路面預養(yǎng)護劑在瀝青混合料中滲透深度測試方法研究

王 赫，馬 骉，田宇翔，張文靜，田 珂

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安 710064;2.天津市市政工程設計研究院,天津 300051)

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路面預養(yǎng)護劑在瀝青混合料中滲透深度測試方法研究

王 赫1，馬 骉1，田宇翔1，張文靜1，田 珂2

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安 710064;2.天津市市政工程設計研究院,天津 300051)

為更加精確、便捷地測量路面預養(yǎng)護劑在瀝青混合料中的滲透深度，減少滲透深度測量數(shù)據(jù)的離散性，提出基于標準試件和數(shù)字圖像處理技術的預養(yǎng)護劑滲透深度測量方法。采用0.6～1.18 mm單檔集料制作水泥砂漿標準試件，運用Photoshop和IPP處理技術分析光屏蔽(Light-Shield 以下簡稱LS)預養(yǎng)護劑在標準試件和瀝青混合料中的滲透情況。結果表明：LS預養(yǎng)護劑在空隙率3%～4%的瀝青混合料試件中的滲透深度可以通過其在水泥砂漿標準試件中滲透深度來表征；用量為4 g(0.5 kg/m2)的LS預養(yǎng)護劑滲透深度完全達到養(yǎng)護標準深度；建立不同預養(yǎng)護劑用量下的滲透相關性公式。研究結果證明，基于標準試件條件下，采用數(shù)字圖像處理技術的預養(yǎng)護劑滲透深度測量方法是可靠的。

道路工程； 預養(yǎng)護劑； 滲透深度； 數(shù)字圖像技術

1 引 言

隨著現(xiàn)今社會對公路通行環(huán)境要求的提高，公路養(yǎng)護工作的地位愈發(fā)重要。采用科學合理的路面養(yǎng)護技術，不僅能延長路面使用壽命，而且能減少養(yǎng)護工作時間，節(jié)約養(yǎng)護成本。在公路養(yǎng)護中，預防性養(yǎng)護是一項先進的養(yǎng)護手段，其工作重心在于，在路面未出現(xiàn)明顯病害和性能衰減之前，提前對路面進行相關的養(yǎng)護工作，以保持路面使用性能，延長路面使用壽命[1]。西藏地區(qū)高海拔、大溫差、強紫外線等惡劣條件致使瀝青路面更容易發(fā)生病害，及時進行預防性養(yǎng)護尤為重要，而且在路面使用早期進行預防性養(yǎng)護可以最小的養(yǎng)護成本提高已經(jīng)損失的路面性能，延長路面使用壽命[2,3]。

瀝青路面預養(yǎng)護劑是一種瀝青路面預防性養(yǎng)護新型材料，由瀝青、滲透劑、其它功能組分及添加劑制成，用于恢復瀝青路面性能，即恢復表面一定深度內(nèi)的老化瀝青性能[4]。預防性養(yǎng)護的效果取決于預養(yǎng)護劑是否能滲入路面表面一定深度，若沒有足夠的滲透深度，養(yǎng)護后路面會繼續(xù)損壞，造成材料浪費的同時無法達到預期的養(yǎng)護效果；若滲透深度過大，則會造成預養(yǎng)護劑的浪費，降低路面內(nèi)部的合理空隙率。目前，預養(yǎng)護劑的滲透機理和模型體系的研究已逐漸完善，測量方法也從目測和游標卡尺等簡單測量過渡到紅外光譜和CT技術等較為先進的測量技術，但紅外光譜和CT測量技術在路面預養(yǎng)護劑滲透領域的應用還處在探索階段，且測量數(shù)據(jù)離散性較大，對預養(yǎng)護劑的滲透深度進行準確的表征還存在較大難度[5-9]。

本研究通過對預養(yǎng)護劑滲透深度的測量方法進行研究與改善,提出在標準試件條件下,采用數(shù)字圖像處理技術的預養(yǎng)護劑滲透深度測量方法:分別測量預養(yǎng)護劑在水泥砂漿標準試件和瀝青混合料試件中的滲透深度,并用標準試件數(shù)據(jù)對瀝青混合料測量數(shù)據(jù)進行標定;確定預養(yǎng)護劑在滿足路面養(yǎng)護要求條件下的最小用量;定量化分析在不同時間和用量條件下的預養(yǎng)護劑滲透深度情況以及預養(yǎng)護劑用量與路面空隙率的關系,同時對滲透曲線進行回歸分析,求得滲透深度數(shù)據(jù)的相關性公式,為預養(yǎng)護劑的研發(fā)和應用提供合理建議。

2 實 驗

2.1 預養(yǎng)護劑組分確定

預防性養(yǎng)護劑在常溫條件下噴灑在路表面可形成一層保護層，激活表層老化瀝青，延緩路面病害發(fā)展。本研究從瀝青路面早期微損壞機理出發(fā)，對路面添加或補充各種有效成分，以恢復瀝青路面的使用性能。采用光屏蔽(LS)預養(yǎng)護劑作為試驗試劑，主要組分為石油瀝青、還原劑、滲透劑、溶劑油及少量光屏蔽劑和分散劑。其中，石油瀝青、還原劑和溶劑油用以補充老化瀝青中損失的輕質(zhì)組分，恢復路面老化瀝青的原有性能，同時瀝青還具有填充路表微裂縫以及加深路表顏色的作用；滲透劑用來增加LS預養(yǎng)護劑的滲透性，增強瀝青與集料的粘結性能；分散劑用來減少石油中的瀝青質(zhì)沉淀；光屏蔽劑主要用于增強LS預養(yǎng)護劑抵抗紫外線老化的能力。為使LS預養(yǎng)護劑具備良好的滲透能力、儲存穩(wěn)定性和快干性，通過實驗確定各組分的最佳比例，見表1。

表1 LS預養(yǎng)護劑各組分比例Tab.1 The component proportion of LS preventive maintenance agent

2.2 水泥砂漿標準試件

為降低預養(yǎng)護劑滲透深度測量數(shù)據(jù)的離散性，以預養(yǎng)護劑在標準試件中的滲透深度來表征其在實際瀝青混合料中的滲透深度，建立標準試件與不同空隙率下的瀝青混合料對比試件滲透深度的數(shù)學關系，并對測量數(shù)據(jù)進行回歸分析，使數(shù)據(jù)更加接近真值。在制作標準試件時要滿足以下幾個要求：試件要有足夠的整體性、均勻性；控制集料尺寸、形狀和試件顏色以確保預養(yǎng)護劑有足夠的滲透深度以及易觀察性。在滿足上述要求的條件下，采用水泥穩(wěn)定單一粒徑集料，對集料進行試拌，采用觀察法和試驗法確定最佳成型比例。

采用0.6～1.18 mm閃長巖集料與秦嶺PO·42.5普通硅酸鹽水泥，主要物理及力學性能指標均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范》(JTG F30-2003)要求，水、水泥、石料最佳質(zhì)量比例為7∶20∶60。為保證涂刷面的可比性，試件采用φ100 mm×100 mm尺寸。為降低試件空隙率離散性，使空隙率分布均勻，并最大限度模擬路面工程施工機械設備壓實和固結方式，采用振動成型法成型試件。采用傳統(tǒng)的靜壓模具，并按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)要求對試件進行養(yǎng)生。

2.3 瀝青混合料對比試件

2.3.1 孔隙率控制及測定方法

瀝青混合料設計規(guī)范規(guī)定瀝青路面空隙率為3%～6%，一般要求為4%，一般新建瀝青路面的空隙率在6%～7%左右[10]。為減少在現(xiàn)場采用鉆孔法大量采集試件時對瀝青路面造成破壞，同時保證室內(nèi)試驗最大程度的模擬現(xiàn)場試驗，使數(shù)據(jù)更加接近實際，采用模擬施工現(xiàn)場壓實度和固定室內(nèi)混合料空隙率的方法分別制作空隙率為3%～9%的瀝青混合料靜壓試件，其空隙率測定方法滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)要求，當試件吸水率小于2%時，采用飽和面干法對多個試件的空隙率進行測定并取平均值；當吸水率大于2%時，采用體積法測定不同瀝青混合料空隙率下的平均滲透深度，以表征瀝青路面的滲透深度。將瀝青混合料靜壓試件作為預養(yǎng)護劑滲透測量的對比試件。

2.3.2 級配及材料選擇

表2 碎石級配中級Tab.2 Median of gravel gradation

圖1 碎石級配曲線Fig.1 Gravel gradation curve

對比試件采用AC-13瀝青混合料，試件尺寸φ100 mm×100 mm。瀝青采用韓國SK90A級道路石油瀝青，粗集料采用閃長巖碎石，細集料采用機制砂，填料采用石灰?guī)r磨細礦粉。瀝青、集料與礦粉的主要物理及力學性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)要求。瀝青混合料最佳油石比為4.9%，礦料級配見圖1、表2。

2.4 數(shù)字圖像處理技術

對于求取不規(guī)則面積的平均值，圖像處理方法效果較好。PS(Photoshop)和IPP(Image-Pro Plus)都是功能非常強大的圖像處理工具，可有效地進行圖片、圖像編輯處理等工作，并且具有豐富的測量和定制功能。PS與IPP的圖像數(shù)據(jù)處理方法是將微小的像素點轉化為距離并采用不規(guī)則面積求平均值。基于圖像處理過的大樣本滲透深度數(shù)據(jù)，在數(shù)學上認定其平均深度即為預養(yǎng)護劑的滲透深度。該方法可精確測定各種不規(guī)則圖形的面積，降低人工測量的累計誤差，因此采用圖像處理技術計算得到的養(yǎng)護劑滲透深度是一種非?？尚械姆椒?。本研究采用的方法為：用相機為涂刷預養(yǎng)護劑的試件拍照，采用PS軟件提高其對比度，勾勒出滲透劑滲透范圍并填充顏色，將PS處理后的圖片用IPP進行圖像尺度的標定并計算滲透面積和滲透深度，將滲透面積單獨分離出來，測得滲透面積及其寬度后，即可算出其平均滲透深度。

3 結果與討論

3.1 預養(yǎng)護劑滲透深度對比分析

在標準試件和對比試件表面涂刷LS預養(yǎng)護劑，并將試件放入恒溫箱(20 ℃)中靜置24 h，待滲透完成后對試件進行剖切，預養(yǎng)護劑在對比試件和標準試件中的滲透情況見圖2。

圖2 標準試件與對比試件滲透界面對比 (a)水泥砂漿標準試件; (b)瀝青混合料對比試件Fig.2 Penetration interface compared by standard and compared specimen

圖3 滲透界面軟件處理及滲透深度計算 (a)對比試件滲透界面軟件成像; (b)滲透深度軟件計算Fig.3 Penetration interface processed by software and penetration depth calculation

由圖2可知，預養(yǎng)護劑在標準試件中的滲透深度比較均勻，在對比試件中的滲透深度呈現(xiàn)隨機性。由于在標準試件表面涂刷預養(yǎng)護劑時，中部用量多于試件邊緣，導致標準試件的滲透面基本呈弧線形分布。同時，標準試件制定的混合料空隙率較大，但滲透深度小于對比試件，主要原因是標準試件采用的0.6 mm～1.18 mm的集料比表面積大，同質(zhì)量的養(yǎng)護劑在滲透時需要浸潤更大的石料面積。而對比試件是由瀝青粘結粗細集料，表面構造深度更大，內(nèi)部空隙率更不均勻，且預養(yǎng)護劑與瀝青存在相似相溶，交互作用影響較強，導致預養(yǎng)護劑在對比試件中的滲透路徑不一，滲透面不均勻，滲透深度大。

試件在涂刷預養(yǎng)護劑之后，會有明顯的顏色區(qū)別，對試件切面拍照并進行PS處理之后觀察其滲透情況，采用IPP軟件對圖像進行尺度標定并二值化，最后計算平均滲透深度，具體情況見圖3。

如圖3所示，標準試件滲透面非常清晰，用數(shù)字圖像法處理時識別計算得到的數(shù)據(jù)相比于游標卡尺測量更加準確。通過計算多個試件的滲透深度平均值得出預養(yǎng)護劑在標準試件內(nèi)的滲透深度數(shù)據(jù)，見表3。

表3 預養(yǎng)護劑在標準試件內(nèi)滲透深度Tab.3 Penetration depth of preventive maintenance agent in standard specimen

由表3可知，1400 g下滲透率大于1600 g，這是由于成型條件相同的標準試件采用不同的濕料量，濕料量少則空隙率大。隨著預養(yǎng)護劑量的增加，滲透深度幾乎呈線性增長，表明標準試件內(nèi)部空隙率均勻，且由于石料比表面積較大，試件有效空隙率的差異對滲透深度影響就非常小。利用滲透深度成線性增長的關系，將預養(yǎng)護劑在標準試件與瀝青混合料中的滲透深度進行關聯(lián)，能夠更好的表征和預測預養(yǎng)護劑的滲透深度，準確的評價預養(yǎng)護劑的滲透性能。

3.2 預養(yǎng)護劑用量對滲透深度的影響分析

由于紫外線射入瀝青的深度一般只能達到0.1 mm，但表面老化的瀝青分子會向內(nèi)擴散，加上瀝青路面有空隙存在，最終紫外線對瀝青面層的影響會達到瀝青路面以下1 cm左右深度[11]，因此以滲透深度達到1 cm作為預養(yǎng)護劑能夠對于路面進行最佳養(yǎng)護的滲透深度。

試驗前，將空隙率為3%～9%的瀝青混合料對比試件進行分組，每組分別定量均勻涂刷2 g、4 g和8 g(按面積來算，8 g相當于路面用量為1 kg/m2)預養(yǎng)護劑，并觀察其0.5 h、2 h、8 h和24 h的滲透深度，進行數(shù)據(jù)記錄和圖像采集。運用PS和IPP軟件對圖像處理得到滲透深度數(shù)據(jù)并進行分析，分別繪制不同用量下滲透時間與不同空隙率對比試件中滲透深度關系圖，結果見圖4、圖5。

圖4 用量分別為2 g、4 g時各空隙率下的滲透深度(a) 2 g; (b) 4 gFig.4 Penetration interface in different porosity under 2 g and 4 g dosage

圖5 用量為8 g時各空隙率下的滲透深度Fig.5 Penetration interface in different porosity under 8 g dosage

由圖4可知，隨著預養(yǎng)護劑用量增加，預養(yǎng)護劑滲透深度和滲透速率都會顯著增加，并且預養(yǎng)護劑會逐漸填充瀝青混合料表面空隙和凹槽。當用量為2 g(實際路面用量0.25 kg/m2)時，預養(yǎng)護劑24 h滲透深度在1 cm以下，不能滿足激活路面老化瀝青的要求，而且預養(yǎng)護劑最終滲透深度不足，路面養(yǎng)護效果較差，因此2 g用量在考慮預養(yǎng)護劑滲透總體趨勢時僅作為參考。當用量為4 g(0.5 kg/m2)、8 g(1 kg/m2)時，預養(yǎng)護劑24 h滲透深度能滿足激活路表老化瀝青的要求。用量為1 kg/m2的預養(yǎng)護劑滲透深度情況見圖5。

如圖5所示，8 g用量下的預養(yǎng)護劑在涂刷2h時，各空隙率下滲透深度已經(jīng)達到1 cm左右，滿足激活路表老化瀝青達到路面養(yǎng)護的要求，在此用量下可更快的開放交通。

由圖4和圖5可知，預養(yǎng)護劑在涂刷到試件表面后很快滲透，此時預養(yǎng)護劑中的滲透劑成分才剛開始揮發(fā)，粘度較小，所以初始滲透深度在整個滲透過程中所占的比例非常大，2 h的平均滲透深度已占到24 h滲透深度的60%以上，8 h后滲透深度達到最終滲透深度的90%左右。

本研究采用的LS預養(yǎng)護劑中溶劑油組分揮發(fā)性強，剛涂抹到對比試件表面便迅速揮發(fā)，導致預養(yǎng)護劑粘度增加更快，滲透能力受到很大影響。同時瀝青混合料表面存在大粒徑集料，表面空隙率分布不均，表面構造深度較標準試件大，導致在最開始的0.5 h內(nèi)，滲透深度非常雜亂沒有規(guī)律可循。通過上述分析可知，預養(yǎng)護劑用量對滲透深度影響很大，從保證預養(yǎng)護劑效果方面，噴灑過LS預養(yǎng)護劑的路面至少應封閉2 h以上，有條件的路段應該封閉至少8 h再通車。

3.3 預養(yǎng)護劑滲透深度相關性分析

通過上述分析可得，預養(yǎng)護劑用量在4 g時已經(jīng)可以滿足路面預防性養(yǎng)護的要求，在不同用量條件下，對各空隙率下24 h時的滲透深度進行分析，并對數(shù)據(jù)進行擬合，結果見圖6。

圖6 用量分別為4 g、8 g時各空隙率下最終滲透深度(a) 4 g; (b) 8 gFig.6 Final penetration depth in different porosity under 4 g and 8 g dosage

由圖6可知，預養(yǎng)護劑最終滲透深度數(shù)據(jù)呈波動上升，這是由于瀝青混合料內(nèi)部空隙分布離散導致，在數(shù)據(jù)量足夠大的理想狀態(tài)下，數(shù)據(jù)曲線應該是一條直線，因此對滲透深度曲線做線性趨勢線，求得4 g及8 g用量下24 h預養(yǎng)護劑滲透深度相關性公式分別如下：

y=2.819x﹢0.933

(1)

y=5.633x-5.824

(2)

其中：y為對應各空隙率下的滲透深度；x為空隙率×100。

滲透深度相關性公式主要系數(shù)見表4。

表4 滲透深度相關性公式主要系數(shù)Tab.4 Main coefficient of penetration depth correlation formula

分析各個孔隙率條件下，不同預養(yǎng)護劑用量時的數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)預養(yǎng)護劑在空隙率為3%、4%的瀝青混合料對比試件與標準試件的中的滲透深度相當，結果見圖7。

圖7 3%和4%孔隙率下的滲透深度與標準件滲透深度比較(a) 3%; (b) 4%Fig.7 Penetration depth compared by standard and compared specimen in 3% and 4% porosity

由上述分析可知，預養(yǎng)護劑在對比試件中的滲透深度可以用線性趨勢線進行擬合。用標準試件可以準確標定預養(yǎng)護劑在3%、4%空隙率瀝青混合料中的滲透深度。綜合分析兩者的數(shù)據(jù)，瀝青混合料對比試件中的最終滲透深度與標準試件結果非常接近且線形變化趨勢相似。在相同預養(yǎng)護劑用量條件下，3%和4%空隙率瀝青混合料對比試件的最終滲透深度分別為標準試件滲透深度的1倍和1.27倍，可以此估算預養(yǎng)護劑在瀝青混合料中的滲透深度。

4 結 論

本研究建立了基于標準試件和數(shù)字圖像處理技術的預養(yǎng)護劑滲透深度測量方法，較為精確的測量了預養(yǎng)護劑在瀝青混合料中的滲透深度。

(1)預養(yǎng)護劑用量對標準試件中的滲透規(guī)律并無影響，滲透深度近似呈直線。利用這種線性關系，將預養(yǎng)護劑在標準試件與瀝青混合料中的滲透深度進行關聯(lián)，準確的預測預養(yǎng)護劑滲透情況；

(2)在不同空隙率瀝青混合料對比試件中，預養(yǎng)護劑用量對最終滲透深度影響較大。用量為4 g(0.5 kg/m2)的LS預防性養(yǎng)護劑就可以達到足夠的預養(yǎng)護深度。從實際養(yǎng)護效果看，噴灑過LS預養(yǎng)護劑的路面至少應封閉2 h以上，有條件的路段應該封閉至少8 h再通車；

(3)對比并擬合分析了標準試件和對比試件中的滲透數(shù)據(jù)，同時建立4 g和8 g預養(yǎng)護劑用量條件下的滲透性相關公式。等預養(yǎng)護劑用量下，1倍、1.27倍的標準件滲透深度分別可以表示空隙率為3%、4%的瀝青混合料對比試件的最終滲透深度。

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Depth of Penetration Testing Methods for Pavement Preventive Maintenance Agent in Asphalt Mixtures

WANGHe1,MABiao1,TIANYu-xiang1,ZHANGWen-jing1,TIAN-Ke2

(1.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China;2.Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300051,China)

To more precisely and conveniently measure the penetration depth of pavement preventive maintenance agent in asphalt mixtures, and to reduce measurement data discrete, a testing method of penetration depth of preventive maintenance agent based on the standard specimens and digital image processing technology is proposed in this paper. Standard specimens of cement mortar were produced by 0.6-1.18 mm single file aggregates. Moreover，penetration of light-shield (called LS) preventive maintenance agent both in the standard specimens and asphalt mixtures was analyzed by using Photoshop-IPP processing technology. The results show: penetration depth of standard specimens is the asphalt mixture specimen which porosity is 3%-4%. The penetration depth of 4 g (0.5 kg/m2) amount of LS preventive maintenance agent fully meets conservation standards. Meanwhile, correlation formula was established under the different dosage. Results also show that this testing method of penetration depth of preventive maintenance agent based on the standard specimens and digital image processing technology is reliable.

road engineering; preventive maintenance agent; penetration depth; digital image processing technology

“十二五”國家科技支撐計劃(2014BAG05B04);交通運輸部建設科技項目(2013318490010)

王 赫(1992-)，男，碩士研究生.主要從事路面結構與材料方面的研究.

馬 骉，工學博士，教授.

TU502

A

1001-1625(2016)08-2568-07