泡沫瀝青冷再生混合料空隙分布特征研究

張 帥

(江蘇北極星交通產業集團有限公司 南通市 226010)

0 引言

近年來,以泡沫瀝青為瀝青結合料進行冷再生的方式作為道路領域可持續發展的重要技術手段,在公路建設和養護發展中得到越來越多的應用[1]。泡沫瀝青冷再生混合料由瀝青路面銑刨料、新集料、水泥及發泡瀝青組成,屬于半柔性材料[2]。

基于CT掃描技術的微觀結構三維重建與分析在瀝青混合料領域的研究漸趨廣泛。該技術可直接獲得瀝青混合料的三維圖像,分析其內部結構特征[3]。相關學者多采用CT掃描技術對瀝青混合料中的瀝青、集料及空隙間的接觸關系進行研究;或結合數字圖像技術對CT圖像進行處理,獲取瀝青混合料組成成分的密度等特征參數,評價其均勻性[4-7]。但目前關于瀝青混合料內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研究較少。

因此,文章通過CT掃描技術和數字圖像處理方法,提出了一種量化表征冷再生混合料內部細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化冷再生混合料級配設計,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石灰巖粗集料、0～3mm石灰巖細集料、干燥潔凈的石灰巖礦粉和南通恒天牌(P.O 42.5)普通硅酸鹽水泥。瀝青、水泥和各類新集料的技術性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)和《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)相關要求。根據發泡試驗確定的最佳發泡條件為:瀝青溫度165℃和發泡用水量2.5%。最佳發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計與施工技術規范》(DB33/T 715—2018)相關要求。

1.2 再生料配合比設計

由于舊料中細集料含量偏低,因此需要加入適量石屑和礦粉優化級配。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計與施工技術規范》(DB33/T 715—2018)相關要求及工程實踐經驗,分別設計A、B、C三種再生料級配類型,級配結果見表1。具體配合比設計方案(質量比)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行劈裂強度試驗,根據干、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%,最終成型相應級配下的馬歇爾試件。

1.3 數字圖像處理

采用工業CT對養生3d后的泡沫瀝青冷再生混合料標準馬歇爾試件進行掃描,掃描斷層間距為1mm。將掃描得到的二維斷層灰度圖像導入計算機,先通過中值濾波消除圖像噪聲,改善CT圖像品質。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)軟件提取細觀空隙結構。

2 試驗結果分析

2.1 空隙率分布特征

統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集料比例的增大而逐漸減小。這是因為細集料本身與泡沫瀝青結合形成膠漿填充到再生料的空隙中,降低了空隙率[8]。

2.2 空隙數量分布特征

統計每張二維斷層灰度圖像中的獨立空隙數量,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空隙數量的空間分布如圖2所示。

圖2 不同級配下再生料空隙數量空間分布

圖2中,對于A、B、C三種級配的冷再生混合料,隨著集料級配中細集料比例的增大,空隙數量的空間分布曲線向左移動,空隙數量逐漸減少。在40～65mm深度范圍,三種級配的空隙數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量空間分布曲線來看,其分布曲線和空隙數量相差較小,這說明級配對泡沫瀝青冷再生混合料空隙數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,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、縱坐標確定該試件空隙級配。數學函數模型—雙參數Weibull分布模型是一種應用廣泛的非正態分布,包括尺度參數λ(λ>0)和形狀參數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

當形狀參數k不變,尺度參數λ逐漸增大時,累計分布曲線會逐漸向右偏轉,即泡沫瀝青冷再生混合料試件內大空隙增多,且大空隙和小空隙的尺寸差別較大;當尺度參數λ固定,形狀參數k逐漸增大時,累計分布曲線則會以某一點為中心逐漸發生逆時針偏轉,即泡沫瀝青冷再生混合料試件內大部分空隙尺寸在某個固定區間內變化[9-10]。結合尺度參數λ的擬合結果發現,泡沫瀝青冷再生混合料在B級配下具有最小的尺度參數λ,在C級配下的尺度參數λ最大。這說明尺度參數λ與泡沫瀝青冷再生混合料級配的粗細有較強的相關性,即級配越細,尺度參數λ擬合結果越小。形狀參數k則呈現相反的變化趨勢:隨著再生料級配由細變粗,形狀參數k呈減小趨勢。由擬合結果可知,雙參數Weibull分布模型中的尺度參數λ和形狀參數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和分布均勻性。

3 結論

(1)隨著細集料比例增大,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量均相差不大。

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

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