泡沫瀝青冷再生混合料空隙分布特征研究

張 帥

(江蘇北極星交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 南通市 226010)

0 引言

近年來,以泡沫瀝青為瀝青結(jié)合料進(jìn)行冷再生的方式作為道路領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)手段,在公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)發(fā)展中得到越來越多的應(yīng)用[1]。泡沫瀝青冷再生混合料由瀝青路面銑刨料、新集料、水泥及發(fā)泡瀝青組成,屬于半柔性材料[2]。

基于CT掃描技術(shù)的微觀結(jié)構(gòu)三維重建與分析在瀝青混合料領(lǐng)域的研究漸趨廣泛。該技術(shù)可直接獲得瀝青混合料的三維圖像,分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[3]。相關(guān)學(xué)者多采用CT掃描技術(shù)對瀝青混合料中的瀝青、集料及空隙間的接觸關(guān)系進(jìn)行研究;或結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)對CT圖像進(jìn)行處理,獲取瀝青混合料組成成分的密度等特征參數(shù),評價其均勻性[4-7]。但目前關(guān)于瀝青混合料內(nèi)部空隙的空間分布特性,尤其是對比分析不同因素影響下空隙分布的特征等相關(guān)研究較少。

因此,文章通過CT掃描技術(shù)和數(shù)字圖像處理方法,提出了一種量化表征冷再生混合料內(nèi)部細(xì)觀空隙尺寸分布的模型,研究不同級配對其空隙分布特征的影響。文章提出的方法可助益優(yōu)化冷再生混合料級配設(shè)計,從而提升混合料強度性能。

1 試驗方案

1.1 原材料

舊瀝青混合料從南通市某公路瀝青面層銑刨獲得。采用江陰阿爾法70#瀝青、10～20mm石灰?guī)r粗集料、0～3mm石灰?guī)r細(xì)集料、干燥潔凈的石灰?guī)r礦粉和南通恒天牌(P.O 42.5)普通硅酸鹽水泥。瀝青、水泥和各類新集料的技術(shù)性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)和《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)相關(guān)要求。根據(jù)發(fā)泡試驗確定的最佳發(fā)泡條件為:瀝青溫度165℃和發(fā)泡用水量2.5%。最佳發(fā)泡條件下瀝青的膨脹率為14倍,半衰期為12.1s,滿足《公路泡沫瀝青冷再生路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 715—2018)相關(guān)要求。

1.2 再生料配合比設(shè)計

由于舊料中細(xì)集料含量偏低,因此需要加入適量石屑和礦粉優(yōu)化級配。同時,考慮到改善再生料抗車轍性能,也可以加入部分新粗集料。參考《公路泡沫瀝青冷再生路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 715—2018)相關(guān)要求及工程實踐經(jīng)驗,分別設(shè)計A、B、C三種再生料級配類型,級配結(jié)果見表1。具體配合比設(shè)計方案(質(zhì)量比)如下:

表1 再生混合料合成級配

(1)級配A:98.5%舊料+1.5%水泥。

(2)級配B:70%舊料+25%石屑+3.5%礦粉+1.5%水泥。

(3)級配C:70%舊料+13%新粗集料+12%石屑+3.5%礦粉+1.5%水泥。

對三種級配再生料進(jìn)行擊實試驗,得到其最佳含水率分別為4.8%、5.9%、5.1%。在不同級配下分別選擇五個瀝青用量水平進(jìn)行劈裂強度試驗,根據(jù)干、濕劈裂強度及強度比確定級配A、B、C再生料的最佳泡沫瀝青用量分別為2.0%、3.5%和2.5%,最終成型相應(yīng)級配下的馬歇爾試件。

1.3 數(shù)字圖像處理

采用工業(yè)CT對養(yǎng)生3d后的泡沫瀝青冷再生混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行掃描,掃描斷層間距為1mm。將掃描得到的二維斷層灰度圖像導(dǎo)入計算機(jī),先通過中值濾波消除圖像噪聲,改善CT圖像品質(zhì)。為了增大圖像中空隙、瀝青膠漿和集料顆粒的灰度值差異,便于后續(xù)圖像分割,通過灰度變換增加了圖像的對比度,最后通過Image Pro Plus(IPP)軟件提取細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 空隙率分布特征

統(tǒng)計每張二維斷層灰度圖像中空隙面積,計算空隙率。為排除試件成型時試驗誤差的影響,統(tǒng)計時將試件兩端的圖片去除。將每張CT圖像編號換算成試件高度,并繪出空隙率沿試件高度方向的分布圖。不同級配下泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率空間分布如圖1所示。

圖1 不同級配下再生料空隙率空間分布

由圖1可見,不同級配的冷再生混合料具有不同的空隙率空間分布特性,且差異較大。其中,C級配試件的空隙率最大,范圍在9.0%～11.0%;A級配試件的空隙率次之,范圍在7.0%～8.0%;B級配試件的空隙率最小,范圍在5.5%～7.0%。泡沫瀝青冷再生混合料試件的空隙率隨細(xì)集料比例的增大而逐漸減小。這是因為細(xì)集料本身與泡沫瀝青結(jié)合形成膠漿填充到再生料的空隙中,降低了空隙率[8]。

2.2 空隙數(shù)量分布特征

統(tǒng)計每張二維斷層灰度圖像中的獨立空隙數(shù)量,研究其沿試件高度方向的空間分布特性,不同級配下泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)空隙數(shù)量的空間分布如圖2所示。

圖2 不同級配下再生料空隙數(shù)量空間分布

圖2中,對于A、B、C三種級配的冷再生混合料,隨著集料級配中細(xì)集料比例的增大,空隙數(shù)量的空間分布曲線向左移動,空隙數(shù)量逐漸減少。在40～65mm深度范圍,三種級配的空隙數(shù)量分布曲線明顯右移。其中,B級配偏移最小,A級配次之,而C級配在50～65mm深度范圍的空隙數(shù)量急劇增大,即B級配再生料底部最為密實,C級配底部密實性較差。其原因一方面是再生料級配中細(xì)集料比例的差異影響;另一方面是C級配再生料底部成型效果較差。從三種級配的空隙數(shù)量空間分布曲線來看,其分布曲線和空隙數(shù)量相差較小,這說明級配對泡沫瀝青冷再生混合料空隙數(shù)量空間分布的影響不明顯。

2.3 空隙等效直徑分布特征

將每張二維斷層灰度圖像中空隙面積換算為具有相同面積的圓半徑,作為該高度處的等效直徑。不同級配下泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)空隙等效直徑的空間分布如圖3所示。

圖3 不同級配下再生料空隙等效直徑空間分布

圖3顯示,A、B、C三種級配下再生料的空隙等效直徑相差較大,從再生料空隙等效直徑空間分布曲線波動幅度來看,C級配波動幅度最大,而A級配和B級配波動幅度均較小,即級配越細(xì),其空隙等效直徑空間分布曲線波動幅度越小。這表明級配對泡沫瀝青冷再生混合料的空隙等效直徑影響顯著。

2.4 空隙級配分析

分別以空隙等效直徑和通過率為橫、縱坐標(biāo)確定該試件空隙級配。數(shù)學(xué)函數(shù)模型—雙參數(shù)Weibull分布模型是一種應(yīng)用廣泛的非正態(tài)分布,包括尺度參數(shù)λ(λ>0)和形狀參數(shù)k(k>0)。三種級配下泡沫瀝青冷再生混合料的“空隙級配”曲線擬合如圖4所示。

圖4 不同級配下空隙級配曲線Weibull分布模型擬合

當(dāng)形狀參數(shù)k不變,尺度參數(shù)λ逐漸增大時,累計分布曲線會逐漸向右偏轉(zhuǎn),即泡沫瀝青冷再生混合料試件內(nèi)大空隙增多,且大空隙和小空隙的尺寸差別較大;當(dāng)尺度參數(shù)λ固定,形狀參數(shù)k逐漸增大時,累計分布曲線則會以某一點為中心逐漸發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn),即泡沫瀝青冷再生混合料試件內(nèi)大部分空隙尺寸在某個固定區(qū)間內(nèi)變化[9-10]。結(jié)合尺度參數(shù)λ的擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn),泡沫瀝青冷再生混合料在B級配下具有最小的尺度參數(shù)λ,在C級配下的尺度參數(shù)λ最大。這說明尺度參數(shù)λ與泡沫瀝青冷再生混合料級配的粗細(xì)有較強的相關(guān)性,即級配越細(xì),尺度參數(shù)λ擬合結(jié)果越小。形狀參數(shù)k則呈現(xiàn)相反的變化趨勢:隨著再生料級配由細(xì)變粗,形狀參數(shù)k呈減小趨勢。由擬合結(jié)果可知,雙參數(shù)Weibull分布模型中的尺度參數(shù)λ和形狀參數(shù)k能夠有效表征再生料的空隙級配,可以較好地評價再生料空隙級配的粗細(xì)和分布均勻性。

3 結(jié)論

(1)隨著細(xì)集料比例增大,再生料試件的空隙率空間分布曲線逐漸向左擴(kuò)展,空隙率逐漸變小,其中B級配下的空隙率最小且分布最為均勻,但A、B、C三種級配下的空隙數(shù)量均相差不大。

(2)隨著級配由細(xì)變粗,再生料試件內(nèi)部空隙等效直徑的空間分布曲線逐漸向右擴(kuò)展,空隙等效直徑及其變化范圍均逐漸增大。

(3)雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)模型能夠較好地評價泡沫瀝青冷再生混合料“空隙級配”的粗細(xì)和分布均勻程度。隨著再生料中細(xì)集料比例增大,Weibull分布函數(shù)模型中的尺度參數(shù)λ越小,空隙級配越細(xì),同時形狀參數(shù)k越大,空隙分布越均勻。