冷拌冷铺沥青混合料路用性能研究

作者简介：

张景宏（1984—），工程师，研究方向：公路桥梁。

为对冷拌冷铺沥青混合料的路用性能进行研究，文章以冻融循环试验以及浸水车辙试验的方式分别对两种沥青混合料进行研究，并通过试验结果分析影响冷拌冷铺沥青混合料抗水损害性能的因素。

冷拌冷铺沥青混合料;抗水损害性能;冻融循环试验;浸水车辙试验

U416.217A240813

0 引言

相对于热拌沥青混合料而言，冷拌冷铺沥青混合料具有污染低以及修补速度较快等特点，是沥青混合料未来较为重要的发展趋势之一。本文选取了乳化型的CMA沥青混合料，并对其路用性能进行研究。

1 CMA抗水损害性能

松散以及坑洞现象是乳化型CMA沥青混合料较易发生的病害[1]，其主要原因在于乳化型CMA沥青混合料的抗水损害性能较低，因此，本文将针对乳化型CMA沥青混合料的抗水损害性能进行研究。一般采取模拟静水压力以及动水压力的方式对其抗水损害性能进行研究：主要采取冻融劈裂试验研究乳化型CMA沥青混合料的静水压力，冻融劈裂试验能模拟沥青混凝土在水温变化时内部细观结構的冻胀行为;主要采用浸水车辙试验研究动水压力下沥青混合料的抗水损害性能。

目前针对沥青混合料的冻融劈裂试验类型较多，不同的试验条件所得的结构无法横向比较，因此本文对于沥青混合料抗水损害性能的研究只采用规范所要求的冻融循环试验。为使试验结果具有可对比性，本文在进行多次冻融循环以及单次冻融循环时均采取相同的试验条件，并对比热拌沥青混合料。CMA沥青混合料以及HMA（热拌沥青混合料）在多次冻融循环之后的冻融劈裂强度比如图1所示。

两种沥青混合料随着不断增加的冻融循环次数，表现为劈裂强度不断降低[2]。其中在第10次冻融循环时，CMA沥青混合料的劈裂强度已经基本丧失，HMA沥青混合料还残留有41%的劈裂强度。在试验过程中，随着冻融循环次数的不断上升，CMA以及HMA沥青混合料中不断有水渗入从而导致水压力不断增加，导致其内部结构出现有较多的空隙，使其劈裂强度不断下降。但相对于HMA沥青混合料而言，CMA沥青混合料在养生时随着不断蒸发的水分，表现为不断增加的空隙数量并且较为分散。在冻融循环试验时，CMA沥青混合料中不断积聚的微裂纹导致出现应力集中的现象，从而改变其分裂强度。

在冻融循环反复进行时，CMA沥青混合料的空隙不断发展，导致其内部不断积累损坏。因此要探讨CMA沥青混合料冻融劈裂强度可通过研究其空隙率实现。多次冻融循环下沥青混合料微观结构的变化研究过程如图2所示。

对于CMA内部结构的变化可通过空隙率在视觉上的变化进行反映[3-4]。计算空隙率可通过分割其阈值的方式对其单张扫描图以分别提取的方式处理空隙像素，从而得出整个试件的像素总和，即为CMA沥青混合料的三维空隙率。所谓等效直径即三维连通域等效成为同体积球体时的直径，之后再将所得直径进行平均之后即可得出其平均空隙的等效直径。沥青混合料的空隙参数指标可通过空隙平均等效直径对其总体空隙的变化进行衡量，以此把控试块总体的空隙变化，并研究冻融循环时单个空隙的细观结构衰变程度。

随着不断增加的冻融循环次数，CMA沥青混合料内部结构首先因单个裂缝的膨胀而出现破坏，然后再因分离开的两个空隙的聚集导致其出现新空隙[5]。试验时，通过对其三维模型中的空隙聚集及其所形成的新裂缝进行监测，并结合先前所得的空隙等效直径，对其空隙的破坏行为进行考察。可采用edge边缘检测函数处理空隙的可视化，通过选取检测算子以及方向得到图像边界。具体处理流程为：预处理→背景调整→边缘检测→阈值分割→三维整合。

首先在MATLAB软件中导入由XrayCT扫描所得到的沥青混合料断层图，并通过RGB三色通道图将其处理成为单通道的灰度图，拉伸图像选定边界的对比度，分割其阀值之后对其空隙以及沥青混合料进行二值化处理，将所得断面图中的斑点去除之后提取所得图片指定范围内的空隙像素总数，并将其与该区域内的像素总和相除，从而得到图像经处理后的空隙率。对比该种方式所得的空隙率与常规物理试验所得的空隙率，从而验证该种方式的精确性。有效性的分析结果如表1所示。

从上述试验结果可知，物理试验所得空隙率与程序分析所得空隙率间的偏差均<0.1，表明通过程序分析之后所得的试验值具有较高的精确度。

2 试验结果分析

单位深度里不同冻融次数下的空隙率分布如图3所示。

通过图3可知，随着不断增加的冻融循环次数，沥青混合料的单位空隙率不断偏移到图中的上侧位置，即其单位厚度空隙率不断增加。沥青混合料在经过4次冻融循环之后有较为微小的空隙出现，而在6次冻融循环之后这种空隙不断减少，在冻融循环8次之后微小空隙数量更少。对于较大的空隙，随之不断增加的冻融循环次数表现为不断在边缘部分有所增加，主要是因为周围大空隙融合了小空隙。结合像素大小对空隙进行分级，所得结果如表2所示。

从实验结果可知，CMA的空隙率随着不断增加的冻融循环次数表现出逐渐递增的趋势。其中随着冻融循环次数增加，中等空隙数量及其最小断面积不断增大，而其大空隙的弯曲度以及固相部分的分形维数则表现为不断降低的趋势，其空隙平均等效直径则表现出先减小后增大的趋势;小空隙的数量在冻融循环初期表现为数量不断增加，但中等空隙数量则趋于稳定，空隙在10次冻融循环之后相互连接在一起，小空隙的数量有所减少，而中等空隙数量不断增加。空隙的平均等效直径在前期增加之后有略微减少，并且随着冻融循环次数的增加，大孔隙深度也不断增加。同时比起中小空隙，大空隙因融合了周围空隙而出现的体积增加量较大。

3 浸水车辙试验

浸水车辙试验总共有三种方法，因无法对其试验优劣进行对比[6]，本文对CMA沥青混合料分别进行了三种浸水车辙试验，并将其与HMA沥青混合料的试验结果进行对比，所得结果如图4所示。鉴于篇幅所限，本文仅列出部分数据。

根据试验结果可知，CMA沥青混合料以及HMA沥青混合料的位移变化在不同的浸水车辙试验下均表现出相同的变化趋势，即三种试验结果下其位移量均有所增加。分析原因可知，混合料中的沥青与矿物材料所形成的界面不断受到应力变化以及水流的影响，使沥青混合料内部材料的附着力有所降低，进而使沥青薄膜加速剥落，导致其变形量有较为显著的增加，使车辙更易出现。当浸水条件相同时，CMA沥青混合料在温度升高时表现为沥青黏度有所降低，使剪切形变更易发生。CMA沥青混合料相比于HMA沥青混合料而言具有较小的位移量，即在动水作用下CMA沥青混合料具有更优的性能。

4 结语

对于CMA乳化型沥青混合料的路用性能，鉴于篇幅所限，本文仅对其抗水损害性能进行了研究，主要得出以下结论：（1）从冻融循环试验结果可知，在冻融循环10次之后CMA沥青混合料的劈裂强度即丧失，并且结合图像结果可知，CMA空隙率随着冻融循环次数的增加而有所增加，同时CMA沥青混合料的空隙率增加幅度与设计空隙率有正相关的关系;（2）随着温度的升高，在同等浸水条件下，CMA沥青混合料的粘结性有所下降，使其剪切形变更易发生;（3）比起HMA沥青混合料，CMA沥青混合料具有更优的抗动水损害性能。由于研究时间所限，本文仅对沥青的抗水损害性能进行研究，未能对其改进措施进行研究。因此，对于类似实验，可在本文的基础上进行。

[1]谢伟伟，郑 全，张万磊，等.常温拌和SBR型沥青混合料在干线公路养护中的应用[J].交通世界，2019（29）：23-26.

[2]邓吉升.冷补沥青混合料路用性能评价及其影响因素分析[D].重庆：重庆交通大学，2018.

[3]徐世法，黄玉颖，蔡硕果，等.冷拌冷铺沥青混合料技术进展[J].筑路机械与施工机械化，2018，35（2）：34-36.

[4]李思童，何志敏，蔡硕果，等.乳化型冷拌冷铺沥青混合料室内加速模拟养生条件[J].筑路机械与施工机械化，2018，35（2）：37-42.

[5]黄 杰.冷拌冷铺沥青混合料的性能评价指标研究[J].四川建筑，2015，35（3）：266-267.

[6]赵志超.新型冷拌冷铺乳化沥青混合料研究[D].北京：北京建筑大学，2015.