机制砂与沥青黏附性评价方法研究

2020-12-11熊宏玲

中外公路 2020年5期

熊宏玲

(青海省公路科研勘测设计院，青海西宁 810001)

机制砂的物理性能优良，常作为细集料应用于高等级公路中。机制砂作为沥青混合料中的细集料，对沥青混合料的路用性能影响较大，尤其是与沥青的黏附性对沥青混合料水稳性能具有较大影响。JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定了沥青混合料中粗集料与沥青的黏附性标准，并未规定沥青混合料中细集料或机制砂与沥青的黏附性标准，且JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中未规定细集料与沥青黏附性的试验方法。不少学者和专家对细集料和沥青的黏附性进行了研究。严家伋采用光电比色法评价细集料与沥青的黏附性，美国SHRP计划采用SHRP净吸附法评价细集料与沥青的黏附性，其原理与光电比色法相似，这两种试验方法操作复杂，对人员要求高，且试验时间较长；周卫峰采用甲苯溶剂对混合料进行洗涤，检测混合料上剩余的沥青含量，从而通过这种溶剂洗脱法检测细集料与沥青的黏附性，但该方法离散性较大。

为研究机制砂与沥青黏附性的评价标准，采用湿轮磨耗试验并对试验条件进行研究，以采集的湿轮磨耗后试件表面数字图像为研究对象，根据磨耗区域内图像表面颜色的差异，利用IPP图像处理技术计算沥青膜的剥落面积，进而计算沥青膜剥落率，将其作为机制砂与沥青黏附性的评价指标；根据沥青混合料水稳性能与沥青膜剥落率的相关性提出机制砂与沥青黏附性等级的划分标准，以此作为评价机制砂性能的指标之一。

1 研究方案和原材料

1.1 研究方案

为研究机制砂与沥青黏附性的试验方法、评价指标和评价标准，采用湿轮磨耗试验进行研究。

(1) 提出机制砂与沥青黏附性的评价指标——沥青膜剥落率及其计算方法。

(2) 研究磨耗时间、水温对沥青剥落率的影响，确定湿轮磨耗试验的条件。

(3) 通过水煮法和不同集料组合的沥青混合料的水稳定性能，分析研究湿轮磨耗试验的适用性。

(4) 根据湿轮磨耗试验和水煮法测得的机制砂与粗集料的沥青膜剥落率的相关性，提出机制砂与沥青黏附性分级标准。

1.2 原材料

(1) 沥青。为消除试验的差异性，研究中所进行的试验均采用两种沥青：SK90#道路石油沥青和壳牌SBS(I-C)改性沥青，其技术指标如表1、2所示。

(2) 集料。为消除试验的差异性，冻融劈裂试验中粗集料和机制砂(0～3 mm)采用3种岩质集料，粗集料岩质分别为辉绿岩、闪长岩、角闪岩，机制砂岩质分别为石灰岩、辉绿岩、闪长岩，其主要技术指标如表3、4所示。

表1 SK90#基质沥青技术指标

3种不同岩性机制砂的主要化学成分含量见表5。

表2 SBS(I-C)改性沥青技术指标

(3) 矿粉

试验采用石灰岩质矿粉，其主要技术指标见表6。

表3 粗集料技术指标

表4 机制砂技术指标

表5 机制砂主要化学成分

(4) 级配

冻融劈裂试验采用AC-13沥青混合料，沥青混合料油石比采用4.6%，其设计级配如表7所示；湿轮磨耗试验中沥青砂浆的油石比采用9.0%，机制砂级配如表7所示。

表6 矿粉技术指标

表7 混合料、集料级配

2 评价指标的提出

JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》根据粗集料表面沥青膜剥离面积百分率作为黏附性等级的分级依据，因此在研究机制砂与沥青的黏附性时，也采用沥青膜剥落率作为黏附性评价指标。

2.1 评价指标

采用沥青膜剥落率评价机制砂与沥青黏附性。沥青膜剥落率为沥青膜剥落面积与试件磨耗面积之比，其计算公式如(1)所示：

(1)

式中：ρ为沥青膜剥落率(%)；A1为沥青膜剥落区域面积；A2为试件磨耗区域面积。

2.2 沥青膜剥落率的计算方法

由于机制砂颗粒较小，机制砂表面沥青膜剥落区域更小，且形状不规则，采用常规的方法很难准确测量其面积。随着计算机技术的发展，Image-Pro Plus(IPP)图像处理软件能够分析形状各异的物体，且能精确计算其面积。因此利用IPP图像处理技术计算沥青膜剥落率，其原理为：机制砂表面沥青膜剥落区域的颜色成白色或灰白色，未剥落区域的颜色为黑色，IPP图像处理软件能够计算出不同颜色区域的面积，从而得到沥青膜剥落区域的面积A1和未剥落区域的面积A0。

(2)

3 湿轮磨耗试验条件研究

由于机制砂颗粒较小，水煮法不能测出其表面的沥青膜剥落面积。若无外力和水的作用，集料表面的沥青膜不会轻易剥落，因此在选择试验方法时应考虑其是否能施加荷载作用且试验条件与水环境相关。湿轮磨耗试验能够满足沥青膜剥落所需的条件，即荷载作用和水环境。磨耗时间能模拟荷载作用对集料表面沥青膜的作用，水温对沥青膜剥落产生影响。因此通过研究磨耗时间与水温对沥青膜剥落率的影响规律确定湿轮磨耗试验的最佳条件。

3.1 磨耗时间对沥青膜剥落率的影响

采用石灰岩、辉绿岩、闪长岩机制砂成型试件，油石比为9.0%，每种机制砂成型3组试件。磨耗时间为变量，分别设为300、400、500、600、700、800 s，水温为20 ℃。将试验后的试件风干、成像，利用IPP图像处理技术计算沥青膜剥落率，试验结果见表8。

表8 不同磨耗时间的沥青膜剥落率

从表8可知：石灰岩、辉绿岩、闪长岩机制砂试件的沥青膜剥落率均随磨耗时间的增加而增大。当磨耗时间为300～600 s时，沥青膜剥落率增大速率较快；当磨耗时间为600～800 s时，沥青膜剥落率增大速率较为平缓，趋于稳定。

当湿轮磨耗试验时间为600 s时，沥青膜在有效的时间内剥落效果最好，因此，取湿轮磨耗试验的磨耗时间为600 s。

3.2 水温对沥青膜剥落率的影响

基于上述研究，取湿轮磨耗试验时间为600 s，进一步研究水的温度对沥青膜剥落率的影响。

采用石灰岩、辉绿岩、闪长岩机制砂成型试件，油石比为9.0%，每种机制砂成型3组试件进行湿轮磨耗试验，磨耗时间为600 s。将水温作为变量，分别设为10、15、20、25、30 ℃。将试验后的试件进行风干，然后成像，利用IPP图像处理技术计算沥青膜剥落率，试验结果如表9所示。

从表9可得：当水温由10 ℃增加到30 ℃时，3种试件的沥青膜剥落率分别增加了1.7%、1.6%、2.0%，变化幅度较小。表明水的温度对沥青膜剥落率

表9 不同水温的沥青膜剥落率

影响很小，而且室温大约为20 ℃，因此将湿轮磨耗试验中水的温度定为20 ℃。

综上所述，湿轮磨耗试验的条件为：磨耗时间为600 s，水的温度为20 ℃。

4 湿轮磨耗试验的适用性分析

4.1 试验方案设计

为验证湿轮磨耗试验方法能有效评价机制砂与沥青的黏附性，从以下几方面进行验证。

(1) 采用表7的机制砂级配成型沥青砂浆试件，采用SK90#基质沥青，油石比采用9.0%，利用湿轮磨耗试验方法测定石灰岩、辉绿岩、闪长岩机制砂试件的沥青膜剥落率；采用水煮法测定对应岩性粗集料(9.5～13 mm)与沥青的黏附性(采用图像处理技术计算沥青膜剥落率)，研究二者之间的相关性。

(2) 分析沥青膜剥落率与沥青混合料水稳定性能的相关性。

(3) 水稳定性能试验：粗、细集料均采用石灰岩、辉绿岩、闪长岩，矿粉含量均为4.0%，沥青混合料为AC-13，油石比为4.5%。沥青为SBS改性沥青，成型9组不同岩质的沥青混合料马歇尔试件，粗集料与机制砂含量、级配均保持一致，合成级配如表7中AC-13级配所示，进行冻融劈裂试验检测不同试件的残留强度比，并分析其与沥青膜剥落率的相关性。

4.2 试验结果分析

(1) 水煮法。不同粗集料的水煮法试验结果如表10所示。

表10 不同粗集料的沥青膜剥落率

从表10可知：采用水煮法测得的粗集料表面沥青膜剥落率，石灰岩最小，其次为闪长岩，辉绿岩最大。采用湿轮磨耗试验测得的3种岩质机制砂表面沥青膜剥落率结果与采用水煮法测得的结果一致，表明此评价方法具有可行性。

(2) 不同集料组合的沥青混合料水稳定性能分析

冻融劈裂试验结果见表11。

表11 不同集料的冻融劈裂试验结果

由表11可得：当粗集料相同时，机制砂为石灰岩时沥青混合料的冻融劈裂试验残留强度比最大，水稳定性能最好，其次是闪长岩，机制砂为辉绿岩时沥青混合料的冻融劈裂试验残留强度比最小，水稳定性能最差。与湿轮磨耗试验的结果一致，因此湿轮磨耗试验作为评价机制砂与沥青黏附性的方法是可行的。

终上所述，湿轮磨耗试验能够评价机制砂与沥青的黏附性。

5 机制砂与沥青黏附性分级标准研究

JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中根据粗集料表面沥青膜剥离面积百分率作为黏附性等级的分级依据，共分为5个等级：① 5级，沥青膜剥落率接近0；② 4级，沥青膜剥落率为0～10%；③ 3级，沥青膜剥落率为10%～30%；④ 2级，沥青膜剥落率大于30%；⑤ 1级，集料裸露，沥青膜浮于水面。

根据表9的试验结果，研究由湿轮磨耗试验和水煮法测得的沥青膜剥落率的相关性，并进行回归分析，得到两者之间的回归方程，根据粗集料与沥青黏附性等级的分级标准划分机制砂与沥青的黏附性等级。

以石灰岩、闪长岩、辉绿岩3种岩石为对象，研究由湿轮磨耗试验测得的机制砂表面沥青膜剥落率与由水煮法测得的粗集料表面沥青膜剥落率的相关性。每种岩性集料粗集料与细集料的黏附性进行3组平行试验，然后进行回归分析，试验结果如图1所示。

由图1可知：粗集料表面沥青膜剥落率与机制砂表面沥青膜剥落率之间的回归方程如下：

y=0.013 3x2-0.350 7x+2.700 7

(3)

式中：x为机制砂表面沥青膜剥落率(%)；y为粗集料表面沥青膜剥落率(%)。