不同拌和方法的瀝青混合料路用性能對比

呂若琳，張海濤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

中國部分公路在使用后易出現(xiàn)車轍、松散、掉粒等各種病害，這種早期破壞是困擾公路建設(shè)者的一大難題。瀝青混合料的路用性能受集料性質(zhì)、瀝青種類、拌和方法等因素影響[1]。改善瀝青混合料的性能可以通過添加瀝青改性劑來提高強度，也可以優(yōu)化瀝青混合料拌和方法。在道路建設(shè)中的瀝青路面大多采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料，粗細(xì)集料一同攪拌，由于攪拌不均勻，瀝青不能很好地包裹在集料表面，產(chǎn)生花白料的情況，導(dǎo)致瀝青混合料離析現(xiàn)象，加速了瀝青路面的損害情況。在瀝青混合料拌和時，拌和溫度較高會使瀝青老化速度加快，從而影響瀝青路面的路用性能，此外持續(xù)的高溫會產(chǎn)生大量的有害氣體，嚴(yán)重危害到施工人員的身體健康[2]。因此，改善瀝青混合料拌和方法的研究具有巨大的環(huán)保、經(jīng)濟效益。

針對瀝青混合料拌和方法的改善，翁士曉等[3]采用延長拌和時間和提高拌和溫度可以有效降低花白料現(xiàn)象，但此舉也加大拌和過程中瀝青煙的形成。郝玉飛[4]對AC型瀝青混合料選用梯次拌和工藝提高瀝青混合料的質(zhì)量，降低瀝青用量，減少約30%的拌和時間。雷勇等[5]通過改變拌和次序?qū)⑿麓旨舷扰c瀝青拌和，然后依次投放摻加劑、礦粉、新細(xì)集料拌和，在其拌和次序下瀝青的轉(zhuǎn)移和新、舊瀝青的融合程度有所提高，其結(jié)構(gòu)骨架更為穩(wěn)定。Kok等[6]對AC型瀝青混合料的粗集料表面預(yù)涂瀝青處理，在集料與瀝青之間形成黏結(jié)層，可以提高瀝青混合料路用性能。Kiselev等[7]則通過改變多孔瀝青混合料的拌和方式，先在粗骨料上添加20%的改性瀝青，再添加剩余的瀝青與細(xì)骨料、填料混合，可以提高多孔瀝青混合料的力學(xué)性能，對多孔瀝青混合料吸聲和排水的效果有所改善。

目前研究僅對單一級配的瀝青混合料進(jìn)行了試驗研究，由于瀝青混合料的種類很多，因此對不同類型混合料的最佳摻配比有待進(jìn)一步研究?，F(xiàn)選用四種級配，采用兩階段拌和技術(shù)，先利用理論計算明確了理論上最佳瀝青摻配比，在對試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗得出試驗上最佳摻配比，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取瀝青混合料試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對比常規(guī)拌和方法，將兩階段拌和的瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能相結(jié)合，對其進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明兩階段拌和技術(shù)提高集料與瀝青之間的黏結(jié)性能，改善施工的和易性，對兩階段拌和的瀝青混合料具有一定的理論與實用價值。

1 試驗材料與設(shè)計

1.1 瀝青

試驗采用SBS改性90#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性90#瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

試驗所用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r礦粉。集料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)

1.3 纖維

PAC-13纖維摻量為0.1%，纖維技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.4 瀝青混合料配合比設(shè)計

試驗采用AC-13、AC-20、SUP-16、PAC-13 4種集料級配，集料級配如圖1所示。按照馬歇爾方法進(jìn)行配合比設(shè)計，確定4種瀝青混合料的瀝青最佳用量：AC-13為4.5%，AC-20為4.2%，SUP-16為4.3%，PAC-13為4.4%。

圖1 集料級配曲線

2 兩階段拌和的最佳摻配比確定

2.1 理論方法

采用兩階段拌和技術(shù)，根據(jù)不同瀝青混合料的瀝青表面最佳薄膜厚度來確定最佳摻配比。當(dāng)瀝青混合料在最佳油石比的范圍內(nèi)，可以真實地反映瀝青混合料的集料表面瀝青膜厚度。瀝青有效薄膜厚度的計算公式為

(1)

式(1)中：DA為瀝青膜有效厚度，μm；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青用量，%；Pb為瀝青含量，%；γb為瀝青的相對密度，25 ℃/25 ℃；SA為集料的比表面積，m2/kg；Pi為集料通過率；FAi為集料表面積系數(shù)。

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[8]規(guī)定的AC瀝青混合料瀝青有效薄膜厚度約為7 μm，SUP瀝青混合料瀝青有效薄膜厚度約為11 μm，PAC瀝青混合料瀝青有效薄膜厚度約為14 μm[9-11]。因此，通過式(1)理論計算得到兩階段拌和的最佳摻配比結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青混合料兩階段拌和的最佳瀝青摻配比

2.2 試驗方法

粗集料與最佳瀝青用量的部分瀝青先拌和，細(xì)集料與剩余瀝青拌和，制作AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16瀝青混合料馬歇爾試件，尺寸為101.6 mm×63.5 mm，AC-13、AC-20雙面各擊實75次，PAC-13雙面各擊實50次，SUP-16采用旋轉(zhuǎn)壓實150次，進(jìn)行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。通過力學(xué)性能分析得到兩階段拌和的最佳摻配比(表4)。

圖2(a)、圖2(c)中A、B、C、D、E、F組分別為兩階段拌和的15%、20%、25%、30%、35%瀝青用量摻配比與常規(guī)拌和瀝青用量OAC；圖2(b)、圖2(d)中A、B、C、D組分別為兩階段拌和的30%、40%、50%瀝青用量摻配比與常規(guī)拌和瀝青用量OAC

3 不同拌和方法的力學(xué)性能對比分析

按照配合比設(shè)計，采用常規(guī)和兩階段拌和方法制作AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16試件，拌和溫度為160～175 ℃，壓實溫度為140～150 ℃。馬歇爾試件尺寸為101.6 mm×63.5 mm，將試件在空氣中放置24 h，然后在25、60 ℃恒溫水浴中保溫30～40 min，進(jìn)行馬歇爾試驗。車轍試件尺寸為長100 mm×寬100 mm×高50 mm，在常溫下放置12 h，然后在恒溫60 ℃下保溫5 h，碾壓速度為21次往返/min，測定動穩(wěn)定度，評價試件的高溫性能。利用馬歇爾試件測定常溫和-10 ℃劈裂強度(試驗加載速率為50 mm/min)，評價瀝青混合料的低溫性能。通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗測定凍融劈裂殘留強度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，評價試件的水穩(wěn)定性。試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)中可以看出，采用兩階段拌和的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度、殘留強度比最大。常規(guī)和兩階段拌和方法相比，4種級配混合料的殘留穩(wěn)定度值均有所提升，殘留強度比略有增強。AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的殘留穩(wěn)定度分別提升了1.4%、2.1%、1.6%、5.61‰，這表明兩階段拌和可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。特別是AC-20大粒徑瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度改善較為明顯，PAC-13的殘留穩(wěn)定度提升效果較高，這說明兩階段拌和對提升大粒徑和大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性具有較好的效果。AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的殘留強度比分別提升了2.3‰、3.1‰、5.2‰、2.1‰，其中PAC-13、AC-20提升的幅度最大。這進(jìn)一步說明兩階段拌和技術(shù)在提升瀝青混合料水穩(wěn)定性方面具有較好的效果。

從圖3(b)可以看出，SUP-16在常規(guī)與兩階段拌和下的動穩(wěn)定度均為最大，兩階段拌和下的四種級配混合料的動穩(wěn)定度均為最好，這表明兩階段拌和能夠有效提升混合料的動穩(wěn)定度。兩階段和常規(guī)拌和相比，AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的動穩(wěn)定度分別提升了15.11%、15.5%、15%、9.5%，這表明兩階段拌和技術(shù)的應(yīng)用可以使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到增強。

4 兩階段拌和的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析

研究采用最大類間方差值法對全局閾值進(jìn)行圖像分割[12]，閾值分割原理可表示為

(2)

式(2)中：G(x,y)為閾值運算后的圖像；F(x,y)為分割前的圖像；T為閾值；U為圖像總平均灰度；W0為前景圖案中有效點數(shù)占整體圖像有效點數(shù)比例；U0為平均灰度；W1為背景圖案中有效點數(shù)占整體圖像有效點數(shù)的比例；U1為平均灰度。

當(dāng)值G=W0(U0-U)+W1(U1-U)為最大時，就是最佳分割圖像的最佳閾值。

以 PAC-13試件斷面為例進(jìn)行分析，試件斷面圖像經(jīng)MATLAB灰度處理，得到不同拌和方法的PAC-13試件斷面細(xì)觀結(jié)構(gòu)(圖4)。通過細(xì)觀識別斷面圖可以看出，白色為瀝青分布情況、黑色為空隙分布情況、灰色為集料，常規(guī)拌和方法的瀝青分布不均勻，常出現(xiàn)一側(cè)呈團狀分布、另一側(cè)則瀝青稀缺，瀝青不能將集料較完整的包裹在一起，而兩階段拌和瀝青分布較均勻，無聚團稀松情況，瀝青可以很好地將石料包裹形成均勻狀態(tài)的瀝青薄膜，兩階段拌和由于集料表面瀝青膜分布均勻，瀝青、瀝青膜與集料表面形成三層體系，減少應(yīng)力集中，故在力學(xué)性能上兩階段拌和的瀝青混合料優(yōu)于常規(guī)拌和的。通過孔隙面積計算斷面圖可以看出，常規(guī)拌和方法的空隙分布較為密集連成大片空隙，空隙面積增大，而兩階段拌和的空隙分布較為分散，根據(jù)空隙分布情況來看，路面的排水性能兩階段拌和要比常規(guī)拌和方法好。

圖4 Image Pro Plus處理后的瀝青混合料試件斷面圖

因此，通過Image Pro Plus軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)如表5所示，可以看出，在不同拌和方法下，兩階段拌和技術(shù)的空隙率略大于常規(guī)拌和，空隙率的增大可以使單個空隙面積、空隙面積大于10 mm2空隙所占百分率增大，這使得集料間隙變大，使得排水功能增強，與此同時在斷面平均瀝青膜厚度上常規(guī)拌和造成瀝青膜過厚(圖5)。

表5 試件斷面細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)獲取結(jié)果

圖5 細(xì)觀空隙和瀝青膜厚度統(tǒng)計結(jié)果

由圖5可進(jìn)一步看出，兩階段拌和的空隙長度及其對應(yīng)空隙面積增大，這進(jìn)一步說明了兩階段拌和的試件中有效空隙和有效空隙面積的增加。通過圖5對比，常規(guī)拌和的集料表面瀝青膜厚度不均勻，而兩階段拌和的瀝青膜厚度分布均勻，這說明兩階段拌和可以使瀝青與集料間黏附性變得更好，可以使瀝青在集料間發(fā)揮有效作用。

5 結(jié)論

(1)研究結(jié)果表明，兩階段拌和的瀝青混合料的力學(xué)性能均滿足基本路用性能的要求，為新型拌和技術(shù)的研究提供前提條件；通過結(jié)合試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)對瀝青混合料路用性能的研究，更加充分地闡述了兩階段拌和對瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

(2)采用Image Pro Plus和MATLAB獲取試件斷面細(xì)觀圖像，進(jìn)而采用統(tǒng)計軟件對試件細(xì)觀特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，獲取了面積大于10 mm2的空隙個數(shù)、斷面平均空隙個數(shù)、空隙總面積、斷面瀝青膜厚度平均值等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，是研究試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的有效手段。

(3)兩階段拌和的AC-20和PAC-13的力學(xué)性能指標(biāo)提升明顯，水穩(wěn)性和耐高溫性有明顯提高。這是由于AC、PAC結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料屬于大粒徑、大空隙型結(jié)構(gòu)，瀝青在集料表面裹覆均勻后，粗集料間的嵌擠作用增強，對于PAC結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料而言，兩階段拌和的空隙總面積多于常規(guī)拌和，對路面排水能力有一定的提高。研究成果對兩階段拌和的瀝青混合料應(yīng)用研究具有一定的參考價值。