瀝青混合料均勻性影響因素及評價方法研究

景鵬翔

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青混合料是一種復合材料，其主要由礦料、瀝青膠漿、空隙等共同構成的，而礦料又包含粗集料和細集料，其在施工過程中極易產生分布不均勻的問題；尤其是熱拌瀝青混合料，受溫度、施工機械等因素的影響，其在施工過程中極易產生集料分布不均勻，導致瀝青混合料級配、含油量在施工過程中與設計值存在嚴重誤差，引起瀝青路面的攤鋪不均勻，誘發(fā)瀝青路面的開裂、局部沉陷、車轍、翻漿等病害。因此，總結歸納均勻性影響因素，利用室內試驗手段研究各因素的影響程度，給出具體、實用的均勻性評價方法，對于控制施工過程中瀝青集料均勻性、提高瀝青路面施工技術水平具有非常重要的指導意義。

目前，國內外道路工程領域的學者們針對其均勻性已開展了大量深入而詳實的研究工作，獲得了一大批實用的科研成果。彭勇[1]利用數(shù)字圖像技術對瀝青混合料在攤鋪過程中的均勻性進行深入分析，揭示了其影響因素的基本特點；黃志福[2]依托某在建瀝青路面工程，利用數(shù)字圖像技術對其均勻性開展深入研究，開發(fā)了自動計算均勻性的軟件，提出了評價方法；郭乃勝[3]利用CT技術對瀝青集料截面進行掃描，揭示了集料微觀結構特性，并參考馬歇爾設計方法，提出了集料中瀝青最佳用量的確定方法；魏艷玲[4]利用無核密度儀測試瀝青混合料的壓實密度、空隙率，給出了其均勻性的綜合評價方法。本文在歸納總結均勻性影響因素的基礎上，通過一系列室內試驗分析各因素的影響程度及規(guī)律，并利用數(shù)字圖像技術研究其分布特征，給出了瀝青混合料均勻性評價方法體系，研究成果可為提高瀝青路面施工質量、減少瀝青路面運營病害提供技術支撐。

1 瀝青混合料均勻性影響因素

1.1 油石比

油石比是指在瀝青混合料中，瀝青與其他礦料的質量百分比，其物理意義在于表示了瀝青的含量大小。在實際工程中，若油石比過小，將導致瀝青混合料開裂、松散、翻漿等病害；而當油石比過大時，瀝青路面在運營過程中極易出現(xiàn)泛油、車轍甚至局部沉陷等病害。為深入分析瀝青混合料在攤鋪過程中油石比對均勻性的影響，本文選取油石比分別為4.0%、5.5%、7.0%的試樣，并測試其在振動 30 s、120 s、210 s情況下的瀝青混合料均勻性指標，所得結果如表1所示。

表1 不同油石比工況下瀝青混合料均勻性

可見，瀝青混合料均勻性受油石比的影響幅度較大，因此油石比應作為瀝青路面施工過程中最重要的控制指標之一，其在施工過程中應嚴格控制。

1.2 集料粒徑

由于含有不同比例粗集料的瀝青混合料均勻性不同，本文選取典型粗集料工況下（2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm）的瀝青混合料試驗，通過一系列的室內試驗，得出各試件的均勻性指標，其結果如表2所示。

表2 不同集料粒徑工況下瀝青混合料均勻性

可見，小粒徑的集料相對大粒徑的集料具有較好的均勻性，此原因在于小粒徑集料顆粒較多、質量較小，單顆粒狀態(tài)下受施工振動較小，能保持較好的均勻性。

1.3 壓實功

為深入分析壓實功與瀝青混合料均勻性的相關性，選取旋轉壓實次數(shù)分別為50、60、70次的壓實功作用后的試件，分別測試其水平均勻性、豎向均勻性及整體均勻性，所得結果如表3所示。

表3 不同壓實功工況下瀝青混合料均勻性

可見，壓實功對瀝青混合料水平均勻性具有明顯的影響，但隨著壓實功的增大，其水平均勻性增加幅度呈減小趨勢，而豎向及整體均勻性影響不大，此原因在于滿足一定壓實功后，混合料中的粗集料形成骨架，整體結構基本穩(wěn)定。

2 瀝青混合料分布特性

顆粒分布特征是研究瀝青集料均勻性的關鍵環(huán)節(jié)，肉眼觀察是其最常用的方法，但其缺點在于所得結果誤差較大，費時費力。近年來，隨著數(shù)字成像、激光掃描、數(shù)據(jù)分析技術的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術在道路工程中的應用范圍越來越廣。利用該技術研究瀝青混合料，可準確、快捷地獲得其內部結構，進而全面客觀地分析其分布特征。

目前，常用的數(shù)字圖像采集設備主要有掃描儀、高清數(shù)碼相機，結合本項目的實際情況，考慮到高清數(shù)碼相機方便快捷，本試驗中選用像素為2 000萬的高清數(shù)碼相機。其次，制作瀝青混合料試件，保證試件截面干凈整潔，沒有塵土、碎屑等雜質，其圖像采集過程情況如圖1所示，所得圖像結果如圖2所示。

為更加清晰、直觀地分析瀝青混合料的分布特性，在獲取上述截面圖像的基礎上，利用Image-Pro Plus軟件將彩色圖片處理為灰度圖，進而對圖像對比度進一步增強，并對其進行高斯模糊化處理，從而避免了分辨率、光線、鏡頭曲率等因素的干擾，其處理后的截面情況如圖3所示。

圖1 瀝青混合料圖像采集

圖2 瀝青混合料截面圖像

圖3 處理后的瀝青混合料截面圖像

從圖3中可知，利用圖像識別軟件可自動區(qū)分出 2.36 mm、4.75 mm、9.50 mm、13.2 mm 四檔的集料分布情況，根據(jù)其分析結果可知，2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm兩檔的集料在整個集料中占主導地位，對瀝青混合料的整體均勻性具有非常大的影響。3 瀝青混合料均勻性評價方法及效果分析

3.1 均勻性評價方法

通過采用Image-Pro Plus軟件識別瀝青混合料截面圖像中各檔集料的顆粒重心坐標、截面面積，然而，由于各檔集料的顆粒截面面積不同，僅采用各個顆粒的重心坐標平均值來表示顆粒截面面積對瀝青混合料均勻性的影響，其結果不夠客觀準確。因此，為全面評價粗、細集料顆粒對整體均勻性的影響程度，本文引入面積矩的概念，以此表示集料的合成重心，該值能夠準確、客觀地反映顆粒位置和顆粒截面面積對瀝青混合料均勻性的影響，其公式如式（1）、式（2）：

式（1）、式（2）中：Xi、Yi分別為第 i檔集料合成重心橫、縱坐標；Xin、Yin分別表示不同集料中不同顆粒的重心橫、縱坐標；Ni為第i檔集料的顆粒數(shù)量；Ain為第i檔集料中每第n個顆粒的截面面積。

在瀝青混合料中，各檔集料的合成重心與截面的幾何中心存在一距離Dij，其物理意義在于衡量了各檔集料的均勻性，其公式為：

式中：Xpj、YPj分別為第j個試件截面幾何中心的橫、縱坐標。

因此，瀝青混合料試件均勻性可根據(jù)上述4檔集料的重心偏差量來衡量，偏差量公式為：

式中：Dij為第j個截面中第i檔集料合成重心與整個截面的幾何中心之間的距離；Lj為不同截面的幾何中心到各自截面邊緣的距離。

在此基礎上，根據(jù)各個試件截面的均勻性，可得出其整體均勻性，其公式為：

3.2 均勻性評價效果分析

為進一步分析采用上述方法評價瀝青混合料均勻性的實際效果，本項目將上述方法與肉眼觀察方法相對比，即通過主觀判斷瀝青混合料的均勻性與上述方法的計算結果進行比較，從而進行相互驗證。由于瀝青混合料整體均勻性是由各個試件截面均勻性指標Sj計算得來，因此可通過主觀判斷試件各截面均勻性與Sj是否一致來驗證評價效果。本項目選取4個試件進行對比分析，其中包含2個水平截面試件和2個豎直截面試件，具體情況如圖4～圖7所示。各個截面的主觀評價結果與數(shù)字圖像處理所得均勻性指標Sj對比分析情況見表4。

從表4中可以看出，利用數(shù)字圖像技術加理論分析方法所得的均勻性評價指標與主觀評價結果基本一致，該評價指標值越小，表示該試件的均勻性越好。總之，采用綜合評價法（數(shù)字圖像技術+理論分析）評價其均勻性可取得良好的效果。

圖4 試件1水平截面

圖5 試件1豎向截面

圖6 試件2水平截面

圖7 試件2豎向截面

表4 主觀評價與數(shù)字圖像處理所得評價結果

4 結論

本文深入分析了瀝青混合料均勻性的主要影響因素，并利用數(shù)字圖像技術分析其分布特性，在此基礎上提出了均勻性評價方法，并對該方法進行效果評價，得出以下幾點結論：

a）瀝青混合料均勻性的主要影響因素有油石比、集料粒徑、壓實功，然而其對整體均勻性的影響程度并不相同。

b）利用圖像識別軟件可自動區(qū)分出集料分布情況，2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm兩檔集料在整個瀝青混合料中占主導地位，其對瀝青混合料均勻性具有決定性作用。

c）采用綜合評價法所得的均勻性評價指標與主觀評價結果基本一致，其均勻性評價方法效果良好。