级配对沥青混合料压实特性影响的细观分析

2018-04-24代璐，崔欣

筑路机械与施工机械化 2018年3期

代璐，崔欣

0 引言

沥青混合料压实是路面铺筑过程中一个重要环节，压实质量的好坏对路面使用性能以及服务期限有很大影响［1-4］。压实不足则无法达到路面铺筑的要求，使空隙率过大，沥青混合料的模量以及抗剪强度等力学性能下降，易产生早期病害［5-6］;压实过度则会出现压实白斑，同时导致空隙率变小，易发生泛油和车辙等病害［7］。影响沥青混合料压实特性的因素有很多，如级配、温度、沥青含量、集料特征以及压实方法等，其中温度以及沥青含量是与沥青胶结料有关的影响因素，而混合料中95%左右的材料为集料，级配、集料特征以及集料分布状态对混合料的力学性能影响甚大。

常见的混合料压实成型方法主要有马歇尔击实法、旋转压实成型、静压成型以及振动成型等方法，其中旋转压实成型与实际路面压实过程最为接近。利用旋转压实成型过程的密实曲线可以对混合料的压实特性做出评估，进而评估沥青路面摊铺碾压时的压实状态［8-10］。随着对沥青混合料材料特性的研究深入，从混合料的细观角度对其路用性能进行揭示逐渐成为研究热点［11-15］，越来越多的研究人员通过CT扫描这种无损检测技术对混合料的内部结构进行探索，对集料的分布状态以及混合料空隙率等体积指标进行研究，从细观角度揭示混合料的力学性能。本文立足于级配对混合料压实特性的影响，通过混合料集料之间的接触状态对沥青混合料的压实特性进行细观角度的分析。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

为了分析级配对沥青混合料压实特性的影响，选取不同最大公称粒径以及不同结构类型的沥青混合料，在其各自最佳沥青用量及成型温度下进行压实试验。本文采用的SBS改性沥青性能见表1，不同类型混合料的级配见表2。

表1 SBS改性沥青的性能

表2 不同类型混合料的级配组成

1.2 试验方案

为确保压实温度的一致性，通过黏温曲线确定压实温度，通过旋转压实成型试件分别确定各级配对应的最佳沥青用量。对 AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13、OGFC-13级配的沥青混合料在其最佳油石比条件下进行旋转压实，初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes以及最大压实次数Nmax分别为8、100、160次。

图1 密实曲线以及密实能量指数CEI

图2 密实斜率K1

图3 密实斜率K2

使用旋转压实仪成型试件，得到如图1所示的密实曲线，并基于该密实曲线提出密实能量指数CEI以及密实曲线斜率 K1、K2(图2、3)。CEI表示沥青混合料从初始压实次数经过旋转压实达到设计压实次数100次、目标空隙率达到4%时，混合料减小空隙体积所需要的能耗。CEI作为一种能量指数，反映了实际路面铺筑过程中沥青混合料从摊铺到压实到一定密实度时施工机械所做的功。CEI值越小，表明混合料的施工和易性越好。K1反映沥青混合料达到目标空隙率时的可压实速率，K1值越大，说明混合料的可压实速率越大。计算时横坐标取Nini～Ndes部分，并进行对数化处理，纵坐标为密实度比Gmm，对曲线进行线性拟合得到斜直线，其斜率即为K1，拟合的回归系数为0.99。K2表示沥青混合料从空隙率4%进一步密实到2%及以下过程中的压实速率。计算时横坐标取Ndes～Nmax部分，纵坐标为密实度比Gmm，对该段密实曲线进行线性拟合得到相应的斜直线，其斜率即为K2，拟合的回归系数为0.98。K2与混合料的抗车辙能力相关，K2值越小，说明抵抗车辙的能力越强。

2 级配对混合料压实特性的影响

2.1 最大公称粒径的影响

分别对AC-13、AC-16、AC-20级配的沥青混合料在各自的最佳油石比下进行旋转压实，成型试件后对其体积指标进行测试，并计算密实曲线相关参数，结果见表3。

表3 不同级配类型混合料的压实特性参数

由表3可知，CEI指数随着最大公称粒径的增大而增大，这说明在压实过程中，较大的公称粒径密级配沥青混合料达到目标空隙率需要更多的能量。公称粒径较大的沥青混合料多应用于中下面层，其CEI值较大，表明在施工时和易性较差，即在路面的中下面层摊铺碾压时，要给予更多的压实功。K1值随着最大公称粒径的增大而减小，表明在压实过程中可压实速率逐渐降低。在同样的压实速率下，混合料达到目标空隙率时，公称粒径较大的混合料需要的时间较短。对比各级配沥青混合料K2值可知，AC-20最大，AC-16次之，AC-13最小。这说明在达到目标空隙率、路面开放交通后，AC-13混合料更容易发生进一步密实，就抵抗混合料进一步密实而发生车辙现象的能力而言，公称粒径较大的AC-20抵抗能力较强。

2.2 混合料类型的影响

对AC-13、SMA-13、OGFC-13级配沥青混合料在各自的最佳油石比条件下进行旋转压实，成型试件后对其体积指标进行测试，并计算密实曲线相关参数，结果见表4。

表4 不同级配类型混合料的压实特性参数

对比表4中AC-13、SMA-13、OGFC-13三种不同级配类型的沥青混合料的压实特性可知，在压实阶段，OGFC-13的CEI值最大，SMA-13次之，AC-13最小，3种类型混合料的K1值大小顺序则反之。由此可见，间断开级配OGFC-13混合料的骨架效应对其压实特性影响显著，导致混合料压实达到目标空隙率时需要较大的能量，而其K1值最小，说明其可压实速率较小，混合料可压实性不如其他2种混合料好。由K2值的计算结果可以看出，AC-13的K2值最大，OGFC-13次之，SMA-13最小，这表明SMA-13混合料的抵抗车辙能力相对较强，而骨架效应较为显著的OGFC-13抵抗车辙能力并不是最好的。

3 CT技术的应用和图像处理

为了从细观角度理解混合料的压实特性，利用CT技术对旋转压实次数达到Ndes的试件进行扫描，结果如图4所示。CT扫描的精度为0.12 mm，这就意味对一个试件从上到下扫描完成后，经过三维重构可得到约800张左右如图5(a)所示的断面图像，在这种精度下基本可实现对试件的真实还原。CT扫描对象的物质密度越大，呈现的图像颜色越浅，因此图5(a)中颜色较浅的为集料，颜色较深的为沥青以及空隙。依据得到的图像对试件内部的集料接触状态进行观察和计算，从而建立与混合料压实特性的联系。

图4 CT扫描

图5 图像处理及计算

通过Matlab对扫描得到的图像先进行阈值处理，再进行二值化处理，处理完成后图中只有白色的集料以及黑色的空隙和胶结料。为方便观察、判断和计算，对二值化的图像进行渲染，同时为缩短计算机计算时长，将细集料(粒径小于2.36 mm)、沥青胶结料以及空隙进行消除，结果如图5(b)所示。下一步只关注如图5(c)所示图像中的粗集料间的接触。判断集料之间是否接触时，认为集料如果发生接触，则集料之间的距离只能是集料表面裹敷的沥青胶结料的厚度，根据相关研究已知沥青膜厚度一般在200μm左右，反映在断层图像中就是一个集料边缘周围4伊4像素内有另一个集料边缘存在，如果存在，则判定该两颗集料发生接触。由于在图像处理时存在误差，所以判定集料发生接触的同时要判断这2个集料的大小，只要其中有一个集料的像素值小于20则认为接触无效，如此可对图像处理过程中细集料的消除状态进行校正。对于判定接触有效的2个集料则输出接触点坐标并记下接触1次。通过编程使得程序自动对每一张图像内所有集料的接触状态进行判断和计算，对其所有的断层图像计算后求和得到接触点数n。

4 接触点数对压实特性的影响

对 AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13、OGFC-13 五种不同级配组成的沥青混合料旋转压实试件进行CT扫描，得到每个试件的一系列图像之后，按照图像对应试件上的位置编号，将试件均分为上、中、下3个部分，同时通过Matlab软件分别计算试件上、中、下3个部分粗集料的接触点数以及总数，结果如表5所示。

表5 试件接触点统计结果

通过表5可以看出，沥青混合料经过旋转压实后，上、中、下3个部分的接触点数相差甚大，上部接触点数总是比其他2个部位多，这是由于上部集料更接近于完全压实。通过总接触点数来看，对于同类型不同最大公称粒径的沥青混合料而言，AC-20混合料的接触点数最多，AC-16次之，AC-13最少;对于不同级配类型的混合料而言，OGFC-13混合料的接触点数最多，SMA-13次之，AC-13最少。这说明，对于不同最大公称粒径的同类型沥青混合料，AC-20混合料更容易形成较有效的接触，这些有效接触就是混合料内部集料受力传递的结点，也是混合料力学强度形成的基础。对于不同类型的混合料而言，骨架结构的间断开级配混合料OGFC-13相对其他2种混合料更容易形成较好的接触。

结合表3、4，对混合料的压实特性与集料的接触点统计数据进行关联可知，混合料的压实是宏观体积缩小的过程，在这个过程中，集料之间的空隙不断减小，集料颗粒之间形成的接触越来越多，混合料变得越来越难以压实，达到一定的密实度后，混合料形成一定的力学强度。在压实的过程中，级配组成不同导致混合料集料之间的接触状态存在差异，因此各类混合料的可压实性能表现不同，混合料克服集料之间的接触而不断密实需要的压实功也不一样。

根据表3和表5，从细观角度分析不同最大公称粒径混合料的压实特性可知，AC-20的接触点数在三者(AC-13、AC-16、AC-20)之中最多，而其密实能量指数CEI值也是最大，K1、K2值最小。如此可见，AC-20混合料的集料间容易形成较多接触，因此混合料压实到一定密实度后集料之间接触点数量较多，想要进一步压实到目标空隙率则变得比较困难，这就表现为K1值较小，混合料的可压实速率较小。同样，AC-20混合料要达到目标空隙率也需要更多的压实功，因此CEI值较大。但是，当路面铺筑完成开放交通后，AC-20会因为其接触点数量较多而具有较好的“嵌锁效应”，抗车辙变形的能力略胜于其他2种混合料，所以其对应的K2值较小。

根据表4、5，对不同类型的沥青混合料进行压实特性的微观分析可知，在3种不同类型(AC-13、SMA-13、OGFC-13)的混合料中，OGFC-13混合料的接触点数量较多，其密实能量指数CEI最大，K1、K2值最小。这表明3种不同类型的沥青混合料中，OGFC-13的接触效应比SMA-13要好，而两者都强于AC-13。OGFC-13混合料的可压实速率相对最小，混合料压实需要较大的压实功，在开放交通后，OGFC-13的抗车辙能力相对较好。同时，注意到SMA-13的K2值与OGFC-13相差并不大，可知SMA-13的抗车辙能力与OGFC-13相近。