沥青混合料沥青含量确定技术的发展

熊春龙,李伟雄,,黄志勇,聂 文,虞将苗

1. 广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司,广东 广州 510640 2. 华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640

0 引言

2017年底，全国公路总里程达到477.35万km，高速公路通车里程为13.65万km，未来5年，中国高速公路通车总里程将达到15万km[1]。高速公路大部分为沥青路面，随着人们对路面舒适性的追求越来越高，未来新建以及大规模的改扩建公路路面结构类型的首选也都将是沥青路面。

沥青含量是沥青混合料生产和施工质量控制的重要指标，关系到沥青路面施工和易性、均匀性和路用性能，同时也是养护工程中沥青路面旧路路用性能的重要技术表征。快速、准确地获取混合料或路面沥青含量信息，能够有效分析沥青路面混合料的生产质量，进行事前质量控制[2]。对于旧路而言，获取路面结构材料中的沥青含量信息，能够有效评价旧路性能及材料衰减状况，有利于采取合适养护措施和方案，对路面进行保质[3]。

沥青含量确定技术是识别、区分沥青混合料中沥青与集料质量比例，进而确定沥青混合料中沥青用量的技术方法。本文重点介绍沥青含量确定的主流技术及近年来的新技术，对各种技术的优劣性进行比较，指出未来沥青含量确定技术的研究思路，以期进一步提高沥青含量确定技术和路面质量控制水平。

1 沥青含量确定技术的发展历史

沥青含量的确定技术发展大致可分为三类，第一类的代表方法为溶剂萃取法，其对应的最新标准为StandardMethod of Test for Quantitative Extraction of Asphalt Binder from Hot Mix Asphalt AASHTO T 164 -13[4].该方法最大的特点是需要使用化学溶剂,且有效的溶剂基本上都具有较大的环境危害性.1996年美国开始禁止氯化物溶剂的使用,测定沥青含量的试验方法受影响较大.为此,新型的生物分解溶剂被研发和使用,但其试验时间长,且相对于以往使用的溶剂测量精确度不高,试验产生的残液陷入难以处理的窘境[5-6].

由于萃取技术的种种缺陷和环保需求,第二类沥青含量确定技术开始被研究和推广应用,其代表方法是燃烧炉法,对应的最新标准是Standard Method of Test for Determining the Asphalt Binder Content of Hot Mix Asphalt by the Ignition Method AASHTO T 308-10[7]和ASTM D6307-10 Standard Test Method for Asphalt Content of Hot-Mix Asphalt by Ignition Method ASTM D 6307-10[8].从20世纪90年代初期开始,美国沥青技术国际研究中心(NCAT )就已开始尝试采用燃烧炉法来确定沥青混合料中沥青的含量.E. R. Brown 教授在1995年初步确定了燃烧试验的温度大约在500 ℃;次年,对燃烧法确定沥青含量技术试验结果的稳定性进行了充分论证[9-10].中国早期多采用溶剂萃取法(抽提法)来确定沥青混合料中沥青的含量.1998年,辽宁省购置1台EL 45-3790型燃烧炉,并应用于沈山高速公路沥青路面施工质量和混合料生产质量的控制方面,效果良好.近年来,随着中国技术水平的不断提升,经济实惠型国产品牌燃烧炉研制成功,在一定程度上促使了燃烧炉法在沥青路面施工中的推广应用[11-12].

第三类沥青含量确定技术的代表方法是沥青含量核子仪法,其对应的标准是Standard Method of Test for Asphalt Binder Content of Asphalt Mixtures by the Nuclear Method AASHTO T 287-06[13]和Standard Test Methods for Asphalt Content of Bituminous Mixtures by the Nuclear Method ASTM D4125 -10[14].较为知名的生产商有美国CPN公司和Troxler公司.中国1983年研制成功第一台表面核子土基密度仪,随后十多年时间内,陆续研制成功各型号核子沥青含量测定仪,其中以湖南省交通科学研究院的RMT5121和RMT51131型核子沥青含量测定仪为代表[15].近年来,由于不同核子沥青含量测定仪复现性差,以及结果受环境影响大等技术原因,第三类方法的应用不太被认可,此外核子辐射危害论也进一步限制了该类方法的推广.

从沥青含量确定方法的应用历史来看,方便、快捷、精度高的特点以及技术国产化带来的经济优势,已经使得以燃烧炉法为代表的第二类沥青含量确定技术获得普遍推广,成为目前学术研究、工程应用的主流方法,在部分省份甚至已经成为实验室的标准配置方法.

2 主要方法及其优劣性比较

2.1 国内规范沥青含量确定的主要方法

中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中明确的3种沥青混合料沥青含量(油石比)的检测方法包括射线法、离心分离法及燃烧炉法[18].

2.1.1 射线法

射线法测定沥青混合料沥青含量的方法,依据Standard Test Methods for Asphalt Content of Bituminous Mixtures by the Nuclear Method ASTM D4125-10,由放射源向沥青混合料试件发射高能中子,当高能中子以某一已知速度与沥青混合料中的氢原子发生碰撞后,高能中子的速度将发生衰减,并由中子探测装置探测到其速度,由此得知高能中子的速度衰减程度[16-17].可以将高能中子的衰减程度称为"射线参数".当沥青含量不同时,高能中子与沥青氢原子碰撞的频率不同,沥青含量越大,高能中子碰撞频率越高,速度衰减越大,由此可以建立不同沥青含量与射线参数之间的标准曲线.对实际取样沥青混合料进行射线参数的测量;通过标准射线参数曲线计算沥青混合料沥青含量.射线法测量沥青含量较为典型的是沥青含量核子仪,如图1所示.

2.1.2 离心分离法

离心分离法的原理是将沥青混合料用四氧化碳以及三氯乙烯等溶剂浸泡,待沥青混合料中沥青材料被充分溶解后,利用离心力将混合料中的沥青分离出来,通过初步的离心分离,混合料中的矿料和沥青发生分离,但得到的沥青分离液中不可避免地含有矿粉,为了进一步精确测定沥青含量,规范方法提出通过压力过滤器或燃烧法测定沥青分离液中矿粉的质量,实现精确测定混合料沥青含量[18].图2为沥青混合料沥青离心分离器.

图1 沥青含量核子仪

图2 沥青离心式分离器

2.1.3 燃烧炉法

燃烧炉法的基本原理是将热拌沥青混合料试样放入高温炉内,使沥青混合料中的沥青完全被燃烧,测定沥青混合料在燃烧前后的质量差,即混合料中的沥青含量.矿料级配可对燃烧后矿料进行筛分得出[19].图3为燃烧炉,图4为燃烧后的沥青混合料.

燃烧炉分为对流式和直接辐射式.对流式燃烧炉的温度最高可达538 ℃±5 ℃的稳定高温.直接辐射式燃烧炉具有一般燃烧模式、低温燃烧模式和强烧模式.一般燃含量增加而减少.将一定数量的沥青混合料试样加入一定体积的苯,当沥青溶于苯后,取溶液测光电压,与沥青含量-光电压标准曲线比较,确定出沥青混合料的油石比.图5为光电比色原理.烧模式适用于大部分沥青混合料,低温模式适用于质量损失较大的软颗粒混合料,强烧模式适用于燃烧不够充分的混合料.

图3 燃烧炉

图4 燃烧后的沥青混合料

燃烧炉称量装置分内置和外置天平,以内置天平为主.外置天平模式在燃烧过程中无法获知燃烧质量损失率,难以判断燃烧到质量恒定的时间,因此需要重复多次燃烧、冷却、称量的过程,无法自动记录试验过程质量变化,完全靠人工控制并计算试验结果.因此,对于大规模施工过程中的质量控制,宜采用内置天平模式燃烧炉.

2.2 其他沥青含量确定方法

2.2.1 光电比色计法

依据"Lambert-Beer"定律,对不同沥青含量、相同厚度的苯溶液用同一光源照射,将透过的光分别照射到同一光电池上,对应产生不同数值的光电压,其值随沥青含量增加而减少。将一定数量的沥青混合料试样加入一定体积的苯，当沥青溶于苯后，取溶液测光电压，与沥青含量-光电压标准曲线比较，确定出沥青混合料的油石比。图5为光电比色原理。

图5 光电比色原理

2.2.2 C C D数字图像法

近年来,随着计算机和图像处理技术的飞速发展,出现了利用数字图像处理技术确定油石比的方法.其基本原理是,根据灰度图像中沥青和集料灰度值分布范围的不同,分别以沥青的灰度值范围和集料的灰度值范围对灰度图像中的沥青和集料进行区分,并分别提取灰度图像中沥青的像素数目和集料的像素数目,达到识别沥青混合料沥青、集料比例的目的[20-21].一般情况下,高清图像的采集需要借助高清CCD相机,因此此类方法称为"CCD法".图6为典型的沥青混合料取芯剖面的CCD图像.图7为图6的灰度直方图.

图6 典型沥青混合料取芯剖面的CCD图像

图7 CCD图像直方图

从图7可以看出,灰度图像直方图中存在明显的2个峰,分别代表沥青混合料中沥青和集料的灰度值分布域.两峰均近似服从正太分布,可用正态函数分别近似拟合2个峰的外轮廓曲线,以2条曲线交叉点灰度值作为沥青与集料灰度值范围的分界值,以2条曲线与横坐标的交点灰度值分别作为沥青和集料的灰度值范围边界.根据灰度分布范围从整个沥青混合料的断面图像中分别分离出沥青和集料的像素点,从而可区分沥青和集料,并确定混合料的沥青含量[22-23].

2.2.3 X-r a y C T数字图像法

基于X-ray CT数字图像的沥青含量确定方法是数字图像处理技术的另一个研究方向.此法相对于CCD数字图像法的区别在于:该方法采取无损方式获取试件不同高度位置的断面图像,通过不同高度位置图像的组合,重构沥青混合料内部集料、沥青及空气的三维组合结构,并可直接求算沥青和集料的体积比例[24-25].图8为沥青混合料试件一定高度断面的CT扫描图像.图9为根据不同高度位置的CT扫描断面图像中沥青、集料、孔隙的面积比例重构的集料的三维分布结构.

2.3沥青含量确定方法的优劣性比较

射线法操作简单、方便快捷,耗时短,设备价格昂贵;不能确定混合料的级配,测定结果受沥青来源、集料类型、试件大小、级配和人为误差等多种因素影响,不同仪器之间的重现性很差,无法获取级配信息;中子源辐射对人体健康具有一定的危害性.

离心分离法的分离溶剂价格较贵,一般为三氯乙烯,具有毒性和挥发性,使用后难以处理且不安全;使用新型生物分解型溶剂的试验时间较长,且比三氯乙烯类溶剂试验的精确度低;每次试验均需要使用溶剂,试验成本较高;矿粉的质量损失易造成沥青含量结果的较大误差,额外分离需要的时间和成本较多;能够获得级配信息[26].

光电比色计法方便、快捷、耗时少,但试验精度较差,且样品的代表性不足;无法获取级配信息;和离心分离法一样也需要使用具有毒性的溶剂.

燃烧炉法快捷、简单且精度较高,数据可直接自动打印,能够得到混合料矿料级配;但设备价格贵,耗电量大,每次试验成本较高;高温下碎石中的有机物损失部分易被当成是沥青质量,造成误差.

图8 沥青混合料取芯断面的CT扫描图像

图9 沥青混合料中粗集料三维重构成像

数字图像法包括CCD高清摄像法和X-ray CT断面扫描法,具有易操作、耗时短的特点,能确定大部分集料的粒径及其比例,但小于2.36 mm的集料识别难度较大,碎石颜色过深(接近沥青材料颜色)时,会干扰沥青、集料的区分[27].测定结果受试件成型的均匀性及混合料的离析程度影响较大,采集剖面位置不同时,沥青与集料比例关系变异可能很大;因此采集断面数量越多,测定结果越可靠.CCD法还受采集角度、外部光线的影响,试件成型过程中的软弱碎石、针片状碎石折断也会导致结果的差异.X-ray CT断面扫描法操作难度相对较大,往往需要专门培训,辐射危害较大,设备成本和试验成本昂贵,但X-ray CT断面扫描法对断面信息的采集能力更高,避免了集料切割对碎石形状、粒径等信息的干扰,测量精度相对较高.需要说明的是,X-ray CT采集图像过程出现的中间暗淡周边较亮误差,可通过改进后的OTSU图像识别技术进行消除[28].数字图像技术克服了传统检测中耗时长、污染大、主观性强、误差大等缺陷,一定程度上提高了测量分析的精度和效率,能及时地对沥青混合料的配合比作出准确的评价,用于事前指导生产,避免事后控制.基于数字图像技术的沥青用量确定技术是一种极具应用前景的技术,符合未来智慧公路建设的大思路[29].

对沥青含量确定技术进行汇总,如表1所示.燃烧炉法和CCD法的应用价值最大.燃烧炉法已成为目前中国沥青路面施工混合料质量控制的主流手段,相关标准也早已与国际接轨;但燃烧炉法仍未完全满足实际需求,难以实现事前控制[30-31].常用沥青拌合楼拌合一锅料的时间通常为1 min,要求供料的沥青拌合站与施工现场的距离不超过20 km,现场摊铺速度一般为2 m.min-1,加上运输、摊铺时间,每锅料从开始拌合到摊铺现场的时间不会超过1.5 h,而燃烧炉法的试验耗时为1～2 h,得到试验结果时,取样混合料早已摊铺碾压,不利于工程质量和成本的控制.如果采取现场取料方式,则混合料摊铺至现场的时间更短,试验结果的滞后性更加明显.

数字图像法为沥青和集料的识别和区分提供了一种全新的思路,特点鲜明:数据处理速度快、处理能力强.X-ray CT断面扫描法最明显的特点是设备和测量成本十分昂贵,相当一段时间内仍无法直接指导大面积现场施工.CCD法高清摄像具有成本相对低、设备便携、测定时间短、精度高和危害性小等特点,指导大面积施工具有较大优势,但对于粒径较小的集料难以识别,对集料级配的检验能力不如燃烧炉等方法.有学者利用图像法进一步开展了混合料骨架密实程度判定的研究,是图像法在级配识别方面的补充[32].未来可能出现智能手机高清摄像取代CCD法摄像的场景,是便携、快速化、实时化、全过程沥青含量确定技术的发展方向.

3 沥青含量测定的误差及修正

近年来,沥青含量的确定技术发展,特别是试验方法和设备的发展并没有较大的突破,主流的燃烧炉法已使用近30年时间.该方法在实际使用过程中的准确性往往被高估,试验取样的均匀性、代表性、拌合楼计量等方面问题往往会造成结果的变异较大.

表2为广东省粤北某在建高速公路不同取样位置沥青混合料燃烧筛分结果,可见出现严重两极化.沥青含量测定结果的误差及修正研究已成为共识.沥青含量测定的误差主要来源于试验误差和级配误差,即沥青混合料样品中沥青含量与实际沥青用量的误差,它与混合料级配离析有关[33].

表1 沥青含量确定方法汇总

表2 沥青混合料燃烧筛分结果

3.1 试验误差

射线法和光电比色计法的误差主要来源于标准曲线误差.实际测量时环境条件、设备型号、操作手法、混合料的拌合方式、温度、密实程度等均与标定时存在差异,导致测量结果代入标准曲线后得到的沥青含量结果偏离实际[34].标准曲线的多次重复标定,是解决射线法误差的有效方法.

离心分离法的最大误差来源为沥青溶解液中的矿粉残余量.泄漏矿粉量不易检测,虽已明确泄漏矿粉量的标定,但每次试验泄漏矿粉量受级配、操作等影响大,滤纸、离心机旋转速度、溶剂数量、清洗遍数、矿粉多少和粗细、离心机密封性、操作、称量、中间环节容器置换等也会导致结果偏差.

燃烧炉法精度较高,试验误差主要是燃烧不充分导致损失过小及过度燃烧使部分碎石有机物损失.这些量应该被修正.

数字图像法的误差主要是产生于试验设备、试验环境、计算方法等,系统误差和随机误差必然存在.识别和分类算法是产生系统误差的重要原因,包括:沥青与集料的灰度值假想分布函数和计算结果与实际灰度分布不一致;沥青与集料的密度取值方式导致沥青、集料质量比例值差异;混合料试件断面选择的代表性差[35].随机误差包括图像噪声干扰、外界光线干扰等.值得说明的是,试验误差均可以通过选择合适的标定方法、试验参数来尽量减少甚至完全消除.在选定试验方法时,已经基本决定结果的可靠性和精确性,不是误差分析和修正的重点.

3.2 级配误差

沥青混合料的级配离析不可避免,高温下少量裹附在石头表面的沥青会跟随粗集料迁移,但大部分沥青因黏度较小难以跟随粗集料迁移,而会与细集料聚集在一起,因此粗、细集料集中程度不一的混合料,其沥青含量不同.鉴于此,测定的沥青含量与标准沥青用量不同时,并不能说明混合料生产过程中沥青含量的控制一定存在问题,但很明显这样的测定结果也不能用来表征混合料中实际沥青含量的多少,无法指导施工.

规范认为沥青含量测定结果准确几乎来自于混合料取样的均匀性好和具有代表性,但实际上很难避免混合料在各种环节的离析.工程实际也表明,实验室沥青含量的测定结果变化较大,与实际沥青用量的吻合性也较差.级配误差修正是沥青含量确定技术误差修正的关键.陈飚等提出增大取样数量来减少级配误差的方法[36].增大取样数量的方法同样能够适用于消除数字图像法样品误差,断面数量越多,越能减小因试件竖向离析导致的沥青、集料比例误差.陈启宗从间歇式拌合楼的混合料生产稳定性方面入手,发现4.75 mm以下细骨料级配是导致混合料油石比波动的原因,提出依靠级配来控制拌合楼生产稳定性的方法[37].吴文亮等人提出依靠单个筛孔通过率和分形维数指标与沥青含量的相关关系模型来对沥青含量测定结果进行修正的方法[38-39].研究混合料级配与沥青用量的关系并建立基于级配变异特征的沥青含量修正方法,是未来修正沥青含量测定结果误差的发展方向.

4 结语

本文对沥青混合料沥青含量确定技术进行了综合性论述,从沥青混合料沥青含量确定技术的发展历史、现状、各方法的优劣性比较、发展趋势及误差修正方向等方面进行了阐述;明确了沥青含量确定技术的研究重点在于测定结果的误差修正,这是保证测定结果准确并有效指导施工的根本保证.在沥青含量确定试验方面,燃烧炉法试验时间对于混合料生产周期而言仍然较长,尚达不到施工质量事前控制的标准.未来沥青含量确定的试验技术需向数字化、快速化、批量化方向发展.数字图像法在未来具有发展潜力,提高2.36 mm以下集料粒径的识别能力是其突破方向.