(安徽交通职业技术学院土木工程系,安徽 合肥 230051)
对于道路工程专业的学生来讲,沥青混合料的材料组成设计是必须应该掌握的专业基础知识,又由于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)沥青混合料配合比设计是采用马歇尔试验进行配合比设计的方法,因此马歇尔稳定度实验在教学过程中显得尤为重要。根据我校本专业实际情况及教学大纲,以提高学生对道路建筑材料基本理论的理解及动手能力为主要目的,制定相应的实验方案。
2.1 掌握稳定度及流值的定义及内涵
2.2 掌握稳定度及流值测定的基本原理
2.3 掌握马歇尔稳定度试验的实验方法及实验步骤
本实验的原理图如图1a)所示。试件置于上下压头中间,加载设备以50mm/min±5 mm/min 的速度对试件施压。图1b)为加载过程中设备对试件施加的力与试件产生的变形关系图,由图可见随着试件所承受的力逐渐增大试件产生的变形亦逐渐增大,当试件破坏时所达到的最大破坏荷载(以kN 计)即为稳定度(MS,Marshall Stability),此时试件内部已经破坏,与此对应的垂直变形(以mm 计)即为流值(FL,Flow Value)。应该注意的是图1b)中的O点至O1 点段不包含在流值内,这是由于此阶段变形来源于压头与试件之间的进一步贴合以及混合料的压密稳定。MS 值越大,FL 越小,说明沥青混合料高温稳定性越好。
图1 实验原理及数据记录图
4.1 实验仪器:自动沥青混合料马歇尔稳定度仪(如图2)、恒温水槽(精度1℃,深度≥150mm)、烘箱、天平(感量≤0.1g)、温度计(精度1℃)等。
4.2 技术要求:当集料公称最大粒径≤26.5mm 时,采用Ф 101.6mm*63.5mm 的标准马歇尔试件,试验仪最大荷载≥25 kN(精度0.1 kN),加荷速率50mm/min±5 mm/min。当集料公称最大粒径>26.5mm 时,采用Ф 152.4mm*95.3mm 大型马歇尔试件,试验仪最大荷载≥50kN(精度0.1 kN),加荷速率50mm/min±5 mm/min。
图2 自动马歇尔稳定度仪
本实验以标准马歇尔试件为例。
5.1 实验准备工作:试件应按照标准击实方法成型。标准马歇尔试件尺寸应满足直径101.6mm±0.2mm、高63.5mm±1.3mm 的要求。试件的尺寸不符合上述要求应予舍弃,并且一组试件的数量不少于4 个。恒温水槽要按要求调节至规范要求的实验温度。本实验为黏稠石油沥青,温度要求为60℃±1℃。
5.2 实验步骤:(1)试件水浴保温。将满足要求的马歇尔试件置于规定温度的恒温水槽保温,保温时间为30~40min。保温时试件底部应垫起且与水槽底部距离不小于5cm。(2)压头保温。将实验仪的上下压头置于恒温水槽或烘箱保温至试件温度。清洁压头内侧并涂上少量黄油。(3)放置试件。将试件放置在下压头上,并将上压头盖在试件顶部,安装在试验仪上。(4)调零。调整自动马歇尔稳定度仪的压力与位移传感器并将传感器调零。(5)开始实验。设定加载速度为50mm/min±5mm/min,启动设备开始试验,记录仪自动记录压力与位移曲线以及稳定度(以kN 计,准确至0.01kN)及流值(以mm 计,准确至0.1mm)。
本文使用沥青路面上面层最为常用的一组AC-13 沥青混合料标准马歇尔试件进行马歇尔稳定度实验,实验数据如下表所示。
表1 马歇尔稳定度实验数据表
注:当一组测定值中某个测定值与平均值之差大于标准差的k 倍时,该测定值应予舍弃,并以其余测定值的平均值作为实验结果。当试件数目n 为3、4、5、6 时,k 值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。
本次马歇尔稳定度实验结果计算过程如下:
(1)该组测值从大到小排序:x(1)=14.81kN、x(2)=12.26 kN、x(3)=11.74 kN、x(4)=11.51 kN。
(3)该组数据的统计值:g(1)=(x(1)-)/s=(14.81-12.58)/1.519 =1.468、g(2)=(- x(2))/s=(12.58-12.26)/1.519=0.211、g(3)=(- x(3))/s=(12.58-11.74)/1.519 =0.553、g(4)=(- x(4))/s=(12.58-11.51)/1.519 =0.704。
实验数目为4 时,其k 值取1.46,故g(0)=1.46。
(4)该组马歇尔稳定度实验结果判别:g(1)>g(0),故x(1)=14.81 kN 为异常值。
(5)该组马歇尔稳定度平均值为(12.26+11.74+11.51)/3=11.84 kN,流值平均值为(29.5+28.4+30.1)/3=29.3(0.1mm)。
即该组沥青混合料马歇尔稳定度为11.84(kN),流值为29.3 (0.1mm)。
7.1 试件直径、高度必须符合要求,高度影响空隙率,试件的成型高度对马歇尔试验结果的变异性关系影响很大,在制作试件时必须严格控制试件高度,不符合要求的一定要剔除。
7.2 在安装马歇尔试件时应保证上下压头沿试件竖直直径对齐。试验过程应平稳无振动。上下压头与试件之间不得有空隙存在,如存在过大空隙,在自动马歇尔稳定度仪施加荷载未开始时,便存在一个变形量,导致变形偏大。
7.3 试件从水浴槽中取出至实验测出最大荷载值的时间应在30s 以内。