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(guó)部分公路在使用后易出現(xiàn)車(chē)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(lèi)、拌和方法等因素影響[1]。改善瀝青混合料的性能可以通過(guò)添加瀝青改性劑來(lái)提高強(qiáng)度，也可以?xún)?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(shí)，拌和溫度較高會(huì)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(huì)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(jì)效益。

針對(duì)瀝青混合料拌和方法的改善，翁士曉等[3]采用延長(zhǎng)拌和時(shí)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(guò)程中瀝青煙的形成。郝玉飛[4]對(duì)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(shí)間。雷勇等[5]通過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)多孔瀝青混合料吸聲和排水的效果有所改善。

目前研究?jī)H對(duì)單一級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，由于瀝青混合料的種類(lèi)很多，因此對(duì)不同類(lèi)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(jí)配，采用兩階段拌和技術(shù)，先利用理論計(jì)算明確了理論上最佳瀝青摻配比，在對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)得出試驗(yàn)上最佳摻配比，通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)兩階段拌和的瀝青混合料具有一定的理論與實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

試驗(yàn)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(yàn)所用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)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(jì)

試驗(yàn)采用AC-13、AC-20、SUP-16、PAC-13 4種集料級(jí)配，集料級(jí)配如圖1所示。按照馬歇爾方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，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(jí)配曲線(xiàn)

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(lái)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(shí)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(jì)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(duì)密度，25 ℃/25 ℃；SA為集料的比表面積，m2/kg；Pi為集料通過(guò)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(yàn)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(guò)式(1)理論計(jì)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(yàn)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(shí)75次，PAC-13雙面各擊實(shí)50次，SUP-16采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)150次，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通過(guò)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(duì)比分析

按照配合比設(shè)計(jì)，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(shí)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(yàn)。車(chē)轍試件尺寸為長(zhǎng)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(cè)定動(dòng)穩(wěn)定度，評(píng)價(jià)試件的高溫性能。利用馬歇爾試件測(cè)定常溫和-10 ℃劈裂強(qiáng)度(試驗(yàn)加載速率為50 mm/min)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定凍融劈裂殘留強(qiáng)度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，評(píng)價(jià)試件的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)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(qiáng)度比最大。常規(guī)和兩階段拌和方法相比，4種級(jí)配混合料的殘留穩(wěn)定度值均有所提升，殘留強(qiáng)度比略有增強(qiáng)。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(shuō)明兩階段拌和對(duì)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(qiáng)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(shuō)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(dòng)穩(wěn)定度均為最大，兩階段拌和下的四種級(jí)配混合料的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)。

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(lèi)間方差值法對(duì)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(yùn)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(diǎn)數(shù)占整體圖像有效點(diǎn)數(shù)比例；U0為平均灰度；W1為背景圖案中有效點(diǎn)數(shù)占整體圖像有效點(diǎn)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(shí)，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(guò)細(xì)觀識(shí)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(tuán)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(wú)聚團(tuán)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(guò)孔隙面積計(jì)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(lái)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(guò)Image Pro Plus軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(gè)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(qiáng)，與此同時(shí)在斷面平均瀝青膜厚度上常規(guī)拌和造成瀝青膜過(guò)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(jì)結(jié)果

由圖5可進(jìn)一步看出，兩階段拌和的空隙長(zhǎng)度及其對(duì)應(yīng)空隙面積增大，這進(jìn)一步說(shuō)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(guò)圖5對(duì)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(shuō)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(mǎn)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(guò)結(jié)合試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(jì)軟件對(duì)試件細(xì)觀特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取了面積大于10 mm2的空隙個(gè)數(shù)、斷面平均空隙個(gè)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(lèi)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(qiáng)，對(duì)于PAC結(jié)構(gòu)類(lèi)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(duì)路面排水能力有一定的提高。研究成果對(duì)兩階段拌和的瀝青混合料應(yīng)用研究具有一定的參考價(jià)值。