瀝青與集料黏附性的定量評價(jià)

張 苛， 張爭奇

（長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

在沿海地區(qū)，由于含鹽高濕環(huán)境的侵蝕和行車荷載的作用，瀝青路面逐漸出現(xiàn)松散、唧漿及坑槽等一系列水損壞［1］。早期水損壞已成為我國高速公路瀝青路面主要損壞類型之一，而且還會(huì)誘導(dǎo)其他路面病害的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響路面的服務(wù)水平和設(shè)計(jì)使用壽命［2－4］。黏附性表征集料表面的瀝青膜抵抗破損或剝落的能力，是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的決定性因素［5］。目前評價(jià)瀝青與集料黏附性的試驗(yàn)主要有水煮法、80℃水浸法、光電比色法、攪動(dòng)水凈吸附法、溶劑洗脫法等。在眾多方法中，水煮法由于操作方法和設(shè)備簡單，瀝青從集料表面的剝落現(xiàn)象直觀明顯，是實(shí)際應(yīng)用最廣泛的方法，但其試驗(yàn)條件難以精確掌握，評定指標(biāo)不定量且受人為因素影響較大，5級分級指標(biāo)分級較粗，不能很好區(qū)分黏附性相差不大瀝青之間的差異［6－9］。因此，采用水煮法定量評價(jià)不同瀝青與集料間黏附性的差異值得開展深入的研究。

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像處理技術(shù)在圖像定量分析方面的應(yīng)用越來越廣泛［10－11］。本文在傳統(tǒng)瀝青與集料水煮試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，采用5%NaCl溶液代替純水進(jìn)行試驗(yàn)，利用自主開發(fā)的圖像采集系統(tǒng)對水煮試驗(yàn)結(jié)束后的集料進(jìn)行取像，并采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行分析，獲得集料表面瀝青的剝落率以定量評價(jià)瀝青與集料的黏附性；同時(shí)，對影響試驗(yàn)結(jié)果的瀝青和集料的性質(zhì)進(jìn)行分析。研究成果可以為含鹽高濕地區(qū)瀝青與集料黏附性的定量評價(jià)及混合料中瀝青、集料等原材料的優(yōu)選提供一定的參考。

1 試驗(yàn)原材料

瀝青采用SBS改性瀝青、SBR改性瀝青、SK70?；|(zhì)瀝青、SK90＃基質(zhì)瀝青和KLMY130?；|(zhì)瀝青5種不同的瀝青，瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見表1所列。集料采用西安產(chǎn)石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖，經(jīng)檢驗(yàn)集料的各指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，集料的堿值和表面電位見表2所列。

表1 瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

表2 集料的堿值和表面電位

2 水煮法試驗(yàn)的改進(jìn)

為更好地評價(jià)含鹽高濕環(huán)境下不同瀝青與集料的黏附性，針對傳統(tǒng)的水煮法進(jìn)行了改進(jìn)。首先，采用5%NaCl溶液代替純水，以更好地模擬含鹽高濕環(huán)境對瀝青與集料黏附性的影響［12－13］；其次，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計(jì)算集料表面瀝青的剝落率，定量分析不同瀝青與集料黏附性的差異；最后，針對傳統(tǒng)水煮法5級黏附等級分級較粗，不能很好區(qū)分一些瀝青在黏附性等級上差異的不足，提出采用10級分級標(biāo)準(zhǔn)來減小同種黏附等級上瀝青剝落率的差距。10級制黏附等級的分級標(biāo)準(zhǔn)見表3所列。

水煮法的試驗(yàn)條件難以精確掌握，根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，應(yīng)注意保持試驗(yàn)條件的同一性。

表3 瀝青黏附性分級指標(biāo)

（1）集料的形狀對試驗(yàn)結(jié)果有重要影響，應(yīng)盡量選擇外觀規(guī)則整齊，接近立方體的集料進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）瀝青溫度對集料的吸附量有顯著影響，瀝青的加熱溫度不同，集料表面吸附的瀝青量也不一樣。將集料浸入瀝青中吸附瀝青時(shí)，應(yīng)將瀝青維持在恒定的溫度，以減小由于瀝青溫度差異造成的誤差。

（3）水的微沸程度直接影響試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)中規(guī)定水的微沸狀態(tài)為液體表面有局部動(dòng)蕩，燒杯底部間有大氣泡釋放出至液體表面破裂。

（4）將集料浸入微沸的水中后，如果集料頂面距液體表面的距離不相等，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的差異很大。為保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，建議將集料頂部離液體表面的距離維持在2cm左右。

（5）當(dāng)瀝青從集料表面剝落后會(huì)漂浮在液體頂面，應(yīng)及時(shí)用紙片將其吸走，防止試驗(yàn)結(jié)束取出集料時(shí)剝落的瀝青二次裹覆在集料上。

3 圖像采集及處理

3.1 圖像采集

要實(shí)現(xiàn)對瀝青與集料黏附性的定量評價(jià)，采集集料表面瀝青剝落情況的圖像非常關(guān)鍵。目前常用的圖像采集設(shè)備有掃描儀、CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)等，其中CCD相機(jī)由于操作方便且性價(jià)比較高而應(yīng)用廣泛。在采集集料表面瀝青剝落情況的圖像時(shí)，所有圖像的分辨率、表面光照亮度等參數(shù)都要保持一致。不均勻的光照和陰影會(huì)造成后期圖像處理時(shí)圖像灰度分割的界限模糊，容易引起較大的誤差。通常情況下僅依靠CCD相機(jī)進(jìn)行取像，很難保證每次拍照的光照和圖像的分辨率都相同，而這些恰恰是影響?zhàn)じ叫远吭u價(jià)結(jié)果的重要因素。

為克服采用CCD相機(jī)取像時(shí)不均勻光照和陰影的影響，本文采用自主開發(fā)的集料顆粒圖像采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的圖像采集。

自主開發(fā)的圖像采集系統(tǒng)由框架、照明系統(tǒng)、試樣臺(tái)和CCD相機(jī)4部分組成，如圖1所示。其中框架由正方形的底座、立柱和橫梁組成。橫梁可沿著立柱上下移動(dòng)，底座和橫梁上各有一個(gè)相機(jī)架，底座上的相機(jī)架位于底座某邊的中心且可以上下移動(dòng)，橫梁上的相機(jī)架可以左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從不同角度拍攝集料表面的瀝青剝落情況，得到集料顆粒的立面、正面圖像；試驗(yàn)臺(tái)采用藍(lán)色背景以更好地與瀝青和集料的顏色區(qū)分，調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)下的伸縮桿可以調(diào)整相機(jī)與試樣的距離；儀器底座的對角處各安裝一個(gè)無影燈，可根據(jù)拍攝物體的大小和位置調(diào)節(jié)點(diǎn)光源的投射角度和位置，以保證投射到試樣上的光線均勻。

圖1 圖像采集系統(tǒng)

采用本圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行集料圖像采集時(shí)，可以保證取像時(shí)的光線均勻，背景顏色與集料顏色差別顯著，能夠獲得集料平面和立面的圖像信息，從而更全面地展示集料表面瀝青的剝落情況。在采集圖像時(shí)應(yīng)注意調(diào)整相機(jī)拍攝的角度，避免由于集料正面和立面圖像上瀝青剝落部分面積的重疊而造成測量誤差。利用圖像采集系統(tǒng)獲取的瀝青與集料的圖像如圖2所示。

圖2 瀝青與集料試樣

3.2 圖像處理及計(jì)算

采集集料表面瀝青剝落情況的圖像后，需要借助圖像處理技術(shù)提取圖像中瀝青的剝落面積等參數(shù)，以定量評價(jià)瀝青與集料的黏附性。常用的圖像處理軟件有Photoshop、Matlab、Image J和Image－Pro Plus（IPP）等，其中，Photoshop軟件主要是對圖像進(jìn)行藝術(shù)加工，在處理過程中會(huì)改變圖像測量的結(jié)果，不宜處理用于學(xué)術(shù)研究的圖片；Matlab軟件在圖像形態(tài)學(xué)處理方面的功能較強(qiáng)大，但在圖像定量分析方面并不完善；IPP軟件常用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域，在圖像尺寸測量和計(jì)數(shù)、分類統(tǒng)計(jì)與分析等方面具有強(qiáng)大的功能，本文采用IPP軟件對采集的瀝青與集料圖像進(jìn)行處理［14］。

采用IPP軟件進(jìn)行圖像測量，主要工作為選擇目標(biāo)圖像的邊界區(qū)域和測量目標(biāo)圖像的面積2個(gè)部分。利用IPP軟件獲取瀝青與集料圖像上瀝青剝落率的具體步驟如下：

（1）圖像預(yù)處理。調(diào)整圖像亮度、對比度、伽瑪值等參數(shù)至合適值，并對圖像進(jìn)行降噪處理，排除干擾測量的信息從而更清楚地反映測量對象的特征，以減小由于圖像自身原因造成的誤差。經(jīng)過預(yù)處理后的瀝青與集料圖像如圖3所示。

圖3 預(yù)處理后的瀝青與集料

（2）選擇目標(biāo)對象。以圖像上瀝青膜剝落后裸露的集料表面為取像目標(biāo)，根據(jù)取像目標(biāo)與黑色的瀝青膜和藍(lán)色的圖像背景在像素特性上的差異，仔細(xì)調(diào)整閾值以準(zhǔn)確地選擇裸露集料表面的邊界，如圖4所示。這一步非常關(guān)鍵，一定要反復(fù)調(diào)整閾值以準(zhǔn)確區(qū)分瀝青膜和集料剝落區(qū)域的差異，進(jìn)而保證定量評價(jià)結(jié)果的可靠性。

（3）目標(biāo)對象的修正及測量。在上一步選擇目標(biāo)圖像后，還需對選擇的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行修正，排除誤選的部分以提高目標(biāo)選擇的精度；然后利用IPP軟件的像素統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)圖像的像素?cái)?shù)量與完整集料表面的像素總數(shù)。

（4）計(jì)算集料表面的瀝青剝落率。按照（1）式分別計(jì)算瀝青與集料試樣正面和立面圖像上的瀝青剝落率，取兩者的平均值作為試樣最終的瀝青剝落率，并以此作為評價(jià)瀝青與集料黏附等級的依據(jù)。

圖4 確定取像目標(biāo)的邊界

將5種瀝青與3種集料的組合在5%NaCl溶液中進(jìn)行水煮試驗(yàn)，在水煮結(jié)束后利用自主開發(fā)的集料圖像采集儀對樣本進(jìn)行圖像采集，然后采用IPP軟件對水煮試驗(yàn)后不同瀝青與集料組合的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算得到不同集料表面的瀝青剝落率，并按照表3判定不同瀝青與集料的黏附等級，見表4所列。

表4 集料表面瀝青的剝落率與相應(yīng)黏附等級

從表4可以看出，與傳統(tǒng)的5級黏附等級分級標(biāo)準(zhǔn)相比，10級分級標(biāo)準(zhǔn)中相同等級上瀝青剝落率的差別較小，不同瀝青與集料組合在黏附等級上具有較高的區(qū)分度。與傳統(tǒng)的水煮法通過目測得到瀝青的剝落率相比，采用圖像處理計(jì)算得到的剝落率指標(biāo)能更精確地定量評價(jià)不同瀝青與集料黏附性的差異。對石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖集料而言，不同種類的瀝青與同種集料在黏附性上的差異顯著，與同種集料黏附性的優(yōu)劣排序均為SBS＞SBR＞SK70＃＞SK90＃＞KLMY130＃；對文中選用的5種瀝青而言，不同集料與同種瀝青黏附性優(yōu)劣的排序均為石灰?guī)r＞玄武巖＞花崗巖；可見，瀝青和集料的性質(zhì)對兩者間的黏附性均有顯著影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 瀝青的性質(zhì)與黏附性的關(guān)系

瀝青的3大指標(biāo)（針入度、軟化點(diǎn)、延度）和黏度指標(biāo)可以從側(cè)面反映瀝青的性質(zhì)，本文從瀝青的宏觀物理力學(xué)指標(biāo)角度，分析這些指標(biāo)同瀝青與集料黏附性的關(guān)系。根據(jù)5%NaCl溶液中的水煮試驗(yàn)結(jié)果，針入度、軟化點(diǎn)、延度和135℃旋轉(zhuǎn)黏度指標(biāo)同瀝青剝落率的關(guān)系如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)同瀝青剝落率的相關(guān)性并不好，其中針入度、延度與瀝青剝落率的最大相關(guān)系數(shù)分別為0.362、0.333，無法采用針入度和延度指標(biāo)評價(jià)瀝青與集料黏附性；軟化點(diǎn)指標(biāo)同瀝青剝落率的相關(guān)系數(shù)大于針入度和延度指標(biāo)，但其最大相關(guān)系數(shù)僅為0.722，采用軟化點(diǎn)指標(biāo)也不能很好地評價(jià)瀝青與集料的黏附性。因此，在含鹽高濕地區(qū)進(jìn)行瀝青優(yōu)選時(shí)，不宜采用瀝青的3大指標(biāo)評價(jià)其與集料黏附性的好壞。

圖5 常規(guī)指標(biāo)與瀝青剝落率的關(guān)系

圖6 135℃黏度和瀝青剝落率的關(guān)系

從圖6可以看出：

（1）隨著瀝青黏度的增加，黏附性試驗(yàn)中瀝青的剝落率顯著降低，135℃黏度大的瀝青與集料的黏附性較好。與石灰?guī)r和玄武巖相比，花崗巖與瀝青的黏附性受瀝青黏度影響更加顯著。適當(dāng)增大瀝青的黏度有利于提高瀝青與集料的黏附性，這是因?yàn)轲ざ却蟮臑r青其分子量大、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量多，與集料的化學(xué)吸附作用就強(qiáng)；另外，瀝青的黏度大，集料表面的有效瀝青膜較厚，瀝青與集料的黏附性就越強(qiáng)。

（2）135℃黏度指標(biāo)和瀝青的剝落率均具有較好的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994以上，說明采用135℃的黏度指標(biāo)可以很好地評價(jià)不同瀝青與同種集料黏附性的優(yōu)劣。在臨海含鹽高濕地區(qū)進(jìn)行瀝青混合料原材料選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)選135℃黏度較大的改性瀝青來提高混合料的水穩(wěn)定性。

4.2 集料性質(zhì)與黏附性的關(guān)系

4.2.1 集料堿值及表面電位

集料堿值和表面電位是影響其與瀝青黏附性的主要因素，根據(jù)5%NaCl溶液中的水煮試驗(yàn)結(jié)果，不同集料的堿值、表面電位與瀝青剝落率的關(guān)系如圖7所示。

從圖7可知：

（1）石灰?guī)r的堿值最大，5種瀝青在石灰?guī)r集料上的剝落率均小于玄武巖和花崗巖，隨著集料堿值的減小，集料表面瀝青的剝落率逐漸增大。究其原因，是石灰?guī)r集料表面存在堿活性中心并帶有正電荷，易與瀝青中的酸性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)吸附。

（2）幾種集料表面電位的高低排序?yàn)槭規(guī)r＞玄武巖＞花崗巖，說明集料表面電位越高，其與瀝青的黏附性越好。這是因?yàn)楫?dāng)集料受外力破碎時(shí)，堿性集料和酸性集料表面分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷，即堿性集料存在正的吸附中心，酸性集料存在負(fù)的吸附中心。而瀝青中含有一定量的陰離子型瀝青酸和瀝青酸酐，故集料表面正電位越高，其與瀝青的黏附效果越好，集料表面負(fù)電位越低，與瀝青的黏附效果越差。

圖7 集料堿值、表面電位與瀝青剝落率的關(guān)系

4.2.2 集料表面特性

瀝青通過集料表面不同形狀和不同取向的微裂縫和微孔隙滲入到集料中，增加兩者的接觸面積，增強(qiáng)瀝青與集料間的機(jī)械咬合力［15］。本文以滲入深度作為表征集料表面特性的指標(biāo)，采用型號為日立S4800的掃描電鏡觀察SK90?；|(zhì)瀝青在石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖表面的滲入深度，石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖集料的孔隙率、瀝青的滲入深度和瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)結(jié)果（5%NaCl溶液中水煮3min）見表5所列。

表5 瀝青的滲入深度和黏附等級

從表5可以看出，SK90?；|(zhì)瀝青在石灰?guī)r集料表面的滲入深度值最大，玄武巖次之，花崗巖最小，這是因?yàn)槭規(guī)r集料表面的微孔隙和微裂隙最多，高溫狀態(tài)下的瀝青更易滲入石灰?guī)r集料中。同時(shí)，由于石灰?guī)r集料表面的堿活性中心和正電荷能吸附更多的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，使得石灰?guī)r表面自由瀝青中的小分子含量高于花崗巖，小分子含量高的自由瀝青更易滲入集料的孔隙中。石灰?guī)r與SK90?；|(zhì)瀝青的黏附性等級最高，表明瀝青在集料表面的滲入深度值越大，集料與瀝青的黏附性越好。這是由于瀝青的滲入深度越大，瀝青混合料中“結(jié)構(gòu)瀝青”的比例越高，瀝青對集料的楔入和錨固作用越強(qiáng)，即增強(qiáng)了瀝青與集料的黏附作用，瀝青混合料不易出現(xiàn)水損壞。

5 結(jié) 論

（1）本文采用NaCl溶液替換純水、采用圖像處理技術(shù)定量計(jì)算瀝青剝落率，提出采用10級的黏附等級分級標(biāo)準(zhǔn)對傳統(tǒng)的水煮法進(jìn)行改進(jìn)，并指出試驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，進(jìn)而更好地評價(jià)含鹽高濕環(huán)境對瀝青黏附性的影響。

（2）利用自主研發(fā)的圖像采集系統(tǒng)可以高質(zhì)量地采集集料表面的圖像，并利用IPP圖像處理軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，可以定量計(jì)算出集料表面瀝青的剝落率，進(jìn)而定量評價(jià)瀝青與集料的黏附性。

（3）針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)與瀝青剝落率的相關(guān)性較差，135℃黏度指標(biāo)同瀝青的剝落率有良好的指數(shù)關(guān)系，可以采用135℃黏度指標(biāo)定量地評價(jià)不同瀝青與同種集料黏附性的優(yōu)劣。

（4）集料的堿值、表面電位和表面特性等對瀝青與集料的黏附性影響顯著，堿值越大、表面電位越高、表面的微孔隙和微裂縫越多，集料與瀝青的黏附性越好。

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