礦料級(jí)配對(duì)瀝青含量檢測(cè)結(jié)果的影響

吳文亮，黃士桐，趙 超，陳立坤，郭超海

0 引言

在中國(guó)的瀝青路面施工質(zhì)量控制體系中，瀝青含量對(duì)路面的使用性能有重要影響，將瀝青含量控制在最佳范圍內(nèi)是減少路面早期病害、提高路面服務(wù)能力及耐久性的前提［1-2］。

同一瀝青混合料瀝青含量的檢測(cè)結(jié)果受取樣情況的影響，若所取試樣中細(xì)集料偏多，則試驗(yàn)測(cè)得的瀝青含量會(huì)偏高;若所取試樣中粗集料偏多，則試驗(yàn)測(cè)得的瀝青含量偏低［3-5］。這是由于大顆徑礦料比表面積小，能裹覆的瀝青少;小顆粒比表面積大，能裹覆的瀝青多。目前國(guó)內(nèi)對(duì)檢測(cè)瀝青含量時(shí)瀝青混合料的取樣有較嚴(yán)格要求，需對(duì)所取的瀝青混合料采用四分法分料，要求取樣相對(duì)均勻［6-7］。然而，取樣離析是不可避免的，規(guī)范允許的礦料級(jí)配偏差較大，因此瀝青含量檢測(cè)結(jié)果不能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況。

本文通過(guò)在室內(nèi)模擬級(jí)配離析取樣的燃燒試驗(yàn)，建立同一瀝青混合料的瀝青含量與礦料級(jí)配的相關(guān)關(guān)系，從而提出檢測(cè)瀝青混合料實(shí)際瀝青含量的方法。

1 燃燒爐法檢測(cè)瀝青含量

1.1 標(biāo)定試驗(yàn)

燃燒爐法是目前檢測(cè)瀝青含量的普遍方法，具有操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)時(shí)間短、精確度高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)［8-10］，且燃燒后剩余的礦料經(jīng)水洗篩分可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的級(jí)配。燃燒爐測(cè)瀝青含量除顯示瀝青燃燒損失外，還包括以下兩類(lèi)非瀝青質(zhì)量損失:試樣籃因高溫引起的質(zhì)量損失、礦料的質(zhì)量損失。其中，礦料的質(zhì)量損失包括礦料因高溫引起的質(zhì)量損失以及礦料的燒失質(zhì)量［11］。

首先，通過(guò)試驗(yàn)確定試樣籃因高溫引起的質(zhì)量損失，具體做法為:在空的試樣籃中加入一定量的瀝青，將試樣籃放入已預(yù)熱的燃燒爐中燃燒，直至試驗(yàn)停止。經(jīng)2次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣籃的質(zhì)量損失較為穩(wěn)定，均為1.3 g。因此下面僅需考慮礦料的質(zhì)量損失。

本文以AC-20瀝青混合料為研究對(duì)象，礦料選用輝綠巖，油石比為4.5%，礦料級(jí)配如表1所示。

表1 AC-20瀝青混合料礦料級(jí)配

試驗(yàn)采用改進(jìn)的燃燒爐標(biāo)定法，按油石比4.5%在盛有熱礦料的底盤(pán)上直接倒熱瀝青，并迅速用鏟刀攪拌，然后分盛到試樣籃里，最后連同鏟刀與底盤(pán)一起放到燃燒爐中燃燒。根據(jù)表1中的級(jí)配配制4份礦料，并分別用改進(jìn)標(biāo)定法進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 改進(jìn)標(biāo)定法試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，AC-20瀝青混合料燃燒過(guò)程中礦料的質(zhì)量損失率為0.21%。

1.2 燃燒前后礦料級(jí)配的變化

瀝青混合料中的礦料在高溫下會(huì)有一定的質(zhì)量損失，質(zhì)量較差的礦物甚至可能出現(xiàn)崩解破碎的現(xiàn)象，加上水洗篩分過(guò)程也存在一定的人為誤差，將使瀝青混合料礦料級(jí)配在燃燒后發(fā)生變化。因此，為了研究瀝青混合料礦料級(jí)配與油石比的關(guān)系，有必要研究瀝青混合料燃燒后的礦料級(jí)配變化。

將標(biāo)定試驗(yàn)的剩余礦料分別進(jìn)行水洗篩分，計(jì)算燃燒后礦料各篩孔通過(guò)率，篩分時(shí)為減少計(jì)算誤差，均采用累加的方法記錄篩分結(jié)果，然后根據(jù)配料時(shí)的初始級(jí)配計(jì)算燃燒前后礦料級(jí)配的變化，燃燒前后各篩孔通過(guò)率的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，燃燒前后礦料級(jí)配變化較小，且呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

圖1 燃燒前后礦料級(jí)配的變化

(1)礦料級(jí)配中通過(guò)率變化較大的篩孔為9.5、13.2、16 mm，這可能是由于粗大集料在燃燒過(guò)程中存在一定程度的崩解破碎而變小。

(2)2.36、4.75 mm 篩孔的通過(guò)率變化較小，均在0.2%范圍以?xún)?nèi)，這是由于粗大集料崩解后的顆粒又落在了 2.36、4.75 mm 篩上。

(3)從9.5 mm篩孔開(kāi)始向下篩孔的大小逐一縮小1倍，各篩孔之間顆粒的大小偏差將更大，燃燒前后顆粒掉到下一篩孔的可能性變小。

因此，用燃燒法測(cè)瀝青含量時(shí)對(duì)剩余的礦料做水洗篩分能較好地反映所取混合料的級(jí)配情況，在后面的研究中可以考慮用燃燒后的礦料篩分結(jié)果，尤其是2.36、4.75 mm 篩孔通過(guò)率，來(lái)考慮級(jí)配離析對(duì)瀝青含量的影響。

2 瀝青含量與礦料級(jí)配的關(guān)系

2.1 以礦料級(jí)配估算油石比

對(duì)于同一瀝青混合料，計(jì)算不同礦料級(jí)配的比表面積，就可以根據(jù)瀝青膜厚度估算不同礦料級(jí)配的油石比［12-14］。瀝青比表面積的計(jì)算采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的AI法，集料的表面積系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 集料的表面積系數(shù)

高速公路礦料級(jí)配的各篩孔通過(guò)率的允許偏差如表4 所示［14］。

表4 各篩孔通過(guò)率的允許偏差

根據(jù)表3中的集料表面積系數(shù)分別計(jì)算AC-20瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配、最大正偏差級(jí)配、最大負(fù)偏差級(jí)配的比表面積。用式(1)、(2)估算規(guī)范允許范圍內(nèi)的最大正偏差及最大負(fù)偏差級(jí)配的油石比，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

集料的比表面積

瀝青膜有效厚度

式中:Pi為礦料各篩孔(i)通過(guò)率;FAi為相對(duì)于各篩孔的集料表面積系數(shù);Pbe為有效瀝青含量;γb為瀝青的相對(duì)密度。

表5 估算允許偏差范圍內(nèi)級(jí)配的油石比

從表5可知，用比表面積來(lái)估算，則AC-20瀝青混合料在允許級(jí)配偏差范圍內(nèi)油石比的變化范圍為3.13% ～5.90%。通過(guò)比表面積估算的油石比受礦料級(jí)配的影響很大，當(dāng)然在實(shí)際取瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，不太可能出現(xiàn)規(guī)范允許級(jí)配偏差范圍內(nèi)的這種極端情況，下面將通過(guò)模擬級(jí)配離析取樣試驗(yàn)研究瀝青含量與礦料級(jí)配的關(guān)系。

2.2 室內(nèi)模擬級(jí)配離析試驗(yàn)

采用室內(nèi)模擬級(jí)配離析取樣的方法檢測(cè)同一瀝青混合料的油石比，基本思路為:在實(shí)驗(yàn)室以目標(biāo)級(jí)配與目標(biāo)油石比拌合瀝青混合料;然后模擬級(jí)配離析取一定質(zhì)量的瀝青混合料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，即部分試樣多取粗集料，部分試樣多取細(xì)集料;同時(shí)對(duì)燃燒后的礦料水洗篩分，計(jì)算所取試樣的級(jí)配。通過(guò)模擬級(jí)配離析取樣的燃燒試驗(yàn)研究同一瀝青混合料油石比與礦料級(jí)配的關(guān)系。

用拌合鍋拌制AC-20瀝青混合料13 kg。為減少拌合過(guò)程中拌合鍋粘料的影響，在拌制目標(biāo)油石比瀝青混合料前，先用該拌合鍋拌制高于目標(biāo)油石比0.3%左右的瀝青混合料來(lái)洗鍋，以保證所拌制的目標(biāo)瀝青混合料油石比的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬級(jí)配離析取樣分別進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，每次取樣2 kg左右，共取6次。瀝青混合料燃燒試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 AC-20C模擬級(jí)配離析燃燒試驗(yàn)的油石比結(jié)果

將各次取樣燃燒后剩余的礦料水洗篩分，得到每次取樣瀝青混合料的礦料級(jí)配結(jié)果，見(jiàn)表7。

在AC-20瀝青混合料模擬級(jí)配離析燃燒試驗(yàn)中，試驗(yàn)序號(hào)為3、4、5礦料水洗篩分后的各篩孔通過(guò)率均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，相應(yīng)的油石比變化范圍為4.35% ～4.77%，極差為0.42%。對(duì)于同一瀝青混合料，其油石比的檢測(cè)結(jié)果與取樣有很大關(guān)系，由于目前規(guī)范允許的級(jí)配偏差范圍較大，造成油石比的變化范圍也較大。因此，在檢測(cè)瀝青混合料瀝青含量時(shí)考慮級(jí)配離析的影響是十分必要的。

2.3 建立瀝青含量與礦料級(jí)配的關(guān)系

根據(jù)模擬級(jí)配離析取樣檢測(cè)瀝青含量的試驗(yàn)結(jié)果，尋找表征級(jí)配離析程度的指標(biāo)，建立其與油石比的相關(guān)關(guān)系。將瀝青混合料模擬級(jí)配離析燃燒試驗(yàn)的2.36、4.75 mm篩孔通過(guò)率及油石比分別建立在同一坐標(biāo)系中，如圖2所示。

從圖2中可以看出，瀝青混合料的油石比變化趨勢(shì)與2.36 mm及4.75 mm篩孔通過(guò)率的變化趨勢(shì)非常相似。因此可以考慮建立關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與油石比的關(guān)系。

表7 AC-20模擬級(jí)配離析燃燒試驗(yàn)的礦料級(jí)配結(jié)果 %

圖2 AC-20瀝青混合料篩孔通過(guò)率以及油石比的變化

2.3.1 關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與油石比的關(guān)系

應(yīng)用最小二乘法分別建立AC-20瀝青混合料9.5、4.75、2.36、1.18 mm 篩孔通過(guò)率與油石比的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 AC-20瀝青混合料篩孔通過(guò)率與油石比的關(guān)系

(1)9.5 mm篩孔通過(guò)率(x)與油石比(y)的線(xiàn)性擬合公式為

式中:R2為相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越大表示兩者之間的線(xiàn)性相關(guān)性越好。

(2)4.75 mm篩孔通過(guò)率(x)與油石比(y)的線(xiàn)性擬合公式為

(3)2.36 mm篩孔通過(guò)率(x)與油石比(y)的線(xiàn)性擬合公式為

(4)1.18 mm篩孔通過(guò)率(x)與油石比(y)的線(xiàn)性擬合公式為

從圖3中可以看出，瀝青混合料的油石比與2.36、4.75 mm篩孔的通過(guò)率均具有良好的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.9。這是由于4.75、2.36 mm篩孔通過(guò)率能較好地反映所取混合料的離析程度，而且2.36、4.75 mm 篩孔通過(guò)率在燃燒前后的變化較小。

2.3.2 兩個(gè)篩孔通過(guò)率與油石比的關(guān)系

為更好地研究級(jí)配離析的影響，考慮用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)表示級(jí)配離析，最直接的一個(gè)指標(biāo)應(yīng)該是礦料的比表面積，但比表面積難以確定，尤其是細(xì)集料對(duì)比表面積的影響非常大，不能準(zhǔn)確計(jì)算，因此擬通過(guò)2個(gè)篩孔(13.2 mm篩孔與4.75 mm篩孔或2.36 mm篩孔的組合)通過(guò)率來(lái)考慮級(jí)配離析的影響。下面采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬級(jí)配離析試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。

AC-20C瀝青混合料13.2、4.75 mm篩孔組合的擬合公式為z=0.003 58x+0.070 43y+1.838 74 R2=0.985 5(7)式中:x代表13.2 mm篩孔通過(guò)率;y代表2.36 mm篩孔通過(guò)率;z代表油石比;R2為調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)。

AC-20C瀝青混合料13.2 mm與2.36 mm篩孔組合的擬合公式為式中:x代表4.75 mm篩孔通過(guò)率;y代表2.36 mm篩孔通過(guò)率;z代表油石比;R2為調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)。

將AC-20瀝青混合料各個(gè)試樣的相應(yīng)篩孔通過(guò)率分別代入式(7)和式(8)，計(jì)算每個(gè)試樣的預(yù)測(cè)油石比，結(jié)果見(jiàn)表8;同時(shí)建立預(yù)測(cè)油石比與實(shí)測(cè)油石比的關(guān)系，如圖4所示。從圖4中可知，瀝青混合料的油石比與2.36 mm和13.2 mm篩孔組合、4.75 mm和13.2 mm篩孔組合的通過(guò)率都具有良好的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。

表8 AC-20C瀝青混合料預(yù)測(cè)油石比

2.3.3 通過(guò)目標(biāo)級(jí)配計(jì)算油石比

圖4 AC-20瀝青混合料實(shí)測(cè)油石比與預(yù)測(cè)油石比的關(guān)系

用擬合出來(lái)的關(guān)鍵篩孔4.75、2.36 mm通過(guò)率與油石比關(guān)系的擬合公式來(lái)驗(yàn)證目標(biāo)級(jí)配與目標(biāo)油石比是否準(zhǔn)確，即用目標(biāo)級(jí)配的 4.75、2.36、13.2 mm篩孔通過(guò)率代入相對(duì)應(yīng)的擬合曲線(xiàn)公式中，得到計(jì)算油石比;比較目標(biāo)油石比與計(jì)算油石比的偏差，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，通過(guò)目標(biāo)級(jí)配篩孔通過(guò)率反算得到的計(jì)算油石比與目標(biāo)油石比的偏差較小，最大偏差僅為0.06%。因此，可以考慮通過(guò)4.75 mm篩孔、2.36 mm 篩孔、13.2 mm 與 4.75 mm 篩孔組合、13.2 mm與2.36 mm篩孔組合的通過(guò)率來(lái)考慮級(jí)配離析對(duì)瀝青混合料油石比的影響。

表9 計(jì)算油石比結(jié)果

3 檢測(cè)瀝青混合料的實(shí)際瀝青含量

(1)檢測(cè)該批次瀝青混合料的生產(chǎn)級(jí)配。取生產(chǎn)某批次瀝青混合料的各熱料倉(cāng)礦料，并將各檔礦料分別水洗篩分，根據(jù)篩分結(jié)果計(jì)算該批次瀝青混合料實(shí)際的礦料級(jí)配，用這個(gè)礦料級(jí)配作為計(jì)算瀝青含量的基本依據(jù)。

(2)建立關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與油石比的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。取對(duì)應(yīng)生產(chǎn)批次的瀝青混合料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，需要模擬級(jí)配離析取樣，且至少進(jìn)行6次燃燒試驗(yàn);對(duì)燃燒剩余的礦料水洗篩分，得到每次所取瀝青混合料的級(jí)配;最后建立關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與油石比的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。

(3)計(jì)算該批次瀝青混合料的瀝青含量。把式(2)中的關(guān)鍵篩孔通過(guò)率代入式(1)，計(jì)算瀝青混合料的實(shí)際油石比。

該方法不僅能夠用于檢測(cè)瀝青混合料的瀝青含量，還可以在已知瀝青含量的情況下檢測(cè)該批次瀝青混合料關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)用燃燒爐法檢測(cè)瀝青含量，燃燒前后瀝青混合料的礦料級(jí)配變化較小，剩余礦料的水洗篩分結(jié)果可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的級(jí)配。

(2)對(duì)于同一瀝青混合料，在規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)油石比的變化較大，因而檢測(cè)瀝青混合料瀝青含量時(shí)考慮級(jí)配離析的影響是有必要的。

(3)通過(guò)室內(nèi)模擬級(jí)配離析取樣的燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的油石比與2.36、4.75 mm篩孔以及2.36 mm 與13.2 mm 組合篩孔、4.75 mm 與 13.2 mm組合篩孔的通過(guò)率都具有良好的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，且通過(guò)目標(biāo)級(jí)配計(jì)算的油石比與目標(biāo)油石比接近。

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