考虑级配离析情况下燃烧炉法测定沥青含量的研究

吴文亮， 赵 超， 田恒辽， 李 智

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)



考虑级配离析情况下燃烧炉法测定沥青含量的研究

吴文亮， 赵 超， 田恒辽， 李 智

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

沥青混合料中的沥青含量直接影响沥青混凝土路面的施工质量，准确、快速的测定沥青路面的沥青用量可以为施工控制提供科学准确的数据，从而提高沥青路面的施工质量。从燃烧炉法测沥青含量试验结果的误差角度出发，对现有的标定过程提出改进，并考虑取样试验时的级配离析情况对燃烧炉法测定沥青含量的影响，建立油石比偏差与关键筛孔及分形维数的相关关系，研究结果表明：考虑级配离析对测定沥青含量的影响是有必要的，同时可以通过关键筛孔及分形维数来对级配离析引起的油石比偏差进行修正。

燃烧炉法； 沥青含量； 级配离析； 油石比偏差； 关键筛孔； 分形维数

1 概述

沥青用量是评价沥青路面施工质量的重要指标，适宜的沥青用量是形成沥青混合料力学强度及避免沥青路面快速老化的重要条件。在沥青路面施工质量评价体系与科学的沥青路面施工支付体系中沥青用量指标占有很大比重。如何准确、快速的测定沥青路面的沥青用量至关重要。

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-20011[1]中测定沥青含量的方法有：离心式分离法、燃烧法、射线法。离心式分离法溶剂较贵，且对人体有害，矿粉易流失，测试精度不高。射线法测定结果受环境影响很大，且标定程序较复杂。燃烧法测定沥青混合料含量的优点为测试精度高[2]、较为经济、无溶剂污染、无辐射等，因此国内外沥青含量试验普遍采用的检测方法为燃烧法[3，4]。

目前燃烧法测定沥青含量的也存在一些问题。燃烧法显示结果的误差主要有温度误差及矿料损失误差，因此需要标定过程。目前规范中的标定过程受沥青混合料制拌过程中沥青的损失等的影响，标定结果不够准确。试验检测过程存在现场取料及燃烧取料时级配离析的影响，在沥青混合料取样时，若细集料偏多，则检测沥青含量数据会偏高，若粗集料偏多，则测定沥青含量数据偏小[5]。本文将通过试验寻找更合理的燃烧法标定过程，同时分别建立关键筛孔和分形维数与试验结果的相关关系，从而进行考虑离析情况下燃烧法测定沥青含量的研究。

2 燃烧炉法标定方法研究

燃烧炉法测沥青含量的原理：通过在燃烧炉的高温环境(538 ℃)下沥青混合料中的沥青燃烧，直至连续3 min试样质量每分钟损失率小于0.01%，燃烧炉自动停止，燃烧炉自带的称量系统将测得燃烧过程质量的损失，从而计算沥青含量。燃烧法显示的质量损失除了燃烧掉的沥青外，还包括： ①燃烧后538 ℃的高温下测得的物体质量的损失，这是因为同一物体在温度变化时测得重量是不同的； ②在高温环境下集料含有的有机物燃烧掉引起的质量损失。其中由于高温下测得的物体质量损失燃烧炉可以通过温度及称量系统测得，显示温度补偿。故标定过程为测矿物燃烧损失。

2003年毛菊良等研究了燃烧法测沥青含量标定过程，建立了显示油石比与真实油石比的线性相关关系，从而降低了搅拌过程沥青损失[6]。本文将研究两种新的燃烧法标定方法： ①仅燃烧矿料； ②在底盘上拌合沥青与矿料，再分装到试样篮。这2种方法直接避免了搅拌过程中沥青的损失。

2.1 燃烧法选用的试验设备及材料

试验设备包括：燃烧炉(NCAT Asphalt Content Tester)、试样篮、刮刀等。

本次研究采用AC-16沥青混合料作为研究对象，集料选用的是玄武岩，填料矿粉为石灰岩。沥青采用SBS(I-D)(PG76-22)改性沥青。经检验所用材料均符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中的要求。油石比为4.9，矿料级配情况见表1。

2.2 2种标定方法的对比

2.2.1 仅燃烧矿料

称取筛分好的矿料2 000 g置于试样篮中，将其直接放到燃烧炉中燃烧。燃烧结果见表2。

2.2.2 加入沥青并在底盘搅拌

在盛有热矿料的底盘上直接倒油石比为4.9%的热沥青，并迅速用铲刀做适当搅拌，然后分剩到试样篮里，最后连同铲刀与底盘一起放到燃烧炉中燃烧，这样整个过程就没有沥青损失。搅拌后的混合料图如图1所示。

表1 AC-16沥青混合料矿料级配Table1 AC-16bituminousmixtureaggregategradation筛孔/mm通过率/%筛孔/mm通过率/%161001.1835.013.291.00.627.09.580.00.318.04.7563.00.1514.02.3649.00.0758.0

表2 仅燃烧矿料质量损失Table2 Thequalitylossonlyburningthemineralaggregate序号燃烧前重/g显示损失/g温度补偿/%矿物损失率/%矿物损失平均值/%12000.04.40.130.0921999.04.60.130.100.10

图1 在底盘上搅拌后的沥青与矿料Figure 1 The asphalt and mineral aggregate mixed on base plate

由于在室温下搅拌，搅拌效果一般，但也相对均匀。燃烧结果见表3。

表3 加入沥青并搅拌后燃烧的矿料质量损失Table3 Thequalitylossofmineralaggregateaddedasphaltandmixed序号燃烧前重a/g沥青重b/g显示损失c/g温度补偿t/%矿物损失率q/%矿物损失率平均值11999.599.5106.90.130.2322000.099.0104.90.110.210.22

在试验中观察，仅燃烧矿料的试验中燃烧炉的温度始终保持在538 ℃。而加入沥青并搅拌的燃烧试验中，由于沥青的燃烧会造成燃烧炉内温度的升高，将使矿料中有机物更充分的燃烧。所以推荐使用加入沥青并在底盘搅拌的方法来标定燃烧法测沥青含量。最后，选定此种混合料的矿料损失误差修正值为0.22%。

3 燃烧法测沥青含量试验

拌合10 kg的上述级配及油石比的沥青混合料，拌合试样前，先用高于目标油石比0.5%的油石比拌制一份混合料以达到洗锅的目的。拌合好后每次称取2 000 g左右试样进行燃烧试验，同时将剩余混合料置于150 ℃烘箱内保温。在取样进行燃烧试验时，部分燃烧试验刻意多取粗集料，部分燃烧试验刻意多取细集料，已达到模拟级配离析的效果。燃烧法测得的油石比见表4。

表4 燃烧炉法测得的油石比Table4 Theasphalt-aggregateratiomeasuredbycombustionfurnacemethod序号混合料重a1/g显示损失c/g显示沥青用量/%温度补偿t/%燃烧后矿物重m/g计算沥青用量b1/g计算油石比P/%油石比偏差P*/%12000108.55.430.111893102.135.380.4822000103.65.180.151895.596.425.070.1732001964.80.131903.589.24.67-0.2342001105.35.260.151898.598.115.160.265200098.64.930.11906.592.404.84-0.06

表4中各参数的关系如下：

b1=c-t×a1-m×(1+0.002 2)×0.002 2；

P*=P-4.9。

这就是标定的过程，其中P*就是级配离析引起的油石比误差。将燃烧后的矿料再经水洗和筛分，得到燃烧后的矿料级配，燃烧后的矿料级配结果见表5。

表5 燃烧后的矿料级配Table5 Themineralaggregategradationafterthemixburned序号通过下列尺寸(mm)的百分率/%1613.29.64.752.36110094.885.067.753.1210091.681.565.150.5310090.172.956.944.8410092.384.266.251.1510089.075.657.446.9通过下列尺寸(mm)的百分率/%1.180.60.30.150.07537.329.921.717.011.735.728.520.615.910.831.926.018.814.29.735.828.520.215.39.733.326.819.414.810.1

4 建立油石比偏差与关键筛孔之间的相关

关系

用最小二乘法分别建立4.75、2.36、1.18 mm共3个筛孔的通过率与油石比偏差之间的相关关系(见图2)。

① 油石比偏差—4.75 mm筛孔通过率回归方程：y=0.051 54x-3.106 1(r2=0.898 04)；

② 油石比偏差—2.36 mm筛孔通过率回归方程：y=0.082 09x-3.922 9(r2=0.979 34)；

③ 油石比偏差—1.18 mm筛孔通过率回归方程：y=0.126 1x-4.266 2(r2=0.975 37)。

从3个回归方程的相关系数来看，油石比偏差与2.36 mm筛孔通过率的相关系数最大，4.75、2.36，1.18 mm筛孔通过率与油石比偏差拟合曲线分别见图2(a，b，c)。因此宜选择2.36 mm筛孔作为关键筛孔来考虑级配离析引起的油石比偏差。

图2 油石比偏差—关键筛孔通过率Figure 2 Asphalt-aggregate ratio error—The through rate of key sieve

5 建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系

分形理论是定量描述几何形体复杂程度及空间填充能力的一门新兴边缘科学。对于材料学中常出现的粗糙不光滑、凸凹不圆润、破碎不连续的无序系统等传统欧式几何无法准确描述的现象或本质，具有极大的优越性。它的两个基本特性是自相似性和分形维数，分形维数简称为分维，其变化是连续的，它定量描述了分形结构自相似程度、不规则程度或破碎程度。

5.1 集料分形维数的计算

集料生产过程中岩石破碎的物理过程十分复杂，呈现一定的随机性和不规则性，但其尺度具有不变性。不论是大的岩石破碎成小的岩石，还是小的岩石破碎成更小的岩石，其动力学机制是一样的，颗粒粒径的分布是分形的，可用分形维数度量[7]。

连续集料粒径质量分形特征函数P(r)[8，9]：

式中：rmin为最小粒径尺寸；D为连续集料粒径质量分布分形维数；r为集料中某种颗粒的筛孔尺寸；rmax为最大粒径尺寸。

分形维数D的计算方法[10]为：在lg(r/rmax)和lg(P(r))的双对数坐标图上，利用最小二乘法对级配曲线进行最佳曲线拟合，求得斜率λ，再利用3-D=λ，求得沥青混合料集料粒径分布的分形维数维D。用最小二乘法算得的各筛分级配的分形维数见表6。

表6 矿料级配的分形维数Table6 Thefractaldimensionofmineralaggregategradation序号参数λD10.3962.60420.4062.59430.4182.58240.4042.59650.4102.590

5.2 建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系

用最小二乘法建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系。

油石比偏差—分形维数回归方程：

y=0.051 54x-3.106 1(r2=0.988 15)。

从相关系数及拟合曲线(见图3)可以看出：油石比偏差与分形维数之间的相关关系也比较好。

图3 油石比偏差—分形维数Figure 3 Asphalt-aggregate ratio error—fractal dimension

6 考虑级配离析情况下燃烧炉测沥青含量的应用

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTG E20-2011 中T0735-2011燃烧炉法试验，允许2.36 mm筛孔通过率出现±5%。然而从油石比偏差—2.36筛孔通过率相关关系图(见图2)中可以看出当2.36 mm筛孔通过率超过5%的误差时所测得的油石比误差的约为0.4。可见级配离析产生的油石比误差是比较大的。因此，用燃烧法测沥青含量时，考虑级配离析对沥青含量的影响是非常有必要的。

从前面建立的回归方程及其相关系数显示，油石比偏差与关键筛孔通过率及分形维数的相关性较好，因此用关键筛孔通过率或分形维数来考虑级配离析油石比误差是可行的。

考虑级配离析情况下燃烧炉法测沥青含量的应用： ①先进行标定试验，检测矿料在燃烧炉里的损失率； ②配置10 kg以上的目标油石比的混合料，至少做5组燃烧试验，然后分别建立油石比偏差与关键筛孔及分形维数的相关关系，选出相关系数最好的回归方程； ③取路面混合料进行燃烧试验，检测路面沥青混合料的沥青含量，并用①中得到的损失率对显示沥青含量进行修正，最后根据水洗筛分情况及②中建立的回归方程，对油石比进行级配离析修正。经2次修正后的油石比结果能较准确的反映路面沥青混合料真实的沥青用量情况，从而为控制沥青路面施工质量提供依据，进而提高沥青路面施工质量。

7 结论

本文的研究旨在提高燃烧炉法测沥青含量的准确性。从两个方面对现有燃烧炉法测沥青含量进行了修正：

① 分析了燃烧炉法测沥青含量的误差来源，在标定计算过程中分别对高温误差及集料燃烧损失误差来源进行修正，并改进试验避免了原标定过程中沥青的搅拌损失。

② 考虑级配离析对燃烧炉测沥青含量的影响。采用关键筛孔通过率及分形维数来对级配离析引起的油石比偏差进行修正。

最后，本文提出了考虑级配离析情况下燃烧炉法测沥青含量的应用方法。通过考虑级配离析对燃烧炉测沥青含量的影响将提高燃烧炉法测量沥青含量的准确性，从而为沥青路面施工质量评价体系及科学的支付方式提供有力的支撑。

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Study on Combustion Furnace Method to Test Asphalt Content Considering The Aggregate Segregation

WU Wen-liang， ZHAO Chao， TIAN Heng-liao， LI Zhi

(School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510640， China)

The asphalt content in asphalt mixture directly affect the quality of asphalt concrete pavement construction.Testing asphalt content in asphalt pavement accurately and rapidly can provide scientific and accurate data for construction control，so as to improve the quality of the asphalt pavement construction.From the experimental error of combustion furnace method to test asphalt content，the article improved the existing calibration process，considered how the gradation segregation which occurred in taking samples effected the result of combustion furnace method ，and respectively established correlations among asphalt-aggregate ratio，key sieve and fractal dimension.The results show that it is necessary to considering the influence of gradation segregation when testing asphalt content，and it is useful to correct the asphalt-aggregate ratio error which was caused by gradation segregation through key sieve and fractal dimension.

combustion furnace method； asphalt content； gradation segregation； asphalt-aggregate ratio error； key sieve； fractal dimension

2016 — 03 — 14

广东省交通运输厅科技项目(2012-01-001)

吴文亮(1981 — )，男，黑龙江鸡西人,副教授，博士，主要从事沥青路面研究。E-mail：ctwlwu@scut.edu.cn.

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0092 — 05