冷拌冷鋪瀝青混合料路用性能研究

作者簡介：

張景宏（1984—），工程師，研究方向：公路橋梁。

為對冷拌冷鋪瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，文章以凍融循環(huán)試驗(yàn)以及浸水車轍試驗(yàn)的方式分別對兩種瀝青混合料進(jìn)行研究，并通過試驗(yàn)結(jié)果分析影響冷拌冷鋪瀝青混合料抗水損害性能的因素。

冷拌冷鋪瀝青混合料;抗水損害性能;凍融循環(huán)試驗(yàn);浸水車轍試驗(yàn)

U416.217A240813

0 引言

相對于熱拌瀝青混合料而言，冷拌冷鋪瀝青混合料具有污染低以及修補(bǔ)速度較快等特點(diǎn)，是瀝青混合料未來較為重要的發(fā)展趨勢之一。本文選取了乳化型的CMA瀝青混合料，并對其路用性能進(jìn)行研究。

1 CMA抗水損害性能

松散以及坑洞現(xiàn)象是乳化型CMA瀝青混合料較易發(fā)生的病害[1]，其主要原因在于乳化型CMA瀝青混合料的抗水損害性能較低，因此，本文將針對乳化型CMA瀝青混合料的抗水損害性能進(jìn)行研究。一般采取模擬靜水壓力以及動水壓力的方式對其抗水損害性能進(jìn)行研究：主要采取凍融劈裂試驗(yàn)研究乳化型CMA瀝青混合料的靜水壓力，凍融劈裂試驗(yàn)?zāi)苣M瀝青混凝土在水溫變化時內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的凍脹行為;主要采用浸水車轍試驗(yàn)研究動水壓力下瀝青混合料的抗水損害性能。

目前針對瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)類型較多，不同的試驗(yàn)條件所得的結(jié)構(gòu)無法橫向比較，因此本文對于瀝青混合料抗水損害性能的研究只采用規(guī)范所要求的凍融循環(huán)試驗(yàn)。為使試驗(yàn)結(jié)果具有可對比性，本文在進(jìn)行多次凍融循環(huán)以及單次凍融循環(huán)時均采取相同的試驗(yàn)條件，并對比熱拌瀝青混合料。CMA瀝青混合料以及HMA（熱拌瀝青混合料）在多次凍融循環(huán)之后的凍融劈裂強(qiáng)度比如圖1所示。

兩種瀝青混合料隨著不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)，表現(xiàn)為劈裂強(qiáng)度不斷降低[2]。其中在第10次凍融循環(huán)時，CMA瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度已經(jīng)基本喪失，HMA瀝青混合料還殘留有41%的劈裂強(qiáng)度。在試驗(yàn)過程中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷上升，CMA以及HMA瀝青混合料中不斷有水滲入從而導(dǎo)致水壓力不斷增加，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有較多的空隙，使其劈裂強(qiáng)度不斷下降。但相對于HMA瀝青混合料而言，CMA瀝青混合料在養(yǎng)生時隨著不斷蒸發(fā)的水分，表現(xiàn)為不斷增加的空隙數(shù)量并且較為分散。在凍融循環(huán)試驗(yàn)時，CMA瀝青混合料中不斷積聚的微裂紋導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而改變其分裂強(qiáng)度。

在凍融循環(huán)反復(fù)進(jìn)行時，CMA瀝青混合料的空隙不斷發(fā)展，導(dǎo)致其內(nèi)部不斷積累損壞。因此要探討CMA瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度可通過研究其空隙率實(shí)現(xiàn)。多次凍融循環(huán)下瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的變化研究過程如圖2所示。

對于CMA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化可通過空隙率在視覺上的變化進(jìn)行反映[3-4]。計算空隙率可通過分割其閾值的方式對其單張掃描圖以分別提取的方式處理空隙像素，從而得出整個試件的像素總和，即為CMA瀝青混合料的三維空隙率。所謂等效直徑即三維連通域等效成為同體積球體時的直徑，之后再將所得直徑進(jìn)行平均之后即可得出其平均空隙的等效直徑。瀝青混合料的空隙參數(shù)指標(biāo)可通過空隙平均等效直徑對其總體空隙的變化進(jìn)行衡量，以此把控試塊總體的空隙變化，并研究凍融循環(huán)時單個空隙的細(xì)觀結(jié)構(gòu)衰變程度。

隨著不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)，CMA瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)首先因單個裂縫的膨脹而出現(xiàn)破壞，然后再因分離開的兩個空隙的聚集導(dǎo)致其出現(xiàn)新空隙[5]。試驗(yàn)時，通過對其三維模型中的空隙聚集及其所形成的新裂縫進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合先前所得的空隙等效直徑，對其空隙的破壞行為進(jìn)行考察?？刹捎胑dge邊緣檢測函數(shù)處理空隙的可視化，通過選取檢測算子以及方向得到圖像邊界。具體處理流程為：預(yù)處理→背景調(diào)整→邊緣檢測→閾值分割→三維整合。

首先在MATLAB軟件中導(dǎo)入由XrayCT掃描所得到的瀝青混合料斷層圖，并通過RGB三色通道圖將其處理成為單通道的灰度圖，拉伸圖像選定邊界的對比度，分割其閥值之后對其空隙以及瀝青混合料進(jìn)行二值化處理，將所得斷面圖中的斑點(diǎn)去除之后提取所得圖片指定范圍內(nèi)的空隙像素總數(shù)，并將其與該區(qū)域內(nèi)的像素總和相除，從而得到圖像經(jīng)處理后的空隙率。對比該種方式所得的空隙率與常規(guī)物理試驗(yàn)所得的空隙率，從而驗(yàn)證該種方式的精確性。有效性的分析結(jié)果如表1所示。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，物理試驗(yàn)所得空隙率與程序分析所得空隙率間的偏差均<0.1，表明通過程序分析之后所得的試驗(yàn)值具有較高的精確度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

單位深度里不同凍融次數(shù)下的空隙率分布如圖3所示。

通過圖3可知，隨著不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)，瀝青混合料的單位空隙率不斷偏移到圖中的上側(cè)位置，即其單位厚度空隙率不斷增加。瀝青混合料在經(jīng)過4次凍融循環(huán)之后有較為微小的空隙出現(xiàn)，而在6次凍融循環(huán)之后這種空隙不斷減少，在凍融循環(huán)8次之后微小空隙數(shù)量更少。對于較大的空隙，隨之不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)為不斷在邊緣部分有所增加，主要是因?yàn)橹車罂障度诤狭诵】障丁＝Y(jié)合像素大小對空隙進(jìn)行分級，所得結(jié)果如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，CMA的空隙率隨著不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢。其中隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，中等空隙數(shù)量及其最小斷面積不斷增大，而其大空隙的彎曲度以及固相部分的分形維數(shù)則表現(xiàn)為不斷降低的趨勢，其空隙平均等效直徑則表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢;小空隙的數(shù)量在凍融循環(huán)初期表現(xiàn)為數(shù)量不斷增加，但中等空隙數(shù)量則趨于穩(wěn)定，空隙在10次凍融循環(huán)之后相互連接在一起，小空隙的數(shù)量有所減少，而中等空隙數(shù)量不斷增加。空隙的平均等效直徑在前期增加之后有略微減少，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，大孔隙深度也不斷增加。同時比起中小空隙，大空隙因融合了周圍空隙而出現(xiàn)的體積增加量較大。

3 浸水車轍試驗(yàn)

浸水車轍試驗(yàn)總共有三種方法，因無法對其試驗(yàn)優(yōu)劣進(jìn)行對比[6]，本文對CMA瀝青混合料分別進(jìn)行了三種浸水車轍試驗(yàn)，并將其與HMA瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，所得結(jié)果如圖4所示。鑒于篇幅所限，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，CMA瀝青混合料以及HMA瀝青混合料的位移變化在不同的浸水車轍試驗(yàn)下均表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即三種試驗(yàn)結(jié)果下其位移量均有所增加。分析原因可知，混合料中的瀝青與礦物材料所形成的界面不斷受到應(yīng)力變化以及水流的影響，使瀝青混合料內(nèi)部材料的附著力有所降低，進(jìn)而使瀝青薄膜加速剝落，導(dǎo)致其變形量有較為顯著的增加，使車轍更易出現(xiàn)。當(dāng)浸水條件相同時，CMA瀝青混合料在溫度升高時表現(xiàn)為瀝青黏度有所降低，使剪切形變更易發(fā)生。CMA瀝青混合料相比于HMA瀝青混合料而言具有較小的位移量，即在動水作用下CMA瀝青混合料具有更優(yōu)的性能。

4 結(jié)語

對于CMA乳化型瀝青混合料的路用性能，鑒于篇幅所限，本文僅對其抗水損害性能進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：（1）從凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知，在凍融循環(huán)10次之后CMA瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度即喪失，并且結(jié)合圖像結(jié)果可知，CMA空隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而有所增加，同時CMA瀝青混合料的空隙率增加幅度與設(shè)計空隙率有正相關(guān)的關(guān)系;（2）隨著溫度的升高，在同等浸水條件下，CMA瀝青混合料的粘結(jié)性有所下降，使其剪切形變更易發(fā)生;（3）比起HMA瀝青混合料，CMA瀝青混合料具有更優(yōu)的抗動水損害性能。由于研究時間所限，本文僅對瀝青的抗水損害性能進(jìn)行研究，未能對其改進(jìn)措施進(jìn)行研究。因此，對于類似實(shí)驗(yàn)，可在本文的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

[1]謝偉偉，鄭 全，張萬磊，等.常溫拌和SBR型瀝青混合料在干線公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].交通世界，2019（29）：23-26.

[2]鄧吉升.冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能評價及其影響因素分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

[3]徐世法，黃玉穎，蔡碩果，等.冷拌冷鋪瀝青混合料技術(shù)進(jìn)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2018，35（2）：34-36.

[4]李思童，何志敏，蔡碩果，等.乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料室內(nèi)加速模擬養(yǎng)生條件[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2018，35（2）：37-42.

[5]黃 杰.冷拌冷鋪瀝青混合料的性能評價指標(biāo)研究[J].四川建筑，2015，35（3）：266-267.

[6]趙志超.新型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2015.