CN106018171A - 一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置及方法，测定装置包括顶部开口的水箱，水箱顶部通过支架固定有浸水天平，水箱内部设置有用于放置试件的网篮，所述的网篮与浸水天平的挂钩相连接；所述的支架包括四个支腿以及设置在支腿顶部的平板，平板的中心开设用于通过浸水天平挂钩的圆孔。测定方法包括如下步骤：a.称取干燥试件空中质量；b.首先在试件表面贯入标准砂，然后在试件表面形成石蜡膜，完成蜡封；c.称取蜡封后试件的空中质量；d.将蜡封后的试件浸入水中，称取水中质量；e.称取试件表面填覆的标准砂质量；f.按照公式计算沥青混合料试件的毛体积相对密度。本发明装置简单，实施方便，测试结果误差小。

Description

一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置及方法

技术领域

本发明属于道路施工领域，具体涉及一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置及方法。

背景技术

沥青混合料是一种多空、非均质的材料，其组成包括六个部分：①各种矿料的矿质集料(按磨成粉的无孔隙状态考虑)；②沥青(都填充在集料之间的间隙中，只裹覆在矿料表面，假定不被集料吸收)；③集料自身的闭口孔隙；④集料本身的开口孔隙(在混合料中基本上已经被沥青封闭成闭孔隙)；⑤被沥青裹覆的矿料与矿料之间的空隙(包括开口的与闭口的)；⑥试件表面由于与试模接触得不到正常击实而产生的表面凹陷。

在沥青混合料配合比设计中所用到的毛体积密度是通过毛体积计算得到的，而所述的毛体积是指试件饱和面干状态下表面轮廓所包裹的全部体积，试件内与外界连通的所有开口孔隙都包括在内，试件的体积包括矿质实体和沥青体积，集料内部的闭空隙和集料之间已被沥青封闭的闭孔隙、与外连通的开孔隙都计入了体积，但是试件轮廓以外的试件表面的凹陷是不包括在毛体积中的。对于一般的沥青混合料试件，测试其毛体积密度常用的方法是表干法和蜡封法，它们的共同点都是将开口孔隙封闭起来成为假想的饱和面干状态，但是他们在形成所谓的饱和面干状态时都有各自很大的缺陷。如何能够很好的克服上述规范方法中的缺点，是当前所有沥青混合料试件毛体积密度测量实验的难点。

我国的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的测试沥青混合料试件毛体积密度的方法有四个：表干法、水中重法、蜡封法以及体积法。各个测试方法的本质区别在于其包含的沥青混合料的空隙组成不同，其中体积法测量的是试件的整个外观尺寸，包括了所有的开口孔隙、闭口孔隙及试件的表面凹陷；而水中重法测量的是试件的表观密度，当试件的孔隙率小于0.5％时可近似的认为试件的表观密度等于其毛体积密度，但沥青混合料配合比设计是不能采用此法确定的密度；表干法认为其在试件表面形成了饱和面干状态，在该状态下认为测试的孔隙包含了试件的开口孔隙，即此时试件的孔隙体积包含了试件的开口孔隙和闭口孔隙两部分，这在理论上是合理的，但是在实际的操作中由于人为或其他原因很可能会将试件开口孔隙中的水吸走进而影响试验结果，同时当沥青混合料试件的孔隙较大时，即开口孔隙较多时，沥青混合料的饱和面干状态便很难形成，当试件从水中取出时开口孔隙中的水会跟着流出，从而影响试验的结果，进而影响沥青混合料的配合比设计；蜡封法是用蜡把开口孔隙封闭起来成为假想的饱和面干状态，因此它与表干法是一个意思，都是以包括开口孔隙及闭口孔隙在内的毛体积作为计算密度的体积来用，不过蜡封法也有自己的缺陷，它的关键在于蜡封既要把孔隙封住，又不能让蜡吸入孔隙中，这在实际的操作中是很难做到的，同时，若蜡吸入到了试件中会严重影响试件的试验结果，尤其对于沥青混合料试件的表面性能测试会产生很大的影响。另外我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定当沥青混合料试件的吸水率小于2％时采用表干法，当沥青混合料试件的吸水率大于2％时采用蜡封法，而且试验中规定，进行蜡封之前首先进行表干法测定试件的吸水率，如果吸水率小于2％，则无需进行蜡封，这无形中又使沥青混合料试件毛体积密度的测试变得更加繁琐。另外国外常见的测试沥青混合试件毛体积密度的方法还有封口膜密封法，此法用封口膜将试件密封起来形成饱和面干状态，从理论上讲是正确的，但是在操作的过程中，封口膜无法形成真正的仅包含开口孔隙和闭口孔隙的饱和状态，仍然包含过多的表面凹陷在内，最终使测试结果不准确。

针对以上各种方法中存在的不足和缺陷，因此很有必要开发一种能够有效测试不同孔隙率沥青混合料试件毛体积密度的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置及方法，该方法操作简便，并且在试件表面上形成的饱和面干状态能够真正的满足规范所要求的真实体积，从而使沥青混合料毛体积密度的计算较接近真实值。

为了实现上述目的，本发明蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置采用的技术方案为：

包括顶部开口的水箱，水箱顶部通过支架固定有浸水天平，水箱内部设置有用于放置试件的网篮，所述的网篮与浸水天平的挂钩相连接；所述的支架包括四个支腿以及设置在支腿顶部的平板，平板的中心开设用于通过浸水天平挂钩的圆孔。

所述的网篮通过尼龙绳与浸水天平的挂钩相连接。

所述的浸水天平的精确度为0.1g或0.5g。

本发明蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法采用的技术方案，包括如下步骤：

a.称取干燥试件空中质量m_a；

b.首先在试件表面贯入标准砂，然后在试件表面形成石蜡膜，完成蜡封；

c.称取蜡封后试件的空中质量m_p；

d.将蜡封后的试件浸入水中，称取水中质量m_c；

e.称取试件表面填覆的标准砂质量m_s；

f.按照下式计算沥青混合料试件的毛体积相对密度：

$r_f=\frac{m_a}{(m_p-m_c)-(\frac{m_p-m_s-m_a}{r_p}+\frac{m_s}{r_s})}$

其中：r_f为试件的相对密度；r_s为标准砂的相对密度；r_p为石蜡的相对密度；

试件的毛体积密度按下式计算：

ρ_f＝r_f×ρ_w

式中：ρ_f为测定的试件的毛体积密度；ρ_w为水的密度。

所述的步骤b中将标准砂人工贯入沥青混合料试件的孔隙中，标准砂为土工试验标准砂，所述的石蜡膜是将石蜡溶液涂于沥青混合料试件表面形成的封闭膜。

所述石蜡溶液的温度为55℃，并且在涂覆过程中将滴管加热至50℃，防止石蜡溶液早凝。

所述的蜡封过程首先在贯入标准砂的试件表面用滴管快速滴上石蜡溶液；然后快速用毛笔蘸取石蜡溶液在已滴上石蜡溶液的试件表面进行二次石蜡封面，同时进行找平；静置干燥之后，再用毛笔蘸取石蜡溶液进行第三次石蜡封面，进而在试件表面形成石蜡膜，完成蜡封。

将蜡封后的试件放入网篮中浸水，网篮与浸水天平的挂钩相连接，直至浸水天平的读数不变，读取试件在水中的质量m_c，如果浸水天平读数无法稳定，则说明水渗入到了蜡封试件当中，蜡封失败，则该试件应该进行作废。

所述的毛笔在对试件表面进行石蜡封面时与试件表面保持30°的夹角。

所述的标准砂首先用盛砂盘装入充足的量放在电子天平上并将电子天平清零，标准砂使用完毕后，将多余的标准砂以及试件表面凹陷中的标准砂均取出放回到盛砂盘中，读取电子天平读数的绝对值，该值即等于试件表面填覆的标准砂质量m_s。

与现有技术相比，本发明蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置结构简单，能够很好的实现沥青混合料试件灌砂、表面封蜡以及浸水测量，灌砂能够防止蜡吸入开口孔隙中，以免影响后续的试验，例如沥青混合料试件的力学性质测定等，另外先进行灌砂再滴入石蜡，通过几个简单、方便的操作叠加，使得最终测试过程比较快捷，同时使得最终的试验更加精确，有利于指导沥青混合料的配合比设计，本发明装置设计合理，使用便捷。

与现有技术相比，本发明蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法通过在沥青混合料试件表面先贯入一定量的标准砂再进行蜡封，这样很好的防止了石蜡溶液吸入沥青混合料试件的开口孔隙中，真正的将表面的开口孔隙全部包括在蜡膜内部，此时形成了包括了集料、沥青、开口孔隙以及闭口孔隙在内的试件体积，也就是理论上要求的真实毛体积，这样使得测试的结果真实可靠，有效的保证了沥青混合料配合比设计的准确性。同时本发明能够很好的统一不同吸水率沥青混合料试件的密度，避免了以往不同吸水率的沥青混合料试件采用不同的密度测试方法所带来的不便。本发明的测定方法实施方便，测试结果误差小。

附图说明

图1本发明沥青混合料毛体积密度测定装置的结构示意图；

图2表干法与蜡封法测定马歇尔试件毛体积密度的变化规律图；

附图中：1.浸水天平；2.试件；3.网篮；4.支架；5.水箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明装置在结构上包括顶部开口的水箱5，水箱5采用合成树脂制作而成的圆形水箱，水箱5直径为300mm，高度为250mm。水箱5顶部通过支架4固定有浸水天平1，浸水天平1的精确度为0.1g或0.5g。水箱5内部设置有用于放置试件2的网篮3，网篮3采用直径为200mm，高度为200mm的钢制网篮，网篮3通过尼龙绳与浸水天平1的挂钩相连接。其中，支架4包括四个支腿以及设置在支腿顶部的平板，平板的长度为400mm，平板的宽度为300mm，平板的中心开设有直径为100mm用于通过浸水天平1挂钩的圆孔。

同时本发明装置在实验测试过程中还需要采用电子天平、电炉、毛笔、滴管、标准砂、细尼龙线绳、挂钩、石蜡、毛刷、盛砂盘。

本发明蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法具体的操作过程如下：

1.用盛砂盘装入足量的标准砂并放置在电子天平上，并将电子天平清零。

2.将已成型好的沥青混合料试件平稳的放在浸水天平上并除去试件表面的浮粒，称取干燥试件的空中质量(m_a)，精确至0.1g或0.5g，当为钻芯法取得的非干燥试件时，应用电风扇吹干12h以上至恒重作为空中重量，但不得用烘干法。

3.将石蜡加热至其熔点以上至石蜡处于流动状态，用温度计测量石蜡溶液的温度，并控制石蜡溶液的温度在55℃左右，保持石蜡处于液体状态，同时最好将滴管加热到50℃左右，防止石蜡在滴管中早凝。

4.取下试件，将标准砂用手轻轻洒在试件的表面并用毛刷找平，此时注意由于毛体积不包括试件的表面凹陷，因此应该不需要将标准砂洒在试件的表面凹陷中，但是考虑到后面的操作中由于其他因素可能致使石蜡有可能滴到表面凹陷中，现在仍然在表面凹陷中洒入标准砂，此过程中特别是将标准砂要洒在试件的开口孔隙中，同时将多余的标准砂放回盛砂盘中。

5.用滴管吸取一定量的石蜡溶液，然后快速的滴在先前洒好标准砂的地方，注意试件的表面凹陷处不要滴入石蜡，同时在滴入石蜡后尽快用毛笔蘸取少量石蜡溶液在已滴好石蜡的试件表面进行二次石蜡封面，同时进行找平，在二次蜡封完成后，静置时间一段时间使蜡膜干燥，待沥青混合料试件表面的蜡膜干燥一段时间后再用毛笔蘸取石蜡溶液进行第三次封面。

6.当试件的一面按上述方法操作完成后，按上述的步骤对试件的其他面进行同样的操作，直至试件的所有面均被石蜡完好封住，此过程中需要将多余的标准砂和试件表面凹陷中的标准砂都取出放回盛砂盘中，并读取电子天平读数的绝对值(m_s)，注意此时电子天平虽然显示的是负数，但该值即为标准砂的使用量。

7.称取蜡封试件的空中质量(m_p)。

8.调整好浸水天平1，在网篮浸入水箱5后，将浸水天平1复零，将蜡封试件放入网篮3浸水，直至浸水天平1读数不变，读取试件水中质量(m_c)，如果浸水天平1读数无法稳定，则说明蜡封失败，水渗入了蜡封试件中，该试件应该作废。

9.试验完毕，取出试件整理仪器，若试件还需进行后续试验如力学性质确定，由于有标准砂存在于石蜡和沥青混合料试件中间，可用手很方便的将附着在试件表面的石蜡刮去，同时毫不影响试件后续的性能测试。此时的沥青混合料试件的毛体积密度按下式进行计算。

$r_f=\frac{m_a}{(m_p-m_c)-(\frac{m_p-m_s-m_a}{r_p}+\frac{m_s}{r_s})}$

式中：r_f——由上述方法测定的试件的毛体积相对密度，无量纲；

m_a——蜡封前试件的空中质量(g)；

m_p——蜡封后试件的空中质量(g)；

m_c——蜡封后试件的水中质量(g)；

m_s——试件灌砂所用砂的质量(g)；

r_s——标准砂对水的相对密度，无量纲；

r_p——石蜡对水的相对密度，无量纲。

试件的毛体积密度按下式计算

ρ_f＝r_f×ρ_w

式中：ρ_f——由上述方法测定的试件的毛体积密度(g/cm³)；

ρ_w——水的密度，取为1g/cm³。

最后整理试验数据，进行相应的体积指标计算与沥青混合料的油石比设计。

本发明是在现有的蜡封法基础上改进而来，与规范的蜡封法一样也是利用了蜡的性质，当蜡温度较高时具有液体的流动性，当蜡的温度较低时就会凝固成固体。因此，用滴管蘸取蜡溶液有选择的涂到试件表面，另外在蜡封前在试件表面贯入标准砂，由于温度降低，蜡很快就会在试件表面形成蜡膜，由于已有标准砂在试件的表面，因此蜡溶液很难进入试件孔隙以及表面凹陷中。最终在试件表面形成包括开口孔隙在内的蜡膜，使在试件表面形成的饱和面干状态能够真正的成为规范所要求的真实体积，从而使毛体积密度的计算更接近真实值。

本发明在蜡封的操作过程中，首先将标准砂贯入沥青混合料试件的表面，再用滴管蘸取些许蜡溶液滴到先前已经贯入过标准砂的地方，最后用毛笔蘸取一定量的蜡溶液对沥青混合料试件进行二次涂刷与找平，对其进行进一步的蜡封，使其形成的饱和面干状态，同时采用这种方式，蜡膜形成更简单且更容易控制，重要的是不会使蜡溶液浸入到沥青混合料试件的开口孔隙中以防影响沥青混合料试件其他性能的测试，大大提高了沥青混合料试件的利用率。

在将石蜡溶液涂于已贯入标准砂的沥青混合料试件表面时，石蜡溶液的温度控制在55℃左右，以石蜡表面出现初凝为宜，同时在涂刷的过程中使毛笔与试件表面保持30°左右的夹角，这样更有利于蜡膜的形成，同时能很好的防止毛笔将贯入的标准砂戳出。

本发明的试件表面形成了蜡膜，将开口孔隙包含在蜡膜内，干燥后再次蜡封，由于事先贯入标准砂，因此不管是第一次蜡封还是第二次蜡封，石蜡溶液都很难进入到沥青混合料试件的开口孔隙中，试件蜡封比较完整，形成真正的仅包含开口孔隙和闭口孔隙的饱和状态。

实施例1：

采用量程为4Kg，感应量0.01g的电子天平称取干燥试件的空中质量m_a＝1207.7g，同时准备足量的标准砂并置于盛砂盘中，将盛砂盘置于另一台电子天平上并将天平读数置零；

将石蜡熔化至55℃左右，同时滴管也需加热到相应的温度，从盛砂盘中取一定量的标准砂贯入到试件的表面，用滴管吸取蜡溶液并迅速的滴到沥青混合料试件的表面，在用滴管滴完试件的一个面后，用毛体从蜡溶液中蘸取些许蜡溶液并对沥青混合料试件进行涂刷和找平；

在常温下将蜡封好的试件干燥冷却，再用毛笔蘸取少量的蜡溶液，小心的涂抹到沥青混合料试件的表面，然后对沥青混合料试件的其他面进行同样的操作；

待沥青混合料试件表面干燥后，重新称取沥青混合料试件蜡封后的质量m_p＝1242.86g,在整个操作过程后将多余的标准砂放回盛砂盘中，并读取盛砂盘中读数的绝对值m_s＝16.1g；

调整好浸水天平1，在网篮3浸入水箱5后，将浸水天平1复零，将蜡封试件放入网篮3浸水，直至浸水天平1读数不变，读取水中质量m_c＝730.56g；

上述试验所用石蜡的密度γ_p＝0.846，标准砂的密度γ_s＝1.415，石蜡密度和标准砂密度的相关测试方法可以参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》或者由厂家提供。

计算试件的密度：

$r_f=\frac{m_a}{(m_p-m_c)-(\frac{m_p-m_s-m_a}{r_p}+\frac{m_s}{r_s})}$

试件的毛体积密度按下式计算：

ρ_f＝r_f×ρ_w

式中：ρ_f——由上述方法测定的试件的毛体积密度(g/cm³)；

ρ_w——水的密度，取为1g/cm³。

将以上实测数据带入公式，即得试件的密度ρ_f＝2.5245g/cm³。

本发明蜡封法与规范表干法对照：

按马歇尔试验方法成型两组相同的马歇尔试件，第一组按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对试件进行表干法测定马歇尔试件的毛体积密度，第二组按照本发明方法对试件进行蜡封法测定马歇尔试件的毛体积密度，两种的试验结果见下表：

参见图2，从试验结果可以看出，采用规范的表干法测定马歇尔试件的毛体积密度有明显的错误，如在油石比为6.5％时毛体积相对密度为2.513，而当油石比为7％时毛体积密度达到了2.514，也就是油石比为6.5％时毛体积相对密度比油石比为7％时毛体积密度还大，这显然违背了客观规律，因为在马歇尔设计方法中，存在一个毛体积密度的最大值，也就是开始试件的毛体积密度随油石比的增大而增大，当达到试件的最佳油石比时试件的毛体积密度达到最大，这之后试件的毛体积密度由随着油石比的增大而减小。因此，这充分说明了表干法测定试件的毛体积密度存在很大的局限性，而从图中可以看出蜡封法能够很好的反应马歇尔试件毛体积密度的变化规律，因而能够更好的指导沥青混合料配合比设计。

Claims (10)

1.一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置，其特征在于：包括顶部开口的水箱(5)，水箱(5)顶部通过支架(4)固定有浸水天平(1)，水箱(5)内部设置有用于放置试件(2)的网篮(3)，所述的网篮(3)与浸水天平(1)的挂钩相连接；所述的支架(4)包括四个支腿以及设置在支腿顶部的平板，平板的中心开设用于通过浸水天平(1)挂钩的圆孔。

2.根据权利要求1所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置，其特征在于：所述的网篮(3)通过尼龙绳与浸水天平(1)的挂钩相连接。

3.根据权利要求1所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的装置，其特征在于：所述的浸水天平(1)的精确度为0.1g或0.5g。

4.一种蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.称取干燥试件空中质量m_a；

b.首先在试件表面贯入标准砂，然后在试件表面形成石蜡膜，完成蜡封；

c.称取蜡封后试件的空中质量m_p；

d.将蜡封后的试件浸入水中，称取水中质量m_c；

e.称取试件表面填覆的标准砂质量m_s；

f.按照下式计算沥青混合料试件的毛体积相对密度：

$r_f=\frac{m_a}{(m_p-m_c)-(\frac{m_p-m_s-m_a}{r_p}+\frac{m_s}{r_s})}$

其中：r_f为试件的相对密度；r_s为标准砂的相对密度；r_p为石蜡的相对密度；

试件的毛体积密度按下式计算：

ρ_f＝r_f×ρ_w

式中：ρ_f为测定的试件的毛体积密度；ρ_w为水的密度。

5.根据权利要求4所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：所述的步骤b中将标准砂人工贯入沥青混合料试件的孔隙中，标准砂为土工试验标准砂，所述的石蜡膜是将石蜡溶液涂于沥青混合料试件表面形成的封闭膜。

6.根据权利要求5所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：所述的石蜡溶液的温度为55℃，并且在涂覆过程中将滴管加热至50℃，防止石蜡溶液早凝。

7.根据权利要求4或6所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：所述的蜡封过程首先在贯入标准砂的试件表面用滴管快速滴上石蜡溶液；然后快速用毛笔蘸取石蜡溶液在已滴上石蜡溶液的试件表面进行二次石蜡封面，同时进行找平；静置干燥之后，再用毛笔蘸取石蜡溶液进行第三次石蜡封面，进而在试件表面形成石蜡膜，完成蜡封。

8.根据权利要求7所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：将蜡封后的试件放入网篮(3)中浸水，网篮(3)与浸水天平(1)的挂钩相连接，直至浸水天平(1)的读数不变，读取试件在水中的质量m_c，如果浸水天平(1)读数无法稳定，则说明水渗入到了蜡封试件当中，蜡封失败，则该试件应该进行作废。

9.根据权利要求7所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：所述的毛笔在对试件表面进行石蜡封面时与试件表面保持30°的夹角。

10.根据权利要求4所述的蜡封测定沥青混合料毛体积密度的方法，其特征在于：所述的标准砂首先用盛砂盘装入充足的量放在电子天平上并将电子天平清零，标准砂使用完毕后，将多余的标准砂以及试件表面凹陷中的标准砂均取出放回到盛砂盘中，读取电子天平读数的绝对值，该值即等于试件表面填覆的标准砂质量m_s。