不同施工工序沥青用量相互关系试验研究

王中良，岳峰林，刘 波，冷俊才，蔺尚杰

(四川省红鱼洞水库建设管理局，四川 巴中 636600)

沥青混凝土具有较好的柔性、较强的适应结构变形能力、优越的耐久性和防渗性等优点，20世纪30年代，人们已开始利用沥青混凝土作为土石坝的防渗结构应用于水利工程建设中[1- 3]。并且沥青混凝土在严寒区、高山或多雨地区均可快速施工，当温度达到一定时可呈现出熔融状态，有利于修补，受到了水利工程界的青睐[4- 5]。迄今为止，已建成200多座以沥青混凝土为水工防渗结构的水利工程[6- 8]。随着沥青混凝土在水利工程中的应用，工程人员对施工技术和施工质量的控制也越来越严格[9- 10]。水工沥青混凝土心墙在施工过程中常需要对沥青用量进行检测，以评价沥青混合料施工配合比的准确性以及沥青混凝土实体的施工质量[11- 12]。目前，工程中对于沥青用量检测常用的方法是在拌和机出机口、仓面取沥青混合料或在心墙碾压后钻芯取样，采用抽提或燃烧炉的方法进行沥青用量的检测。

在某水库工程施工过程中，发现拌和机出机口位置的沥青混合料的沥青用量能够满足DL/T 5363—2006《水工碾压式沥青混凝土施工规范》的要求[13- 15]，将沥青混合料摊铺到仓面上以后沥青用量检测结果与出机口位置的基本相同，但在对碾压施工后的沥青混凝土心墙钻取的芯样检测时，沥青用量比出机口位置和仓面摊铺后的略偏低，且有时出现不满足规范要求的情况。因此，文章针对该问题开展了不同施工工序沥青混合料(混凝土)沥青用量相互关系的试验研究，旨在揭示造成该问题的原因，为施工过程中沥青用量的检测提供依据。

1 研究方法

为研究施工过程中出现的沥青混凝土沥青用量存在明显差异的问题，文章开展了现场不同施工工序过程中的沥青用量试验和室内模拟现场振动击实成型试样的沥青用量试验。

1.1 现场试验

为研究不同施工工序取样对沥青混凝土沥青用量的影响，在现场专项铺筑了碾压沥青混凝土试验段，铺筑场地长30m、宽1m，铺筑一层，入仓层厚0.3m，共计使用沥青混合料9m3。分别在不同施工工序(拌和机出机口、入仓后沥青混合料和碾压后沥青混凝土)取沥青混凝土进行抽提试验来测试沥青用量。为消除试验过程中的偶然误差，每道工序取样数量为5组，共计15组。

沥青用量测试方法参照DL/T 5362—2018《水工沥青混凝土试验规程》第9.5节抽提试验方法进行。称取一定质量的沥青混凝土试样，质量一般控制在1000～1500g，用三氯乙烯溶剂浸泡30min，使沥青充分溶解，将溶解后的沥青混凝土及三氯乙烯溶液倒入离心分离器，开动离心机，将沥青溶液收入回收瓶，待无液体流出时，停机，再次加入与初始注入烧杯中数量大体相同的三氯乙烯，等待3～5min，重复上述操作，直到流出的抽提液呈清澈的淡黄色为止，称取容器中剩余骨料的质量，获取滤纸和抽提液中矿粉的质量，计入矿料总质量，分别计算沥青混凝土总质量、矿料总质量，从而测得沥青用量。

1.2 室内试验

为验证现场不同施工工序沥青混凝土沥青用量试验，进一步分析现场沥青混凝土钻芯试样与混合料沥青用量存在差异的原因，实验室采用标准击实成型的方法，按照施工配合比制备了12组圆柱形沥青混凝土试样(2组备用)，尺寸为φ152.4mm×95.3mm(直径×高)，如图1(a)所示。对成型后的试样采用钻芯的方式模拟现场碾压后沥青混凝土的钻芯过程，芯样尺寸为φ100mm×95.3mm，将钻芯后剩余外部圆环型沥青混凝土标记为芯样外侧，如图1(b)所示。对上述两部分通过燃烧炉法检验沥青用量，试验前对燃烧炉进行了系统偏差的标定。按施工配合比的沥青用量7.3%称取三份混合料，每份混合料总重为1500g，燃烧后实际测得沥青用量分别为7.316%、7.329%、7.315%，平均值为7.320%，故该配合比的燃烧炉修正系数为0.02%。

图1 大型马歇尔试件及取芯后试样

2 试验结果与分析

2.1 现场试验

现场不同施工工序沥青混凝土沥青用量抽提试验结果见表1。

表1 不同施工工序沥青混凝土沥青用量抽提试验结果

从现场检测结果可以看出，沥青混凝土在不同施工工序取样时，沥青用量检测值会发生变化，沥青混合料入仓摊铺后取样的沥青用量与拌和机出机口取样的沥青用量检测值基本一致，沥青混凝土芯样的沥青用量测值比机口、入仓摊铺后取样要低约0.3%。相比较而言，芯样的沥青用量偏低，该问题的原因可能是取芯时，钻机高速运转造成芯样表面骨料外露，没有裹覆沥青，而其他两个工序沥青混合料样品所有骨料都是包裹沥青的；也有可能是在运输、碾压过程中施工机械，尤其是振动碾双钢轮黏附了少量沥青；还有可能是在振动碾压过程中，沥青混凝土发生离析，粗骨料下沉，沥青胶浆上浮，即出现返油现象，同时，少量沥青胶浆也会在反复振动碾压、骨料相互嵌挤的作用下缓慢向两侧过渡料界面处流动。然而，在取芯进行检测时，一般芯样都钻取在心墙中心线附近，芯样表面返油层也往往不会被取来作为试验对象，这些都可能是造成芯样检测时沥青用量偏低的原因。

针对上述芯样沥青用量偏低的问题，为了解沥青混凝土在碾压过程中是否发生了离析，进一步对沥青混凝土芯样上层、下层分别进行抽提试验，试验结果见表2。

从表2可以看出，不同取芯温度对上下层沥青用量的影响不大。这是因为，取芯温度过高会对沥青混凝土芯样结构造成一定影响，但并不会对沥青用量的检测结果造成差异。根据检测结果还可以看出，上半部芯样的沥青用量均大于下半部，上部沥青用量均值为7.08%，下部沥青用量均值为6.89%，上部比下部高出0.3%左右。从各粒径含量来看，上部的细骨料含量较多，尤其是矿粉含量，上部沥青混凝土试件的矿粉含量约为12%，下部沥青混凝土试件的粗骨料含量较多，矿粉含量约为10%。芯样上部细骨料、矿粉、沥青用量均大于下部，而芯样下部粗骨料含量大于上部，说明处于高温下的沥青混合料在碾压过程中，受振动碾的强烈振动，粒径较大的骨料出现了下沉现象，沥青胶浆上浮，产生了一定程度的离析，使得芯样上下部沥青混凝土中的沥青用量存在一定差异，而且沥青混合料油量越大、温度越高，离析现象就越严重。

表2 不同取芯温度时芯样上下层抽提试验结果

2.2 室内试验

室内模拟不同施工工序沥青混凝土沥青用量试验结果见表3。

表3 不同位置试样沥青用量试验结果(燃烧炉法)

从表3中看出，采用施工配合比击实成型的试样不同位置的沥青用量差异不大，10组试样的均值差仅为0.147%。为分析试验结果的差异性，对两组试验结果进行独立样本的t检验分析[16]，分析结果见表4—5。

从表4中可以看出，两组试验结果的均值差异为0.147%，标准差分别为0.0567和0.0356，说明数据的整体离散型较小。表5中方差方程的齐性检验结果p=0.083大于0.05，说明两组数据的方差是齐性的(相等)，应选取结果中第一行的显著性(双侧)值进行判定，由于p=0.000小于0.05，认为两组试验得出的沥青用量有显著性差异。

表4 试验结果统计量分析

表5 独立样本t检验结果

两组试样的试验结果得出沥青用量存在显著性差异，这是由于心墙沥青混凝土属于富沥青混凝土，沥青用量较公路沥青混凝土高，沥青黏附于骨料表面，除了形成一定的结构沥青外，还有少量的自由沥青，如图2所示。本次试验所采用配合比中沥青用量较高(为7.3%)，在击实成型前，沥青和骨料均匀分布在混合料中，结构沥青裹附在骨料表面，而少量的自由沥青存在于骨料之间的孔隙中。击实时受垂直方向荷载作用，混合料开始被压密实，骨料内部形成的孔隙体积减小，此时孔隙中的自由沥青受挤压向外缘移动，使沥青混凝土外缘的沥青用量相对增加，从而导致沥青混凝土芯样的沥青用量略小于其外缘。

图2 骨料与沥青交互作用示意图

上述室内试验可以反映出，现场沥青混凝土芯样与混合料的沥青用量存在差异也是由于混合料在受振动碾压过程中，自由沥青在骨料形成的孔隙中向心墙两侧过渡料界面移动，使得心墙中心处的沥青用量略小于两侧。在现场质量控制中，沥青混凝土芯样一般是沿心墙纵断面的中间位置进行钻取，因此，出现了芯样的沥青用量测试结果比混合料偏低的现象。

3 结论

针对施工过程中出现的沥青混凝土沥青用量试验结果存在明显差异的问题，进行了不同施工工序下沥青用量的现场和室内试验研究。结果表明：沥青混凝土芯样与沥青混合料的沥青用量存在一定的差异，芯样比沥青混合料的沥青用量约低了0.3%。其原因在于沥青混凝土在摊铺碾压施工过程中沥青混凝土产生了一定程度的离析现象，粗骨料下沉，细骨料及沥青胶浆上浮。

针对心墙沥青混凝土施工质量控制，沥青用量试验应选择出机口或仓面的沥青混合料进行测试；若采用钻取芯样的方式检测沥青用量，应在心墙横断面上均匀分布测点，求取平均值后作为试验结果。