CN110567843B - 一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法 - Google Patents

一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法。其包括如下步骤：(1)称量取芯试件的空气中质量ma；(2)将灌砂筒内装满砂后称取灌砂筒内砂的质量m1；(3)将灌砂筒放置在标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m2；(4)将取芯试件放入空置的标定罐内，将装满砂的灌砂筒置于标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m3；(5)从标定罐中将试件取出，称取试件质量m4；(6)按照公式
Figure DDA0002205442860000011
计算出沥青混合料取芯试件的毛体积，并推导出试件的毛体积密度。

Description

一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法
技术领域
本发明涉及一种测定沥青混合料毛体积的方法，属于道路施工技术领域。
背景技术
沥青混合料配合比设计一般采用马歇尔配合比设计方法，马歇尔设计方法作为一种体积设计法，以体积参数(空隙率、VMA、VFA)作为控制指标。空隙率是沥青混合料最重要的体积特征参数，它的大小直接影响沥青混合料的强度和抗永久变形能力。空隙率是由沥青混合料试件的毛体积相对密度和理论最大相对密度计算得到的。毛体积密度是指在规定条件下，材料单位毛体积(包括材料实体、开口及闭口孔隙)的质量。毛体积密度计算的准确性由材料的毛体积测量(计算)的准确性决定。沥青混合料利用这种经验加体积参数分析方法作为沥青混合料配合比设计的手段，其成立的前提是，用于计算以空隙率为代表的体积参数试验方法必须准确、合理。
沥青混合料是一种复合材料，其组成包括六部分。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(都充填在集料之间的间隙中，只裹覆在矿料表面)；③、集料自身的闭孔隙；④、集料本身的开孔隙；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(钢轮)接触得不到正常击实(压实)而产生的表面凹陷。
我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中根据混合料试件的吸水率不同，将试验方法分为表干法、蜡封法、水中重法以及体积法。在这沥青混合料密度的四种测试方法中，最基本的方法是表干法测定的毛体积密度。表干法中的毛体积式中试验饱和面干状态下表面轮廓水膜所包裹的全部体积，试件内与外界连通的所有开孔隙均被水充满，试件的体积包括矿质实体与沥青体积，集料内部的闭孔隙和集料之间已经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。表干法测量的关键在于用拧干的湿毛巾擦试件表面时，要制造一种真正的饱和面干状态，表面既不能有多余的水膜，又不能把吸入空隙内的水分擦失，得到真正的毛体积。但是当沥青混合料的空隙很大，即开口空隙较多时，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，开口孔隙的水即会跟着流出，从而影响试验结果。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。蜡封法是不容易测准确的，它的关键在于蜡封时既要把孔隙封住，又不能让蜡吸入孔隙中，这在实际操作中很难实现，而且试件表面的蜡影响马歇尔试验结果。另外，《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，这又是沥青混合料试件毛体积密度的测定变得更加复杂。水中重法是对吸水率小于0.5％的密实沥青混合料试件采用的试验方法，试件表面基本上没有连通外部的开孔隙，试件浸水时几乎不吸水，试件饱和面干质量和空气质量非常接近，针对我们现有常用的沥青混合料种类，此种方法适用性较小。体积法是空隙率特别大，不能用以上方法测定时的特殊情况。体积法把试件表面的全部坑洼和不规则都算作试件的体积，这种体积包括闭口孔隙、开口孔隙、矿质实体体积以及试件表面的凹陷，比混合料试件实际的体积明显偏大，从而使得计算的密度偏小，空隙率偏大。对于大孔隙率沥青混合料，闭口孔隙、开口孔隙均较大，体积法计算误差将会更大。而另外一种真空密封法(CoreLok)，其准确度较高，但是设备价格昂贵，操作相对较繁琐，不利用工程现场的推广应用。
针对以上各种方法存在的不足和缺陷，很有必要开发一种能有效测试较大空隙沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料工程现场取芯试样的体积测定。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)称量圆柱状的取芯试件的空气中质量ma；
(2)将灌砂筒内装满砂后称取灌砂筒内砂的质量m1；
(3)将上述装满砂的灌砂筒放置在标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m2；
(4)将取芯试件放入空置的标定罐内，将装满质量为m1的砂的灌砂筒置于该标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m3；
(5)从步骤4中的标定罐中将试件取出，称取试件质量m4；
(6)按照下面的式(a)计算出沥青混合料取芯试件的毛体积，并按照下面的式(b)和式(c)推导得出试件的毛体积密度ρa及毛体积相对密度γa：
Figure BDA0002205442840000031
Figure BDA0002205442840000032
Figure BDA0002205442840000033
式中：V是沥青混合料取芯试件毛体积；
ρs是量砂密度；
ρω是在特定温度下的水的密度。
本发明方法是通过将标定罐中的试件排开砂的体积来计算试件的毛体积，由于测试过程中，存在有少许的砂落入试件内部的情况，采用测试后的试件空气质量减去测试前的试件空气质量再除以砂的密度后求得的体积作为修正，可使计算结果更接近试件的真实毛体积。
进一步的，为保证测试结果是准确性，所述的砂为清洁干燥的与空气的湿度相平衡的均质砂，所述砂的粒径为0.25mm～0.5mm。
进一步的，为保证称量准确性，优选称量工具为天平，其精确度为0.1g，量程为10～15kg。
进一步的，为避免砂状态过密实或者过疏松影响试验结果，优选在灌砂筒内装满砂时，筒内砂的高度与筒顶的距离不超过15mm。
进一步的，为保证测量准确性，步骤4中，取芯试件放入空置的标定罐中时，取芯试件的圆柱表面与标定罐的底部接触。
进一步的，为保证测量准确性，步骤5中，称取试件质量前将试件表面纹理内的砂用毛刷扫净，再将试件用托盘装好进行称量，称量过程中要防止试件内部开口空隙内的砂流出。
进一步的，所述灌砂筒包括位于上部的储砂筒和位于所述储砂筒下部的倒置的圆锥形漏斗，所述圆锥形漏斗的顶端设有开口，所述储砂筒的底部对应于所述圆锥形漏斗顶端的开口设有圆孔，在所述储砂筒和所述圆锥形漏斗之间设置有可转动的开关板，所述开关板上对应于所述储砂筒底部的圆孔也设置有圆孔，所述开关板的一端与所述储砂筒的筒底及所述圆锥形漏斗的顶部连接板铰接，其另一端伸出所述储砂筒的筒身外。
进一步的，所述标定罐的内径与所述储砂筒的内径一致。
本发明的有益效果是：本发明方法能有效测试较大空隙沥青混合料毛体积及毛体积密度，其测量结果准确性高，且测量方法简单，操作简单方便，所采用的测量设备及工具简单，价格便宜。本发明方法消除了体积法(测量法)所带来的误差较大，与真空密封法相关性较低等问题，能为工程现场提供一种简单、有效、准确的计算沥青混合料毛体积及毛体积密度的试验方法，能为现场检测沥青路面压实度提供准确的数据支持。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所采用的灌砂筒的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明具体实施方式中所采用的标定罐的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明具体实施方式中取芯试件放入标定罐内的示意图；
图6是具体实施方式中灌砂法与真空密封法测定取芯试件毛体积的变化规律图；
图中，1、灌砂筒，101、储砂筒，102圆锥形漏斗，103、开关板，104、储砂筒底部的圆孔，105、开关板上的圆孔，2、标定罐，3、试件。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
如附图所示，本发明方法适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料工程现场取芯试样的体积测定。
本发明中所采用的工具包括：灌砂筒1、标定罐2、量砂、天平。其中，为保证测量结果的准确性，本发明中测量所用的量砂为清洁干燥的均质砂，与空气的湿度达到平衡，所用量砂的粒径优选为0.25mm～0.5mm。所用的天平，优选其精确度为0.1g，量程为10～15kg。本发明中所使用的灌砂筒1包括位于上部的储砂筒101和位于所述储砂筒101下部的倒置的圆锥形漏斗102。所述圆锥形漏斗102的顶端设有开口，储砂筒101为圆筒状结构，所述储砂筒101的底部对应于所述圆锥形漏斗102顶端的开口设有圆孔104。在所述储砂筒101和所述圆锥形漏斗102之间设置有可转动的开关板103作为开关，开关板103为一薄铁板制成，所述开关板103上对应于所述储砂筒101底部的圆104也设置有圆孔105，所述开关板103的一端与所述储砂筒101的筒底及所述圆锥形漏斗 102的顶部连接板通过销轴铰接连接，其另一端伸出所述储砂筒101的筒身外。用手左右扳动开关板103，当开关板103上的圆孔105与储砂筒101底部的圆孔 104及圆锥形漏斗102顶端的开口对齐时为“开”的状态，储砂筒102内的砂可通过其底部的圆孔104及圆锥形漏斗102顶端的开口向下流出，当开关板103 上的圆孔105与储砂筒101底部的圆孔104及圆锥形漏斗102顶端的开口不对齐时为“关”的状态。标定罐2为圆筒状结构，其上端具有外缘便于与灌砂筒1 的下端对接。灌砂筒1包括两种规格，
Figure BDA0002205442840000051
和φ200mm两种规格，标定罐2 也包括两种规格，包括
Figure BDA0002205442840000053
h＝150mm和
Figure BDA0002205442840000052
h＝200mm两种规格。可根据取芯试样的尺寸选用相应规格的灌砂筒和标定罐。根据不同的灌砂筒确定相应尺寸的标定罐，标定罐的内径应与储砂筒的内径一致。
一种灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其包括如下步骤：
(1)称量圆柱状的取芯试件的空气中质量ma；
(2)将灌砂筒内装满砂后称取灌砂筒内砂的质量m1；
(3)将上述装满砂的灌砂筒放置在标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m2；
(4)将取芯试件放入空置的标定罐内，将装满质量为m1的砂的灌砂筒置于该标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m3；
(5)从步骤4中的标定罐中将试件取出，称取试件质量m4；
(6)按照下面的式(a)计算出沥青混合料取芯试件的毛体积，并按照下面的式(b)和式(c)推导得出试件的毛体积密度ρa及毛体积相对密度γa：
Figure BDA0002205442840000061
Figure BDA0002205442840000062
Figure BDA0002205442840000063
式中：V是沥青混合料取芯试件毛体积；
ρs是量砂密度；
ρω是在特定温度下的水的密度。
为避免砂状态过密实或者过疏松影响试验结果，在灌砂筒内装满砂时，筒内砂的高度与筒顶的距离不超过15mm，每次标定后及而后的试验都维持m1恒定。
为保证测量结果准确，在步骤4中，取芯试件3放入空置的标定罐2中时，应该保证取芯试件3的圆柱表面与标定罐的底部接触。
步骤5中，称取试件质量前应将试件表面纹理内的砂用毛刷扫净，再将试件用托盘装好进行称量，称量过程中要防止试件内部开口空隙内的砂流出。
在测量过程中，为保证测量结果准确，在储砂筒内的砂通过圆孔自由下落过程中，要保证不受到外力因素影响。
下面通过具体实施例进行说明：
实施例1
现场取芯大粒径透水沥青混合料LSPM-25φ100的试件一个。
①采用量程10～15kg，感量0.1g的电子天平称量干燥试件的空气重量ma＝1579.6g。根据试件大小，确定选用φ150mm的灌砂筒和φ150mm的金属罐；
②将灌砂筒1置于电子天平上，并将电子天平读数置零。将灌砂筒1内装满砂，称取砂的质量m1＝9000g；
③将上述装满砂的灌砂筒1放置在标定罐2上，打开灌砂筒1的开关让砂流出，称取灌砂筒1内砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m2＝4699.7g；
④将试件3放入空置的标定罐2内，将装满质量为m1的砂的灌砂筒1置于标定罐2上，打开灌砂筒1的开关让砂流出，称取灌砂筒1内的砂不再下流时灌砂筒1内剩余砂的质量m3＝5656.6g；
⑤从标定罐2中将试件3取出，用毛刷把试件3表面纹理内的砂清干净，再将试件3用托盘装好称量，称量过程中，防止试件3内部开口空隙内的砂流出，称取试件质量m4＝1585.4g；
⑥上述试验中所用的标准砂的密度ρs＝1.342g/cm3；
⑦按如下公式计算试件的毛体积V：
Figure BDA0002205442840000071
⑧试件的毛体积密度ρa按如下公式计算
Figure BDA0002205442840000072
将以上数据代入公式，即得试件的毛体积V＝717.4cm3,试件毛体积密度ρa为2.201g/cm3。
下面通过对比例进行说明：
对比例1
试件的毛体积密度测定采用真空密封法(CoreLok)，把真空密封法测得的结果作为真值。
①采用量程10～15kg，感量0.1g的电子天平称量干燥试件的空气重量 ma＝1579.6g；
②选择合适的密封袋，将试样送入CoreLok真空密封装置内抽取真空，并称取密封试件质量mb＝1605.9g，将密封试件置于25℃±1℃的水中质量 mc＝857.6g；
③将密封试件从水中取出，擦干表干，取走密封袋，称取试件质量 mf＝1579.5g，密封袋的相对密度根据厂家提供值，按照ρf＝0.903计算。
④将以上数据代入如下公式
Figure BDA0002205442840000081
即得试件的毛体积相对密度γa为2.196，试件毛体积密度采用公式ρa＝γa×ρw计算，在25℃温度下，水的密度ρω取0.9971g/cm3，得出试件的毛体积密度为2.190g/cm3。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中试件毛体积密度的重复性允许误差0.02g/cm3，可见两种试验方法的试验误差为0.01 g/cm3，满足规范要求。
对比例2
试件的毛体积密度测定采用体积法。
①采用量程10～15kg，感量0.1g的电子天平称量干燥试件的空气重量 ma＝1579.6g；
②从试件的上下两个断面量取直径后取平均值，高度取十字对称4次测定，后取平均值，计算试件的毛体积，如下表所示：
Figure BDA0002205442840000082
③试件的毛体积密度及毛体积相对密度按下式计算
Figure BDA0002205442840000083
将以上数据代入公式，得出试件毛体积密度为2.147g/cm3，与corelok法测得的试验结果2.184g/cm3相比，小0.037g/cm3，超出规范规定的重复性试验的允许误差0.02g/cm3。
对比例3
从工程现场现场取芯大粒径透水沥青混合料LSPM-25φ150mm大试件8个和φ100mm小试件33个。因工程现场所用级配不相同，原材料有所变化，将所有试件的毛体积密度作比较，离散型较大，不能较好的说明灌砂法与真空密封 (corelok)法的相关性，可以通过反算试件毛体积，求得不同级配下，不同原材料下，较大空隙率沥青混合料灌砂法与真空密封(corelok)法的相关性。
灌砂法与真空密封法测定取芯试件毛体积的变化规律图如附图6所示。
从附图6中可以看出，将真空密封法得到的试件毛体积作为真值，将灌砂法得到的41个试件数据与之对比，试验结果相关性高达R2为0.9972，说明灌砂法可以准确的反应试件的真实毛体积，用毛体积换算得到的试件毛体积密度可以准确的反应试件的真实毛体积密度，能为工程现场提供一种简单、有效、准确的计算沥青混合料毛体积及毛体积密度的试验方法，能为现场检测沥青路面压实度提供准确的数据支持。
由上述实施例和对比例可知，本发明所采用的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法可以准确的反应试件的真实毛体积密度，满足规范要求，能为现场检测沥青路面压实度提供准确的数据支持。
本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)称量圆柱状的取芯试件的空气中质量ma；
(2)将灌砂筒内装满砂后称取灌砂筒内砂的质量m1；
(3)将上述装满砂的灌砂筒放置在标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m2；
(4)将取芯试件放入空置的标定罐内，将装满质量为m1的砂的灌砂筒置于该标定罐上，打开灌砂筒的开关让砂流出，称取灌砂筒内的砂不再下流时灌砂筒内剩余砂的质量m3；
(5)从步骤4中的标定罐中将试件取出，称取试件质量m4；
(6)按照下面的式(a)计算出沥青混合料取芯试件的毛体积，并按照下面的式(b)和式(c)推导得出试件的毛体积密度ρa及毛体积相对密度γa：
Figure FDA0003299404460000011
Figure FDA0003299404460000012
Figure FDA0003299404460000013
式中:V是沥青混合料取芯试件毛体积；
ρs是量砂密度；
ρω是在特定温度下的水的密度；
所述的砂为清洁干燥的与空气的湿度相平衡的均质砂，所述砂的粒径为0.25mm～0.5mm。
2.根据权利要求1所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：称量工具为天平，其精确度为0.1g，量程为10～15kg。
3.根据权利要求1所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：在灌砂筒内装满砂时，筒内砂的高度与筒顶的距离不超过15mm。
4.根据权利要求1所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：步骤4中，取芯试件放入空置的标定罐中时，取芯试件的圆柱表面与标定罐的底部接触。
5.根据权利要求1所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：步骤5中，称取试件质量前将试件表面纹理内的砂用毛刷扫净，再将试件用托盘装好进行称量，称量过程中要防止试件内部开口空隙内的砂流出。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：所述灌砂筒包括位于上部的储砂筒(101)和位于所述储砂筒(101)下部的倒置的圆锥形漏斗(102)，所述圆锥形漏斗(102)的顶端设有开口，所述储砂筒(101)的底部对应于所述圆锥形漏斗(102)顶端的开口设有圆孔，在所述储砂筒(101)和所述圆锥形漏斗(102)之间设置有可转动的开关板(103)，所述开关板(103)上对应于所述储砂筒(101)底部的圆孔也设置有圆孔，所述开关板(103)的一端与所述储砂筒(101)的筒底及所述圆锥形漏斗(102)的顶部连接板铰接，其另一端伸出所述储砂筒(101)的筒身外。
7.根据权利要求6所述的适用于空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙透水性沥青混合料的灌砂测定沥青混合料毛体积及毛体积密度的方法，其特征是：所述标定罐的内径与所述储砂筒(101)的内径一致。
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