沥青混合料最大理论相对密度探讨

沥青混合料理论最大相对密度试验方法研究

周林

摘要：本文阐述了沥青混合料理论最大相对密度的试验方法和原理，指出确定集料的有效密度

（体积）是试验的核心，并针对《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F——2004）的配合比

设计方法提出一些想法，再用计算法、实测法对AC-20普通沥青混合料的理论最大相对密度数据进

行分析比较，指出采用真空实测法所得的理论最大相对密度与有效密度计算法所得基本一

致，溶剂法所测误差偏大，人为影响因素大，造成用油量偏高，也因此说明采用有效密度计算法是适合的，它不仅适合SBS改性沥青，同样对非改性沥青也适用，还能避免实测法带来的操作误差，建议采用。由于它与集料的吸水率有着密切的关系，因此，测定集料的表观密度和毛体积相对密度就显得相当重要，进而才能确保理论最大相对密度的精确度。

关键词：理论最大相对密度 有效密度 计算法 实测法 混合料

1 前言

我们都知道,在沥青混合料的配合比设计中,空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度被作为设计指标,对配合比设计起着决定性的作用，而混合料的理论最大相对密度是计算这三大指

标的主要参数，因此，混合料理论最大相对密度的准确性将直接影响配合比的设计结果。

由于混合料的质量是可以直接称量的，所以要确定混合料的最大理论相对密度，只要确定混合料的体积就可以了。沥青混合料主要是由沥青和集料组成的，我们可以看成是沥青吸附在集料表面，将集料紧密的粘在一起，由于集料的轮廓性，混合料必然会存在空隙，空隙越小，混合料体积越小，密度就越大，当混合料空隙无限小等于0的时候，密度达到最大值，即混合料最大理论相对密度。而要讨论最大理论密度，一个假设前提就是沥青和集料混合的空隙为0，所以接下来的讨论都是在这一假设前提条件下讨论的。

实际上，由于集料开口空隙的客观存在，再加上沥青具有一定的流动性，当集料和沥

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青混合后，沥青也会被填充进集料的开口空隙里面，但由于沥青的流动性具有一定限度，并不能完全填满集料的开口空隙，即集料还有一部分开口空隙未被沥青填充，所以，此时混合料的体积实际上是由沥青体积、集料表观体积（集料本身体积与闭口体积之和）与未被沥青填充的开口空隙的体积之和，而集料的表观体积（集料本身体积与闭口体积之和）和未被沥青填充的开口空隙的体积则称为集料的有效体积，对应的密度我们称为集料的有效密度，因此，集料的有效密度则大于集料的毛体积相对密度而小于集料的表观相对密度。下面我们再考虑两个极限：假如沥青完全填充进集料的开口空隙，那么混合料的体积就应该是沥青的体积与集料表观体积（集料本身体积与闭口体积之和）之和，此时的密度则称为沥青混合料理论最大表观相对密度；假如沥青完全没填充进集料的开口空隙，那么混合料的体积就应该是沥青体积与集料的毛体积（集料本身体积、闭口体积与开口体积之和）之和，此时的密度则称为沥青混合料理论最大毛体积相对密度。因此，混合料的理论最大相对密度则大于混合料理论最大毛体积相对密度而小于混合料理论最大表观相对密度。综上可知，只要我们能确定集料的有效密度（体积）就能确定混合料的理论最大相对密度。

2 确定沥青混合料最大理论相对密度的方法

根据我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F——2004）规定，确定沥青混合料理论最大相对密度的方法有计算法和实测法。

2.1 计算法

我们知道，要计算沥青混合料理论最大相对密度，只要确定集料的有效体积就可以了，而要确定集料的有效体积的关键就在于集料开口空隙对沥青吸收的多少，它取决于集料的开口空隙、吸水性、沥青的流动性、用量以及拌合的温度、时间等。比如集料的开口空隙比较大，就能使沥青比较容易地进入开口空隙，使得集料的有效体积变小，理论最大相对密度增大。那自然就会引入了一个系数，以表示集料吸收沥青的多少。这个系数是由美国SHRP最早提出的，称为经验常数，通常采用0.8,吸水性集料时采用0.5或者0.6，它采用集料有效相对密度计算混合料的理论最大相对密度，并给出了有效密度的经验公式：

γse =C×γsa+（1-C）×γsb

式中：γse——合成矿料有效相对密度；

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C——经验常数，通常采用0.8,吸水性集料时采用0.5或者0.6； γsb——矿料的合成毛体积相对密度； γsa——矿料的合成表观相对密度。

而在我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F——2004）也有规定，它对改性沥青及SMA等难以分散的混合料，沿用了上面经验公式并对式中的经验常数C更改为合成矿料的沥青吸收系数，这应该是对系数的最好定义，并给出了计算公式：

C=0.033ωx2-0.2936ωx+0.9339 ωx=(

1sb–

1sa)×100

式中： C——合成矿料的沥青吸收系数；

γsb——矿料的合成毛体积相对密度； γsa——矿料的合成表观相对密度； ωx——矿料的合成吸水率。

沥青吸收系数的公式是我国学者经过试验研究，由沥青浸渍密度反算得到的不同吸水率的C值，见下图：

1.00.8 y=0.033x2-0.2936x+0.93390.4820.6C值0.40.20.000.511.3381.51.87122.533.544.5合成矿料吸水率（%）由此可知，当C值采用0.8时，吸水率为0.482；当C值采用0.6时，吸水率为1.338；当C值采用0.5时，吸水率为1.871。在四川地区，对于石灰石，其吸水率在0.5左右，C值取0.8有其合理性，而对某些地区，在沥青配合比设计时，直接取集料的表观密度和毛体积密度的中值计算理论最大相对密度，即C值取0.5，这并不适合四川地区，建议最好通过吸水率计算所得的C值作为确定理论最大相对密度的依据。

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对非改性沥青混合料，宜以预估的最佳油石比拌和两组混合料，采用真空法实测最大理论相对密度，取平均值。然后反算合成矿料的有效相对密度，公式如下：

γse =

100Pb P100btb式中：γse——合成矿料有效相对密度；

γt——试验沥青用量条件下实测得到的混合料最大理论相对密度； Pb——试验采用的的沥青用量； γb——沥青的相对密度（25℃/25℃）。

然后计算沥青混合料的理论最大相对密度，公式如下：

γti=

100Pai

100Paisebγti=

100100PbisePbi

b式中：γti——沥青混合料的最大理论相对密度；

Pai——沥青混合料的油石比； Pbi——沥青混合料的沥青用量； γse——合成矿料有效相对密度； γb——沥青的相对密度（25℃/25℃）。

2.2 实测法

实测法则是通过具体的试验来确定沥青混合料理论最大相对密度的方法，它分为真空法和溶剂法。 2.2.1 真空法

真空法是借助真空泵，抽出沥青混合料空隙的空气，并让水进入开口空隙中，使空隙率为0，由于多孔性集料有可能集料表面并未全部为沥青裹覆或在抽真空时将沥青膜破坏使水进入未被沥青填充的开口空隙，造成所测得的结果偏大，因此它不适用于吸水率大于

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3％的多孔性集料的沥青混合料。真空法要求沥青混合料充分分散，粗集料不破碎，细集料团块分散到小于6.4mm，避免集料内部有较多的小气泡，影响测定结果，因此，对改性沥青或SMA等难以分散的混合料，不能用真空法测定。 2.2.2 溶剂法

溶剂法是借助溶剂（三氯乙烯）将裹覆在矿料表面的沥青溶解，让沥青进入溶剂中，使混合料空隙率为0，由于溶剂将沥青膜溶解后将进一步进入矿的料开口空隙中，使得混合料实际体积变小，造成结果偏大，因此它不适用于吸水率大于1.5％的混合料。

3 试验部分

3.1 原材料

3.1.1 沥青

采用泸州中海油AH-70＃沥青，其技术指标如表1：

表1 沥青技术指标测定结果

试验结果 试验项目 针入度（25℃，100g，5s）/0.1mm 延度（15/5℃，5cm/min）/cm 软化点TR&B/℃ 密度/g/cm3 3.1.2 石料和矿粉

集料采用新都碎石，填料采用都江堰矿粉，其密度如下表： 表2 石料密度测定结果

试验项目 石料 表观相对密度 毛体积相对密度 吸水率/% 规范指标 60-80 ≥100 ≥46 —— AH-70 66.5 >150 47.8 1.006 5

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1#（13.2-19mm） 2#（9.5-13.2mm） 3#（4.75-9.5mm） 4#（0-4.75mm） 矿粉 3.2 试验方法

2.801 2.790 2.775 2.702 2.716 2.740 2.722 2.689 —— —— 0.79 0.90 1.15 —— —— 对沥青密度采用比重瓶法，粗集料采用网篮法，细集料采用容量瓶法，矿粉采用李氏比重瓶法。

4 结果与讨论

对真空实测法所得不同油石比得最大理论相对密度，如表3

表3 不同油石比采用真空法所测得的沥青混合料理论最大相对密度

油石比 试验项目 3.5 2.587 4.0 2.577 2.586 2.572 2.589 2.569 0.868 0.337 4.5 2.556 2.553 2.548 2.565 2.561 0.666 0.260 5.0 2.535 2.532 2.537 2.536 2.528 0.365 0.144 5.5 2.512 2.524 2.519 2.521 2.514 0.495 0.197 真空法实测理论最大相对密度 2.597 2.590 2.598 2.601 标准差S，% 变异系数Cv,% 0.586 0.226 采用不同方法得到沥青混合料的最大理论相对密度及其最佳油石比，如表4：

表4 不同方法所测得的沥青混合料理论最大相对密度及其最佳油石比（AC-20C） 试验方法 油石比/% 3.5 4.0 表观相对密度计算法 2.609 2.589 毛体积相对真空实测法 密度计算法 2.565 2.546 2.595 2.579 计算法 2.598 2.578 2.612 2.596 有效相对密度溶剂实测法 6

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4.5 5.0 5.5 最佳油石比/% 2.570 2.551 2.532 4.80 2.528 2.509 2.492 4.18 2.557 2.534 2.518 4.58 2.559 2.540 2.522 4.64 2.573 2.548 2.529 4.81 由表3可知，真空实测法所得的理论最大相对密度平行试验的标准差小（小于0.001），变异性也小（小于0.004），由此可见，真空实测法所测理论最大相对密度的复现性好，其结果理论上认为是准确的。这必须建立在严格按照规程试验，如混合料必须分散仔细。

由表4可知，有效相对密度法和真空法所得结果比较接近，而且在表观理论最大相对密度和毛体积理论最大相对密度之间，由此可见，采用有效相对密度法所得理论最大相对密度也能准确地反映混合料理论最大相对密度地真实性，也就是说，不管是非改性沥青还是改性沥青，采用有效相对密度法计算理论最大相对密度是可行的。采用溶剂法所得结果误差很大，有的结果甚至大于理论最大表观相对密度，说明采用溶剂法很难准确反映混合料的真实情况，认为因素影响较大，这是由于混合料的沥青膜很容易遭到溶剂的破坏，试验时不容易掌握，造成结果偏大，进行配合比设计时，用油量将偏高，容易造成泛油。我们再来看看它们对配合比最佳油石比大小的影响，有效密度法和真空法所得结果接近4.6%，比表观理论相对密度和溶剂法所得最佳油石比小0.2%， 比毛体积理论最大相对密度所得最佳油石比大0.4%，由此可见，不同方法所得结果差距是相当大的，也就是说考虑集料对沥青的吸收情况是非常有必要的。

综上可知，在设计沥青配合比时，可以根据真空法和有效密度计算法所得结果的一致性来检验混合料理论最大相对密度的真实性。

5 结论

由于集料空隙对沥青的吸收作用，在确定理论最大相对密度时，采用理论最大表观密度会造成结果偏大，用油量偏高，采用理论最大毛体积相对密度会造成结果偏小，用油量偏低，其误差的大小取决于集料对沥青吸收的多少。因此，必须考虑集料对沥青的吸收作用。

采用有效相对密度计算理论最大相对密度是可行的，但必须严格按照规程，减小误差，准确测量各集料的相对密度，以保证沥青吸收系数的准确性。

真空实测法能真实反映混合料理论最大相对密度，试验过程容易控制，误差小，而溶

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