加复杂多变。

③ 级配对孔隙分布特性的影响。

通过对六种级配试件的孔隙率对比分析发现(见表8)： G3 — 1试件的孔隙率纵向分布标准差最大，沥青混合料分布不均匀性最差；G4 — 1试件的孔隙率纵向分布标准差最小，混合料的均匀性最好；沥青混合料的分布均匀性随孔隙率增大而逐渐降低。

表8 不同级配对孔隙率的影响Table8 Magnitudematchingtheinfluenceoftheporosity级配级配代码试件编号孔隙率/%纵向分布标准差混合料均匀性排序级配1G1G1-125.02.084级配2G2G2-123.73.085G3G3-119.14.707级配3G3G3-218.81.282G3G3-318.93.376级配4G4G4-113.61.271级配4G5G5-141.893

此外，通过对比不同孔隙率试件的劈裂抗拉强度、渗透性能等参数指标发现，随着孔隙率纵向分布标准差的降低，这些指标都在逐步增大。这说明孔隙率的纵向分布标准差可以作为评价沥青混凝土离析状况、强度特性的评价标准。

5　结论

本文首先简要介绍了沥青混凝土路面孔隙率对车辙产生速度、路面透水性能、沥青老化速度、平整度衰减速度四个方面的影响；其次又从矿料级配合和粉料、沥青的含量、压实度3个方面，简要介绍了影响沥青混凝土路面孔隙率的主要因素；建议在具体施工时通过合理选择级配和矿料含量、提高压实度、控制油石比和压实温度这几个方面来降低沥青混凝土中的孔隙率；最后基于CT图像扫描法验证了分形理论在沥青混凝土空间结构和孔隙特征分析中的应用，并提出将孔隙率的纵向分布标准差作为评价沥青混凝土离析状况、强度特性的评价标准。

[1]彭余华. 沥青混合料离析特征判别与控制方法的研究[D].西安:长安大学,2006.

[2]李芬. 沥青混凝土路面细观结构和水破坏研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[3]刘继忠. CFRP孔隙率超声无损检测研究与系统实现[D].杭州:浙江大学,2005.

[4]牟云飞. 基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[5]王磊. 陕西省干线公路沥青路面典型病害成因分析与养护技术研究[D].西安:长安大学,2009.

[6]张书华. 高速公路沥青混凝土薄层罩面施工成套技术及地方标准研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[7]杨冲. 基于电磁波技术的沥青混凝土路面无损检测技术研究[D].西安:长安大学,2012.

[8]王鲁宁. 超声波法在沥青混合料性能测试上的试验研究[D].长春:吉林大学,2013.

[9]潘晓军. 基于超声波技术的沥青混凝土路面无损检测研究[D].西安:长安大学,2014.

[10]李钊. 碳纤维复合材料孔隙率超声检测与评价技术研究[D].杭州:浙江大学,2014.

[11]宋立军. 复合材料孔隙率检测方法及其实现技术的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[12]蒋志峰,吴作伦,刘继忠. 基于超声频域分析的碳纤维复合材料孔隙率检测[J]. 计量学报,2006(01):53-56.

Asphalt Concrete Pavement After Compaction Standard of Porosity Testing Research

XU Huanhuan

(Chongqing Energy College, Chongqing 402260, China)

this paper first briefly introduces the porosity of asphalt concrete pavement rutting waterproof performance, speed, pavement asphalt aging speed, the influence of roughness attenuation speed four aspects; Secondly from mineral aggregate level coordination and powder content, asphalt content, degree of compaction, this paper briefly introduces the main factors affecting asphalt concrete pavement porosity; After the proposal in the concrete construction through reasonable choice of grading and mineral aggregate content, improve the degree of compaction, control oil stone ratio and compaction temperature these aspects to reduce the porosity in the asphalt concrete; Finally based on CT image scanning method of fractal theory was verified in the asphalt concrete spatial structure and the application of the analysis of characteristics of pore.

asphalt concrete; porosity; detection; fractal theory

2016 — 05 — 05

许欢欢(1983 — )，女，湖北天门人，硕士，讲师，研究方向：土木工程。

U 416.06

A

1674 — 0610(2016)04 — 0184 — 04