就地热再生沥青混合料均匀性的影响因素研究

盛三湘 陈宇亮 王巍伟

摘要：为了提升就地热再生沥青混合料的路用性能，以数字图像处理技术进行集料识别为基础，采用均匀性评价确定再生混合料的集料分布不均匀系数D、新集料分布不均匀系数H、孔隙分布不均匀系数K和试件的孔隙率V，通过正交试验讨论了RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料拌和温度及新旧料混合时间对就地热再生沥青混合料均匀性的影响，对结果进行了极差分析和方差分析。结果表明：1）RAP加热温度和新旧料混合时间对试件均匀性和孔隙率大小的影响都极为显著，宜控制在120～130 ℃;2）RAP拌和时间对试件均匀性影响较小，试件孔隙率随RAP拌和时间的增加逐渐降低，可控制在90 s左右;3）新沥青混合料温度对沥青混合料均匀性影响较小，而新旧料混合时间对沥青混合料均匀性影响较大，新旧料混合时间应不小于90 s。研究成果可为沥青路面就地热再生技术的优化提供参考。

关键词：特种建筑材料;沥青路面;就地热再生;均匀性;加热温度;拌合时间

中图分类号：U414文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03011

Abstract：In order to improve the performance of hot in-place recycling asphalt mixtures， based on the aggregate recognition of digital image processing technology， the coefficient D of non-uniformity of aggregate distribution of recycled aggregate mixtures， the coefficient H of non-uniformity of new aggregate distribution， the coefficient K of non-uniformity of void distribution and the voidage V of specimen were determined by uniformity evaluation， and the influence of the RAP heating temperature， RAP mixing time， mixing temperature of new asphalt mixtures and mixing time of recycling mixtures on the uniformity of geothermal reclaimed asphalt mixtures were discussed by orthogonal experiment. The results are analyzed by range analysis and variance analysis. The results show that： 1） RAP heating temperature has significant effects on the uniformity and voidage of specimens as well as the mixing time of new and used mixtures， which should be controlled within 120～130 ℃; 2） the RAP mixing time has little effect on the uniformity of the specimens， and the voidage of the specimen decreases gradually with the increase of RAP mixing time which can be controlled at about 90 s ; 3） the temperature of new asphalt mixture has little influence on the uniformity of asphalt mixtures， while the mixing time of new and used materials has great influence on the uniformity of asphalt mixtures. The mixing time of new and used materials should not be less than 90 s. The research results provide a reference for the optimization of geothermal regeneration technology of asphalt pavement.

Keywords：special building materials; asphalt pavement; hot in-place recycling; uniformity; heating temperature; mixing time

作為高速路面的主要形式，沥青路面服役周期大约为10年，即每10年高速沥青路面就要经历一次大修[1]。常用的维修方法为铣刨重铺，铣刨产生的大量废弃沥青混合料基本上是堆放处理，不仅占用土地，而且污染环境[2]。沥青路面就地热再生技术作为一种路面材料再生技术应运而生[3-6]，然而在应用过程中再生沥青混合料的均匀性问题是较难解决的问题[7]。程培峰等[8]从混合料配比方面研究了细集料掺量对再生沥青混合料均匀性及路用性能的影响，结果表明，细RAP比例为13%时，新混合料均匀性达到最佳;曾俐豪[9]针对混合料材料及配比，研究了旧沥青老化时间和沥青种类对新混合料的均匀性影响，并且从施工方面研究了不同的干拌时间对新混合料均匀性和路用性能的影响，得出各因素影响程度排序为旧沥青老化时间>施工阶段>沥青种类;庄旭青[10]通过调整新料添加比例、拌和温度、拌和时间和再生剂添加量等因素，研究了不同因素对新旧沥青混溶效果的影响，结果表明，新混合料的添加比例对新旧沥青的混溶度影响不大，拌和温度对新旧沥青的混溶度影响明显，再生剂的添加和拌和时间的增加能有效提高新旧沥青的混溶度。

影响沥青混合料均匀性的因素很多，在设计阶段，有混合料的类型、级配、最大公称粒径和油石比;在施工阶段，有拌和时间、拌合方式、运输方式、摊铺温度和压实功[11-16]。目前，加热温度、拌和时间以及是否使用再生剂是影响就地热再生沥青混合料均匀性的关键因素。笔者通过室内试验模拟现场施工条件，在成型马歇尔试件时，控制RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料拌和温度以及新旧料混合时间等4个因素，设计了简单可行的正交试验，以均匀性指标作为研究对象，定量分析就地热再生沥青混合料均匀性的影响因素。第3期盛三湘，等：就地热再生沥青混合料均匀性的影响因素研究河北工业科技第38卷

1均匀性评价指标

为分析就地热再生沥青混合料的二维结构特征，对沥青混凝土的二维数字图像进行识别分割。对再生混合料组成进行了简化，如图1所示。

1）集料再生沥青混合料中能够被DIP技术区分识別的集料，包括RAP中的集料，新加入的辉绿石集料，以及RAP中部分颗粒粒径较大的细集料。

2）辉绿石集料新加入的辉绿岩集料，颗粒粒径为4.75～13.2 mm。

3）孔隙未被集料和沥青砂浆填充的部分。

4）沥青砂浆除去上述3种组分后的部分，包括沥青、填料和部分颗粒粒径较细的集料。

集料识别通过数字图像处理技术，首先对混合料界面进行图像修剪和灰度化预处理;其次进行图像分割，如图2所示;最后进行图像后处理，主要是对空洞进行填充，继而进行形态学处理，确保完成均匀性评价的准备工作。

评价再生沥青混合料均匀性的指标主要有集料分布均匀性、新旧料混合均匀性以及孔隙率均匀程度。试件的均匀性应该由试件的每一个截面均匀性决定，用各截面均匀性指标的均值反映。截面均匀性Dj，Hj和Kj通过Matlab对图像的处理及计算得到。计算原理如图1所示，将试件截面划分成36个区域，可以获取各个区域集料的像素个数，即集料所占据的面积，再计算划分区域的像素面积，两者相除可得各个区域的颗粒面积比Fij，对36个区域的Fij进行统计分析，计算Fij的标准差S。各个区域Fij的标准差S反映区域特性的离散程度，即集料的均匀程度。因此，可以把标准差S作为评价截面上集料的均匀性指标Dj，计算过程如下：

2试验方案设计

考虑到影响因素较多，采用正交试验，从中挑选有代表性的点进行试验。通过室内试验模拟现场施工条件，采用L9（34）正交表，做9次试验，观察4个因素的3个水平，如表1所示。

按照表1所示的正交试验方案分别进行沥青混合料的制备，并采用标准马歇尔试验进行试件成型，然后，对不同试件进行切割，拍照获取界面图像，通过Matlab图像处理技术对成型试件进行处理分析，结合均匀性指标计算理论、Matlab识别和计算技术计算再生混合料的集料分布不均匀系数D、新集料分布不均匀系数H、孔隙分布不均匀系数K。同时，计算试件截面孔隙率Vj的平均值，以此作为试件的孔隙率V分析不同的试验因素对试件孔隙率的影响。

3试验结果分析

表2为正交试验中9组试验条件下制备、成型的再生沥青混合料通过数字图像处理技术和均匀性理论计算得到的不均匀系数D，H，K和孔隙率V。

3.1集料分布均匀性的影响因素分析

通过表2中的试件集料分布不均匀系数D，分析RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料温度、新旧料混合时间对就地热再生沥青混合料集料均匀性的影响。

3.1.1极差分析

根据表1中正交试验方案和表2的正交试验结果中的不均匀系数D，计算不同条件下试件各因素的不均匀系数和极差，计算结果如表3所示。

从表3可知，RAP加热温度的极差最大，新沥青混合料温度的极差次之，RAP拌和时间极差最小。这说明RAP加热温度对不均匀系数D的影响最为显著，新沥青混合料温度和新旧料混合时间对不均匀系数D的影响次之，RAP拌和时间对试件的集料不均匀系数D影响最小。

3.1.2因素指标分析

不均匀系数D随RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料温度和新旧料混合时间变化的效益指标如图3所示。不均匀系数D越大，代表均匀性越差。因此，从图3中可以看出，RAP加热温度越高，试件均匀性越好。RAP拌和时间在90 s以内时，时间越长，试件均匀性越好;拌和时间超过90 s后，拌和时间的增加对试件均匀性的提高没有显著效果。

3.1.3方差分析

不均匀系数D的方差分析如表4所示。

由表4可知，当检验水平α=0.1时，因素RAP加热温度和新沥青混合料温度的统计量F大于F0.1。说明这2个因素对不均匀系数D的影响是显著的，而RAP拌和时间和新旧料混合时间对混合料均匀性的影响较小。4个因素对不均匀系数D影响的次序是：RAP加热温度>新沥青混合料温度>新旧料混合时间>RAP拌和时间。

3.2新旧集料混合均匀性的影响因素分析

3.2.1极差分析

影响新旧集料混合均匀性因素的极差分析如表5所示。

由表5可知，在所有因素中，RAP加热温度的极差最大，新旧料混合时间次之，而RAP拌和时间和新沥青混合料温度因素的极差较小且没有明显差别。说明RAP加热温度对试件的不均匀系数H影响最为显著，新旧料混合时间对试件的不均匀系数H影响次之，RAP拌和时间、新沥青混合料温度对试件的不均匀系数H几乎没有影响。

3.2.2因素指标分析

不均匀系数H的效益指标如图4所示。随着RAP加热温度和新沥青混合料温度的升高、RAP拌和时间和新旧料混合时间的增长，不均匀系数H越来越小。不均匀系数H越小，表明新旧料混合越均匀，因此新旧料混合均匀性会随着RAP加热温度和新沥青混合料温度的升高、RAP拌和时间和新旧料混合时间的增长而越来越好。

3.2.3方差分析

不均勻系数H的方差分析如表6所示。

由表6可知，当检验水平α=0.1时，因素RAP加热温度和新旧料混合时间的统计量F>F0.1，说明这2个因素对不均匀系数H的影响是显著的，其他因素的影响不显著，并且RAP加热温度的影响大于新旧料混合时间的影响。当检验水平α=0.05时，4个影响因素中只有RAP加热温度对不均匀系数H的影响是显著的，其他因素的影响不显著。

3.3孔隙分布的影响因素研究

3.3.1孔隙分布均匀性的影响因素研究

1）极差分析

影响孔隙分布因素的极差分析如表7所示。

通过表7可知，4个因素的极差大小非常接近，因此，4个因素对孔隙分布均匀性的影响程度比较接近，无法区分哪一个因素占主导地位。

2）因素指标分析

不均匀系数K的效益指标如图5所示。

从图5中可知，随着RAP加热温度升高，不均匀系数K增大，其他因素的曲线不单调。不均匀系数K越大，代表均匀性越差，由因素指标分析得出结论：随着RAP加热温度的升高，试件孔隙分布越不均匀。这和通常的理解是不一样的，初步考虑是误差的原因，进一步对不均匀系数K进行方差分析，以综合考虑。

3）方差分析

不均匀系数K的方差分析如表8所示。

由表8可知，不管检验水平α多大，4个因素的统计量F都小于Fα，方差分析结果表明4个因素对不均匀系数K没有显著影响。

3.3.2孔隙率的影响因素研究

1）极差分析

影响孔隙率因素的极差分析如表9所示。

由表9可知，RAP加热温度的极差最大，RAP拌和时间的极差次之，其余因素的极差较小。说明RAP加热温度对试件孔隙率的影响最为显著，RAP拌和时间对试件孔隙率的影响次之，而新沥青混合料温度、新旧料混合时间对试件孔隙率影响不大。

2）因素指标分析

分析因素指标能够研究每种因素是如何影响指标的。试件孔隙率V的效益指标如图6所示。

从图6中可知，随着RAP加热温度升高，RAP拌和时间的增长，孔隙率V越来越小。理论上分析，由于新料比例为20%，占比较少，试件孔隙主要由RAP决定，而RAP的分散效果尤为关键，RAP温度过低，拌和时间较短，容易产生很多未分散的RAP团，并且RAP温度过低也会影响最终再生混合料的温度，导致击实效果不佳，产生了较多的孔隙。

3）方差分析

试件孔隙率V的方差分析如表10所示。

由表10可知，当检验水平α=0.05时，RAP加热温度、RAP拌和时间的统计量F>Fα，说明这2个因素对试件孔隙率V的影响显著，且RAP加热温度影响最大，拌和时间次之。其余因素对孔隙率的因素影响不显著，误差较大。

4结论

沥青路面就地热再生技术因可以减少环境污染、延长原有沥青路面寿命、降低维修成本而被广泛关注和使用，随之而来的再生沥青混合料的均匀性问题成为相关领域研究热点。本文选取RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料温度和新旧料混合时间4个因素进行正交试验，通过对不均匀系数D，H，K和试件孔隙率V等性能指标的分析评价，得到如下结论。

1）RAP加热温度对试件集料分布均匀性、新旧料混合均匀性以及孔隙率的影响都极为显著，对孔隙分布均匀性影响较小。随着RAP加热温度升高，就地热再生混合料集料分布越来越均匀，新旧料混合越来越均匀，孔隙率也越来越低，综合试验结果，RAP加热温度宜控制在120～130 ℃。

2）试件孔隙率随着RAP拌和时间的增加逐渐降低，试件均匀性变化不大，通过试验，建议RAP拌和时间控制在90 s左右。

3）新沥青混合料温度宜控制在160 ℃，此时集料分布均匀性较好，孔隙率达到最小值，新沥青混合料温度对新旧料混合均匀性、孔隙分布均匀性影响不大。

4）新旧料混合时间对新旧料混合均匀性影响较为显著，对集料分布均匀性、孔隙分布均匀性以及孔隙率影响都不显著。随着新旧料混合时间增加，热再生混合料均匀性也增加，混合时间应不小于90 s。

本文仅考虑了施工的外在因素，未能考虑材料的内在因素。后续应该继续对使用不同材料、不同配比的就地热再生沥青混合料均匀性进行研究。

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