乳化沥青冷再生混合料的透水性与空隙特征

高 磊 倪富健 罗海龙 杨美坤

(东南大学交通学院, 南京 210096)



乳化沥青冷再生混合料的透水性与空隙特征

高 磊 倪富健 罗海龙 杨美坤

(东南大学交通学院, 南京 210096)

为了研究乳化沥青冷再生混合料的透水性与空隙特征之间关系,通过测定渗透系数来评价其透水性，并利用工业CT扫描观测其内部细观空隙结构.根据乳化沥青冷再生混合料养生过程中空隙率的变化,探究水泥和水对其空隙形成的影响．结果发现,乳化沥青冷再生混合料在较高的空隙率下具有相对较低的透水性;其平均空隙尺寸略小于同级配的热拌沥青混合料,且大空隙较少,小空隙较多;乳化沥青冷再生混合料的空隙由压实空隙和养生空隙构成,水分的蒸发和水泥用量对养生空隙的形成具有显著的影响,随着水分的蒸发和水泥的水化,乳化沥青冷再生混合料内部形成了许多养生空隙;乳化沥青冷再生混合料的空隙尺寸以及分布特征是造成其低透水性的重要因素．

冷再生混合料;渗透系数;CT扫描;空隙特征

就地冷再生技术(cold in-place recycling,CIR)是国外沥青路面的养护、维修和升级的常规方式之一[1]．它不仅可以充分利用旧沥青混凝土,节约资源,而且能够消除旧路病害,同时可以保持路面标高,重建道路轮廓,改善横坡,从而提高道路等级[2]．乳化沥青冷再生是以乳化沥青作为再生剂,适当添加水泥、新集料等材料对旧沥青混合料进行再生利用的一项技术[3]．该技术的推广与应用对我国道路养护工程产生了积极的影响,但目前国内对乳化沥青冷再生混合料的认识还不深入,许多方面还有待研究．

普通密级配热拌沥青混合料的空隙率较小,空隙饱水较少,在荷载作用下一般不会产生动水压力,有一定的抗水损害能力;而空隙率在15%以上的排水沥青混合料一般都采用改性沥青,且水分能够及时排出,不易发生水损害[4]．而乳化沥青冷再生混合料的空隙率通常在8%～14%之间,恰好处在最不利的范围内,但实际工程表明,乳化沥青冷再生混合料具有低透水性的特征[5]．

为了评价乳化沥青冷再生混合料的透水性能,本文测定了乳化沥青冷再生混合料与其他热拌沥青混合料的渗透系数,对比分析乳化沥青冷再生混合料的透水性．采用工业CT扫描技术,观测乳化沥青冷再生混合料的内部空隙特征,并与普通密级配热拌沥青混合料进行比较.分析乳化沥青冷再生混合料内部空隙结构对其透水性的影响．最后,通过研究乳化沥青冷再生混合料在养生过程中空隙率的变化规律,进一步揭示了乳化沥青冷再生混合料中空隙形成的原理．

1 试验材料

试验所用的回收沥青路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)来自于实际工程．由于旧料中细集料较少,需要掺加粒径4.75 mm以下的新料,掺量为15%．冷再生混合料的旧料级配、新料级配以及合成级配如表1所示,满足冷再生规范要求,属于中粒式级配．根据劈裂强度试验和马歇尔稳定度试验结果,确定慢裂性乳化沥青掺量为3.6%,通过拌合试验确定的最佳水掺量为2.9%,水泥掺量为1.5%．

表1 乳化沥青冷再生混合料级配

2 渗透系数测定及结果分析

2.1 合理水力梯度确定

渗透系数是反映孔隙介质透水能力的一个综合指标．当水流速度较慢时,在水头差的作用下,断面的渗透平均速度与水力梯度成正比,即达西定律．渗流的流态可用雷诺数Re来判断,由于乳化沥青冷再生混合料的合成级配中,10%通过率的集料尺寸介于0.3～0.6 mm之间,用线性内插法计算得到10%通过率的颗粒直径为0.455 mm,参考渗透系数测试方法,根据土壤材料常用的渗流雷诺数计算公式,计算得到渗流速率v的上限范围为0.251～2.51 cm/s[6]．

2.2 渗透系数测定方法

渗透系数分为横向和竖向渗透系数．试验前在室温下静压成型15 cm×15 cm×15 cm的立方体试件,试件成型后,根据养生要求,在室内放置12 h,接着放入60 ℃的鼓风烘箱中养生48 h,然后在室温下放置,直到装置的温度与室温相同即可进行渗透系数的测定[7]．渗透系数k的计算式为

(1)

式中，Q为时间t内渗透经过试件的水质量,g;ρw为水的密度,g/cm3;A为试件的横截面面积,cm2;j为水力梯度;L为试件的有效长度,cm;h1,h2为两侧压管的水位高度读数值,cm．

2.3 横向渗透试验

为了进行对比试验,同时测定了乳化沥青冷再生混合料与相同级配的普通热拌沥青混合料的横向渗透系数．为了排除不同空隙率对结果的影响,设定2种混合料的目标空隙率均为10%．试验结束后,采用真空密封法测定2种沥青混合料的相对密度,并计算实际空隙率．根据试验结果得到的渗透速率与水力梯度的关系如图1和2所示．

由以上试验结果可以看出,在一定的水力梯度范围内,2种混合料的横向渗透速率与水力梯度呈明显的正比关系．乳化沥青冷再生混合料的数据点在水力梯度为0.18时,正比关系减弱,而普通热拌沥青混合料的数据点在水力梯度为0.12时,正比关系就开始减弱．分别对转折点前的数据点和所有数据点进行线性回归．可以看到,转折点前的数据回归拟合度大于所有数据回归的结果,因此本文选择前者进行对比分析，并将试验结果进行汇总,结果如表2所示．

图1 乳化沥青冷再生混合料的横向渗透结果

图2 普通热拌沥青混合料的横向渗透结果

表2 横向渗透系数结果比较

在假定条件下,2种混合料的空隙率近似相同,但横向渗透系数有很大差别,乳化沥青冷再生混合料的横向渗透系数仅为普通热拌沥青混合料的49%．由此可见,假定具有相同空隙率,乳化沥青冷再生混合料的横向渗透性远低于相同空隙率的普通热拌沥青混合料．

2.4 竖向渗透试验

在竖向渗透试验中,将乳化沥青冷再生混合料(空隙率10.4%)的渗透试验结果与普通密级配热拌沥青混合料(空隙率4%)、沥青碎石(空隙率11%)、不同空隙率大小的排水性沥青混合料(空隙率为17%,20%,23%,最大公称粒径均为13.2 mm)的渗透试验结果[8]进行比较,结果如表3所示．

表3 不同沥青混合料竖向渗透系数比较

乳化沥青冷再生混合料的竖向渗透系数为普通热拌沥青混凝土的1.33倍,但实际空隙率为后者的2.6倍．乳化沥青冷再生混合料的实际空隙率与沥青碎石接近,但竖向渗透系数却为后者的74%．而排水沥青混合料的竖向渗透系数均大于2×10-2cm/s,远高于乳化沥青冷再生混合料．因此,乳化沥青冷再生混合料在较高的空隙率下,却表现出了相对较低的透水性．

3 空隙特征

3.1CT扫描技术

本文利用X-ray CT扫描技术与图像处理技术,分析乳化沥青冷再生混合料的空隙特征．X-ray CT扫描技术是借助计算机再现工件内部结构的一种成像技术．在射线穿透物质过程中,其强度呈指数关系衰减,不同物质对射线的吸收系数不同,从而物质的密度可以通过射线的衰减系数而体现出来[9]．因此,根据CT成像技术的特点,利用图像处理技术可以将沥青混合料中的空隙分割出来.本文采用Compact-225型工业X-ray CT，乳化沥青冷再生混合料旋转压实成型试件的典型CT扫描断面图如图3(a)所示.采用OTSU的图像分割方法[10],将空隙从CT断面图中提取出来,如图3(b)所示．

(a) CT扫描断面图

(b) 空隙二值图

3.2 空隙尺寸分布

参考已有研究成果[11-13],本文利用图像处理技术,对试件内部的空隙进行统计分析,获得空隙尺寸以及空隙尺寸的分布状况．经过与室内实测空隙率的对比,验证了OTSU方法获得空隙体积的准确性．空隙的尺寸可以用等效直径来评价,本文对中粒式乳化沥青冷再生混合料CIR-20与普通密级配热拌沥青混合料AC-20的空隙在不同尺寸上的分布进行比较分析,统计结果如图4所示．

由图4可见,根据空隙尺寸的结果,CIR-20与AC-20的空隙CIR-20与AC-20的空隙率分别为10.4%和4%，平均等效直径分别为1.3和1.5 mm．虽然CIR-20的空隙率远大于AC-20,但是CIR-20的平均等效直径还略小于AC-20．CIR-20与AC-20的空隙分布在0.1～1.0 mm(小空隙)的比率分别为14%和7%,在4～10 mm(大空隙)的比例分别为8%和27%．可以看出,相比于AC-20,CIR-20的小空隙要偏多,大空隙偏少．CIR-20空隙最多分布在1～2 mm,而AC-20的空隙最多分布在2～3 mm．试件中小空隙偏多不利于空隙的连通,因此,与普通密级配热拌沥青混合料相比,乳化沥青冷再生混合料在空隙尺寸大小以及分布上的差异可能是造成其在较高空隙率下表现出相对较低透水性的原因之一．

图4 CIR-20与AC-20的空隙尺寸分布图

4 空隙形成

水和水泥的掺入可能会对乳化沥青冷再生混合料的内部空隙产生较大的影响．因此,将水和水泥作为影响因素,研究乳化沥青冷再生混合料的空隙率在养生过程中的变化规律,进而分析乳化沥青冷再生混合料的空隙形成．

4.1 养生过程中空隙率的变化

本文采用旋转压实方法成型了18个试件,平均分为2组,一组没有掺加水泥,另外一组掺加了1.5%的水泥,成型后测量试件的毛体积密度.然后按照常温下放置12 h,60 ℃通风烘箱中放置48 h,常温下放置24 h的顺序对试件进行养生,并在每个养生阶段结束后再次测量试件的毛体积密度.最后计算每个试件在每个阶段的空隙率．试验结果如表4所示．

从2组试件在养生过程中平均空隙率的变化可见,随着养生的进行,试件的平均空隙率呈增大的趋势,因为乳化沥青破乳的过程也就是水分蒸发的过程,随着水分的蒸发,试件内会留下许多小空隙,从而使整个试件的空隙率增大．在60 ℃鼓风烘箱养生48 h后,试件的平均空隙率迅速增大,在这一阶段,试件的水分蒸发较快,这从另一方面验证了水分的蒸发使得试件空隙率增大．另外,在养生后,水泥在水化过程中需要水,进一步减少了试件内部水分的含量,并且水泥在水化后体积收缩,从而形成了更多的空隙．

压实成型过程是主要的空隙形成阶段．所以,乳化沥青冷再生混合料的空隙由压实形成的空隙和养生形成的空隙构成．其中,养生形成的空隙与水分的蒸发和水泥用量有关,随着水分的蒸发和水泥的水化,乳化沥青冷再生混合料内部形成了许多养生空隙．

表4 养生过程中试件空隙率的测定结果

4.2 影响因素敏感性分析

为了分析水分的蒸发和水泥的掺入对乳化沥青冷再生混合料空隙率影响的敏感性,本文对以上试验结果进行有交互作用的双因素方差分析．因素为养生时间(4个水平)、水泥用量(2个水平),因变量为空隙率．分析在不同养生时间(成型结束后、常温12 h后、烘箱48 h后、常温24 h后)以及是否掺入水泥对乳化沥青冷再生混合料的空隙率形成的影响．双因素方差分析的结果如表5所示,置信水平为95%．

表5 双因素方差分析结果

由表5可以看出,养生时间对乳化沥青冷再生混合料空隙率的影响非常显著,这也间接说明水分的蒸发对空隙率有较大的影响,而水泥的掺入也对空隙率的形成有一定影响．养生时间与水泥的交互作用对空隙率的影响并不显著,说明养生时间和水泥用量2个因素对乳化沥青冷再生混合料的影响是相互独立和互不干扰的．

5 结论

1) 通过测定乳化沥青冷再生混合料的横向、竖向渗水系数发现,乳化沥青冷再生混合料在较高的空隙率下却具有相对较低的透水性．

2) 乳化沥青冷再生混合料的平均空隙尺寸略小于同级配的热拌沥青混合料,且乳化沥青冷再生混合料的大空隙偏少,而小空隙偏多．

3) 乳化沥青冷再生混合料的空隙由压实空隙和养生空隙形成,水分的蒸发和水泥用量对养生空隙的形成具有显著的影响,随着水分的蒸发和水泥的水化,乳化沥青冷再生混合料内部形成了许多养生空隙．

4) 乳化沥青冷再生混合料的空隙尺寸以及空隙尺寸分布特征可能是产生乳化沥青冷再生混合料的低透水性的原因之一,但需要从空隙连通的角度,综合考虑水泥水化等作用,利用更多的手段,进一步研究证实．

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Permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion

Gao Lei Ni Fujian Luo Hailong Yang Meikun

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The relationship between the permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion was studied. The hydraulic conductivity was used to evaluate the permeability and the CT(computed tomography) scanning was applied to find the characteristics of air voids. The effects of Portland cement and water were evaluated according to the change of air void content. The results show that the cold recycled mixture has a relatively low permeability under a relatively high air void content. The average air void size of cold recycled mixture is a little smaller than that of hot mix asphalt mixture, with less air voids in large size and more air voids in small size. The air voids of cold recycled mixture are developed during compaction and curing time. In the process of curing, the evaporation of water and hydration of cement affect the air void content significantly leading to the formation of more air voids. The size and distribution of air voids are important factors that contribute to the relatively low permeability of cold recycled mixture.

cold recycled mixtures; hydraulic conductivity; computed tomography scanning; air voids

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

2014-10-18. 作者简介: 高磊(1988—)，男，博士生；倪富健(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，nifujian@gmail.com.

国家自然科学基金资助项目(51178113)、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXZZ13_0113)、东南大学优秀博士学位论文培育基金资助项目.

高磊,倪富健,罗海龙,等.乳化沥青冷再生混合料的透水性与空隙特征[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):581-585.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

U414

A

1001-0505(2015)03-0581-05