目标空隙率下小梁试件的成型方法对比

石幸华

（广东晶通公路工程建设集团有限公司，广东广州510635）

小梁四点弯曲疲劳试验是评价沥青混合料疲劳性能的重要试验方法之一，而空隙率对沥青混合料疲劳试验结果有重要影响[1]。因此成型目标空隙率下的小梁试件是研究疲劳性能的首要工作。

徐晓刚[2]对比分析了采用GTM法与马歇尔法设计的不同级配混合料的体积特性，表明GTM法设计的试件密度和饱和度更大。易富相[3]研究发现采用旋转压实成型方法成型的试件较标准马歇尔击实法而言，其空隙参数与现场取芯更接近。王聪[4]研究采用马歇尔方法成型的沥青混合料试件，空隙率沿着高度方向总体呈现对称形状。张求书[5]对比分析了SGC和马歇尔成型试件体积参数之间的关系，表明针片状含量影响很大。曲松[6]研究表明细料品质对试件空隙率分布影响很大，而建立马歇尔击实次数等效的SGC旋转次数不合宜。杨三强[7]通过工业CT，对比分析了路面碾压钻芯、马歇尔成型试件、旋转压实成型试件和车辙板试件的空隙率分布规律。

综上所述，现有研究考虑了级配、细集料含量、针片状、等因素对空隙参数的影响，并研究了SGC、马歇尔、GTM等成型方式下内部细观特性的本质区别，可现有研究主要集中于圆柱体试件，较少采用不同成型方法分析研究小梁试件的影响。因此本文对比分析了剪切压实仪和汉堡车辙仪两种不同成型方式下，小梁试件的空隙率分布特征。研究结果可为室内试验工作者提供参考和借鉴。

1 试验准备

1.1 原材料

粗集料粒径规格分别为10～18 mm、5～10 mm、3～5 mm；细集料为0～3 mm机制砂。集料密度试验结果如表1所示。

表1 集料密度试验结果

1.2 配合比设计

各档集料筛分结果及合成级配如表2所示，合成级配为GAC-16C。设计的混合料体积参数如表3所示，最佳油石比为4.9%，设计空隙率为4%。

表2 GAC-16C型沥青混凝土合成矿料级配组成

表3 GAC-16C型沥青混凝土体积参数

2 试验方案

为了对比分析汉堡车辙仪与剪切压实仪成型小梁试件空隙率的区别，需将成型的试件切割成小梁试件。四点疲劳小梁试件尺寸为长×宽×高=380 mm×63.5 mm×50 mm。汉堡车辙仪试件尺寸为长×宽×高=400 mm×300 mm×70 mm，分别对应小梁试件的长宽高，因此一块车辙板可以切割为4根小梁试件。剪切压实仪成型试件尺寸为长×宽×高=450 mm×150 mm×180 mm，分别对应小梁试件的长宽高，因此一块车辙板可以切割为6根小梁试件。

如图1（a）和（b）所示，图中阴影部分为小梁试件，横断面为宽×高=63.5 mm×50 mm。空白处预留给刀片切割磨耗。

图1 不同成型方法试件切割示意图

3 空隙率分布规律

为了进一步获取两种不同成型方式对空隙率分布规律的影响，采用工业CT进行逐层扫描，扫描间距为1 mm。因此，汉堡车辙仪从上至下共有70张CT扫描图片，剪切压实仪从上至下共有180张CT扫描图片。对扫描的图片采用matlab进行灰度处理，进而运用Image-Pro Plus6.0图像分析软件对图像进行空隙提取处理。面空隙率的计算方法如式（1）：

图2为逐层扫描的断面图之一，图3为采用Image-Pro Plus6.0图像分析软件处理的断面图。

根据图3空隙率提取结果，按照公式（1）逐层计算各层的空隙率，结果如图4所示。

图2 CT扫描断面图

图3 空隙提取处理（试件中黑色为空隙）

图4 两种不同成型方法的空隙率分布规律

由图4可见，两种不同成型方法的空隙率分布规律均为“两头大、中间小”。采用汉堡车辙仪成型的试件在中部4.5 cm的范围内，空隙率均位4%±0.5%，即采用汉堡车辙仪成型的试件，在顶部和底部1.25 cm范围内的空隙率偏差较大。采用剪切压实仪成型的试件在中部13.4 cm范围内，空隙率均为4%±0.5%，即采用汉堡车辙仪成型的试件，在顶部和底部1.8 cm范围内的空隙率偏差较大。

基于此，当采用汉堡车辙仪成型试件时，为了保证中部试件高度50 mm范围的空隙率分布均匀，汉堡车辙仪试件高度应大于7.5 cm。采用剪切压实仪成型试件时，为保证中部试件的空隙率分布均匀，将每次切割时的最小损耗5 mm计算在内，剪切压实仪成型试件的高度应大于16.36 cm。

4 切割后的小梁试件空隙率结果

根据上节空隙率分布规律，将汉堡车辙仪试件成型高度由7 cm增加至7.5 cm，剪切压实仪试件成型高度由18 cm减小至16.36 cm。

汉堡车辙仪成型试件后，参照1（a）图切割四个小梁试件后，4根小梁试件从左至右分别编号为1、2、3、4，空隙率如表4所示。

采用剪切压实仪成型试件后，参照图1（b）切割成六根小梁试件，6根小梁从上至下分别编号为上1、上2、中1、中2、下1、下2，6根小梁试件的空隙率如表5所示。

表5 剪切压实仪成型小梁空隙率结果

切割汉堡车辙仪成型的试件后，4根小梁试件空隙率均在4%±0.5%范围内，平均值为4.07%，标准差为0.22，变异系数为5.5%；切割汉堡车辙仪成型的试件后，6根小梁试件空隙率均在4%±0.5%范围内，平均值为4.19%，标准差为0.25，变异系数为6.1%。可见采用汉堡车辙仪成型的小梁试件空隙率分布较剪切压实仪略稳定，但一次成型的数量小于剪切压实仪。

5 结语

采用汉堡车辙仪和剪切压实仪所成型的试件，空隙率分布规律均是“两头大、中间小”。汉堡车辙仪试件高度大于7.5 cm，剪切压实仪成型试件的高度大于16.36 cm时，采用汉堡车辙仪和剪切压实仪均可获得目标空隙率下的小梁试件，采用汉堡车辙仪成型的小梁试件空隙率分布较剪切压实仪略稳定，但剪切压实仪一次可成型的小梁数量更多。