泡沫沥青冷再生混合料空隙分布特征研究

2024-02-01张帅

北方交通 2024年1期

张帅

(江苏北极星交通产业集团有限公司南通市 226010)

0 引言

近年来,以泡沫沥青为沥青结合料进行冷再生的方式作为道路领域可持续发展的重要技术手段,在公路建设和养护发展中得到越来越多的应用[1]。泡沫沥青冷再生混合料由沥青路面铣刨料、新集料、水泥及发泡沥青组成,属于半柔性材料[2]。

基于CT扫描技术的微观结构三维重建与分析在沥青混合料领域的研究渐趋广泛。该技术可直接获得沥青混合料的三维图像,分析其内部结构特征[3]。相关学者多采用CT扫描技术对沥青混合料中的沥青、集料及空隙间的接触关系进行研究;或结合数字图像技术对CT图像进行处理,获取沥青混合料组成成分的密度等特征参数,评价其均匀性[4-7]。但目前关于沥青混合料内部空隙的空间分布特性,尤其是对比分析不同因素影响下空隙分布的特征等相关研究较少。

因此,文章通过CT扫描技术和数字图像处理方法,提出了一种量化表征冷再生混合料内部细观空隙尺寸分布的模型,研究不同级配对其空隙分布特征的影响。文章提出的方法可助益优化冷再生混合料级配设计,从而提升混合料强度性能。

1 试验方案

1.1 原材料

旧沥青混合料从南通市某公路沥青面层铣刨获得。采用江阴阿尔法70#沥青、10～20mm石灰岩粗集料、0～3mm石灰岩细集料、干燥洁净的石灰岩矿粉和南通恒天牌(P.O 42.5)普通硅酸盐水泥。沥青、水泥和各类新集料的技术性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)和《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)相关要求。根据发泡试验确定的最佳发泡条件为:沥青温度165℃和发泡用水量2.5%。最佳发泡条件下沥青的膨胀率为14倍,半衰期为12.1s,满足《公路泡沫沥青冷再生路面设计与施工技术规范》(DB33/T 715—2018)相关要求。

1.2 再生料配合比设计

由于旧料中细集料含量偏低,因此需要加入适量石屑和矿粉优化级配。同时,考虑到改善再生料抗车辙性能,也可以加入部分新粗集料。参考《公路泡沫沥青冷再生路面设计与施工技术规范》(DB33/T 715—2018)相关要求及工程实践经验,分别设计A、B、C三种再生料级配类型,级配结果见表1。具体配合比设计方案(质量比)如下:

表1 再生混合料合成级配

(1)级配A:98.5%旧料+1.5%水泥。

(2)级配B:70%旧料+25%石屑+3.5%矿粉+1.5%水泥。

(3)级配C:70%旧料+13%新粗集料+12%石屑+3.5%矿粉+1.5%水泥。

对三种级配再生料进行击实试验,得到其最佳含水率分别为4.8%、5.9%、5.1%。在不同级配下分别选择五个沥青用量水平进行劈裂强度试验,根据干、湿劈裂强度及强度比确定级配A、B、C再生料的最佳泡沫沥青用量分别为2.0%、3.5%和2.5%,最终成型相应级配下的马歇尔试件。

1.3 数字图像处理

采用工业CT对养生3d后的泡沫沥青冷再生混合料标准马歇尔试件进行扫描,扫描断层间距为1mm。将扫描得到的二维断层灰度图像导入计算机,先通过中值滤波消除图像噪声,改善CT图像品质。为了增大图像中空隙、沥青胶浆和集料颗粒的灰度值差异,便于后续图像分割,通过灰度变换增加了图像的对比度,最后通过Image Pro Plus(IPP)软件提取细观空隙结构。

2 试验结果分析

2.1 空隙率分布特征

统计每张二维断层灰度图像中空隙面积,计算空隙率。为排除试件成型时试验误差的影响,统计时将试件两端的图片去除。将每张CT图像编号换算成试件高度,并绘出空隙率沿试件高度方向的分布图。不同级配下泡沫沥青冷再生混合料的空隙率空间分布如图1所示。

图1 不同级配下再生料空隙率空间分布

由图1可见,不同级配的冷再生混合料具有不同的空隙率空间分布特性,且差异较大。其中,C级配试件的空隙率最大,范围在9.0%～11.0%;A级配试件的空隙率次之,范围在7.0%～8.0%;B级配试件的空隙率最小,范围在5.5%～7.0%。泡沫沥青冷再生混合料试件的空隙率随细集料比例的增大而逐渐减小。这是因为细集料本身与泡沫沥青结合形成胶浆填充到再生料的空隙中,降低了空隙率[8]。

2.2 空隙数量分布特征

统计每张二维断层灰度图像中的独立空隙数量,研究其沿试件高度方向的空间分布特性,不同级配下泡沫沥青冷再生混合料内空隙数量的空间分布如图2所示。

图2 不同级配下再生料空隙数量空间分布

图2中,对于A、B、C三种级配的冷再生混合料,随着集料级配中细集料比例的增大,空隙数量的空间分布曲线向左移动,空隙数量逐渐减少。在40～65mm深度范围,三种级配的空隙数量分布曲线明显右移。其中,B级配偏移最小,A级配次之,而C级配在50～65mm深度范围的空隙数量急剧增大,即B级配再生料底部最为密实,C级配底部密实性较差。其原因一方面是再生料级配中细集料比例的差异影响;另一方面是C级配再生料底部成型效果较差。从三种级配的空隙数量空间分布曲线来看,其分布曲线和空隙数量相差较小,这说明级配对泡沫沥青冷再生混合料空隙数量空间分布的影响不明显。

2.3 空隙等效直径分布特征

将每张二维断层灰度图像中空隙面积换算为具有相同面积的圆半径,作为该高度处的等效直径。不同级配下泡沫沥青冷再生混合料内空隙等效直径的空间分布如图3所示。

图3 不同级配下再生料空隙等效直径空间分布

图3显示,A、B、C三种级配下再生料的空隙等效直径相差较大,从再生料空隙等效直径空间分布曲线波动幅度来看,C级配波动幅度最大,而A级配和B级配波动幅度均较小,即级配越细,其空隙等效直径空间分布曲线波动幅度越小。这表明级配对泡沫沥青冷再生混合料的空隙等效直径影响显著。

2.4 空隙级配分析

分别以空隙等效直径和通过率为横、纵坐标确定该试件空隙级配。数学函数模型—双参数Weibull分布模型是一种应用广泛的非正态分布,包括尺度参数λ(λ>0)和形状参数k(k>0)。三种级配下泡沫沥青冷再生混合料的“空隙级配”曲线拟合如图4所示。

图4 不同级配下空隙级配曲线Weibull分布模型拟合

当形状参数k不变,尺度参数λ逐渐增大时,累计分布曲线会逐渐向右偏转,即泡沫沥青冷再生混合料试件内大空隙增多,且大空隙和小空隙的尺寸差别较大;当尺度参数λ固定,形状参数k逐渐增大时,累计分布曲线则会以某一点为中心逐渐发生逆时针偏转,即泡沫沥青冷再生混合料试件内大部分空隙尺寸在某个固定区间内变化[9-10]。结合尺度参数λ的拟合结果发现,泡沫沥青冷再生混合料在B级配下具有最小的尺度参数λ,在C级配下的尺度参数λ最大。这说明尺度参数λ与泡沫沥青冷再生混合料级配的粗细有较强的相关性,即级配越细,尺度参数λ拟合结果越小。形状参数k则呈现相反的变化趋势:随着再生料级配由细变粗,形状参数k呈减小趋势。由拟合结果可知,双参数Weibull分布模型中的尺度参数λ和形状参数k能够有效表征再生料的空隙级配,可以较好地评价再生料空隙级配的粗细和分布均匀性。