機(jī)制砂與瀝青黏附性評(píng)價(jià)方法研究

熊宏玲

(青海省公路科研勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 青海 西寧 810001)

機(jī)制砂的物理性能優(yōu)良，常作為細(xì)集料應(yīng)用于高等級(jí)公路中。機(jī)制砂作為瀝青混合料中的細(xì)集料，對(duì)瀝青混合料的路用性能影響較大，尤其是與瀝青的黏附性對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能具有較大影響。JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了瀝青混合料中粗集料與瀝青的黏附性標(biāo)準(zhǔn)，并未規(guī)定瀝青混合料中細(xì)集料或機(jī)制砂與瀝青的黏附性標(biāo)準(zhǔn)，且JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中未規(guī)定細(xì)集料與瀝青黏附性的試驗(yàn)方法。不少學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)細(xì)集料和瀝青的黏附性進(jìn)行了研究。嚴(yán)家伋采用光電比色法評(píng)價(jià)細(xì)集料與瀝青的黏附性，美國(guó)SHRP計(jì)劃采用SHRP凈吸附法評(píng)價(jià)細(xì)集料與瀝青的黏附性，其原理與光電比色法相似，這兩種試驗(yàn)方法操作復(fù)雜，對(duì)人員要求高，且試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)；周衛(wèi)峰采用甲苯溶劑對(duì)混合料進(jìn)行洗滌，檢測(cè)混合料上剩余的瀝青含量，從而通過(guò)這種溶劑洗脫法檢測(cè)細(xì)集料與瀝青的黏附性，但該方法離散性較大。

為研究機(jī)制砂與瀝青黏附性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用濕輪磨耗試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行研究，以采集的濕輪磨耗后試件表面數(shù)字圖像為研究對(duì)象，根據(jù)磨耗區(qū)域內(nèi)圖像表面顏色的差異，利用IPP圖像處理技術(shù)計(jì)算瀝青膜的剝落面積，進(jìn)而計(jì)算瀝青膜剝落率，將其作為機(jī)制砂與瀝青黏附性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)瀝青混合料水穩(wěn)性能與瀝青膜剝落率的相關(guān)性提出機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以此作為評(píng)價(jià)機(jī)制砂性能的指標(biāo)之一。

1 研究方案和原材料

1.1 研究方案

為研究機(jī)制砂與瀝青黏附性的試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用濕輪磨耗試驗(yàn)進(jìn)行研究。

(1) 提出機(jī)制砂與瀝青黏附性的評(píng)價(jià)指標(biāo)——瀝青膜剝落率及其計(jì)算方法。

(2) 研究磨耗時(shí)間、水溫對(duì)瀝青剝落率的影響，確定濕輪磨耗試驗(yàn)的條件。

(3) 通過(guò)水煮法和不同集料組合的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，分析研究濕輪磨耗試驗(yàn)的適用性。

(4) 根據(jù)濕輪磨耗試驗(yàn)和水煮法測(cè)得的機(jī)制砂與粗集料的瀝青膜剝落率的相關(guān)性，提出機(jī)制砂與瀝青黏附性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 原材料

(1) 瀝青。為消除試驗(yàn)的差異性，研究中所進(jìn)行的試驗(yàn)均采用兩種瀝青：SK90#道路石油瀝青和殼牌SBS(I-C)改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1、2所示。

(2) 集料。為消除試驗(yàn)的差異性，凍融劈裂試驗(yàn)中粗集料和機(jī)制砂(0～3 mm)采用3種巖質(zhì)集料，粗集料巖質(zhì)分別為輝綠巖、閃長(zhǎng)巖、角閃巖，機(jī)制砂巖質(zhì)分別為石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3、4所示。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

3種不同巖性機(jī)制砂的主要化學(xué)成分含量見(jiàn)表5。

表2 SBS(I-C)改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

(3) 礦粉

試驗(yàn)采用石灰?guī)r質(zhì)礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表4 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

表5 機(jī)制砂主要化學(xué)成分

(4) 級(jí)配

凍融劈裂試驗(yàn)采用AC-13瀝青混合料，瀝青混合料油石比采用4.6%，其設(shè)計(jì)級(jí)配如表7所示；濕輪磨耗試驗(yàn)中瀝青砂漿的油石比采用9.0%，機(jī)制砂級(jí)配如表7所示。

表6 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表7 混合料、集料級(jí)配

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的提出

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》根據(jù)粗集料表面瀝青膜剝離面積百分率作為黏附性等級(jí)的分級(jí)依據(jù)，因此在研究機(jī)制砂與瀝青的黏附性時(shí)，也采用瀝青膜剝落率作為黏附性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用瀝青膜剝落率評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青黏附性。瀝青膜剝落率為瀝青膜剝落面積與試件磨耗面積之比，其計(jì)算公式如(1)所示：

(1)

式中：ρ為瀝青膜剝落率(%)；A1為瀝青膜剝落區(qū)域面積；A2為試件磨耗區(qū)域面積。

2.2 瀝青膜剝落率的計(jì)算方法

由于機(jī)制砂顆粒較小，機(jī)制砂表面瀝青膜剝落區(qū)域更小，且形狀不規(guī)則，采用常規(guī)的方法很難準(zhǔn)確測(cè)量其面積。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Image-Pro Plus(IPP)圖像處理軟件能夠分析形狀各異的物體，且能精確計(jì)算其面積。因此利用IPP圖像處理技術(shù)計(jì)算瀝青膜剝落率，其原理為：機(jī)制砂表面瀝青膜剝落區(qū)域的顏色成白色或灰白色，未剝落區(qū)域的顏色為黑色，IPP圖像處理軟件能夠計(jì)算出不同顏色區(qū)域的面積，從而得到瀝青膜剝落區(qū)域的面積A1和未剝落區(qū)域的面積A0。

(2)

3 濕輪磨耗試驗(yàn)條件研究

由于機(jī)制砂顆粒較小，水煮法不能測(cè)出其表面的瀝青膜剝落面積。若無(wú)外力和水的作用，集料表面的瀝青膜不會(huì)輕易剝落，因此在選擇試驗(yàn)方法時(shí)應(yīng)考慮其是否能施加荷載作用且試驗(yàn)條件與水環(huán)境相關(guān)。濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)軌驖M足瀝青膜剝落所需的條件，即荷載作用和水環(huán)境。磨耗時(shí)間能模擬荷載作用對(duì)集料表面瀝青膜的作用，水溫對(duì)瀝青膜剝落產(chǎn)生影響。因此通過(guò)研究磨耗時(shí)間與水溫對(duì)瀝青膜剝落率的影響規(guī)律確定濕輪磨耗試驗(yàn)的最佳條件。

3.1 磨耗時(shí)間對(duì)瀝青膜剝落率的影響

采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖機(jī)制砂成型試件，油石比為9.0%，每種機(jī)制砂成型3組試件。磨耗時(shí)間為變量，分別設(shè)為300、400、500、600、700、800 s，水溫為20 ℃。將試驗(yàn)后的試件風(fēng)干、成像，利用IPP圖像處理技術(shù)計(jì)算瀝青膜剝落率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同磨耗時(shí)間的瀝青膜剝落率

從表8可知：石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖機(jī)制砂試件的瀝青膜剝落率均隨磨耗時(shí)間的增加而增大。當(dāng)磨耗時(shí)間為300～600 s時(shí)，瀝青膜剝落率增大速率較快；當(dāng)磨耗時(shí)間為600～800 s時(shí)，瀝青膜剝落率增大速率較為平緩，趨于穩(wěn)定。

當(dāng)濕輪磨耗試驗(yàn)時(shí)間為600 s時(shí)，瀝青膜在有效的時(shí)間內(nèi)剝落效果最好，因此，取濕輪磨耗試驗(yàn)的磨耗時(shí)間為600 s。

3.2 水溫對(duì)瀝青膜剝落率的影響

基于上述研究，取濕輪磨耗試驗(yàn)時(shí)間為600 s，進(jìn)一步研究水的溫度對(duì)瀝青膜剝落率的影響。

采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖機(jī)制砂成型試件，油石比為9.0%，每種機(jī)制砂成型3組試件進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)，磨耗時(shí)間為600 s。將水溫作為變量，分別設(shè)為10、15、20、25、30 ℃。將試驗(yàn)后的試件進(jìn)行風(fēng)干，然后成像，利用IPP圖像處理技術(shù)計(jì)算瀝青膜剝落率，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

從表9可得：當(dāng)水溫由10 ℃增加到30 ℃時(shí)，3種試件的瀝青膜剝落率分別增加了1.7%、1.6%、2.0%，變化幅度較小。表明水的溫度對(duì)瀝青膜剝落率

表9 不同水溫的瀝青膜剝落率

影響很小，而且室溫大約為20 ℃，因此將濕輪磨耗試驗(yàn)中水的溫度定為20 ℃。

綜上所述，濕輪磨耗試驗(yàn)的條件為：磨耗時(shí)間為600 s，水的溫度為20 ℃。

4 濕輪磨耗試驗(yàn)的適用性分析

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證濕輪磨耗試驗(yàn)方法能有效評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青的黏附性，從以下幾方面進(jìn)行驗(yàn)證。

(1) 采用表7的機(jī)制砂級(jí)配成型瀝青砂漿試件，采用SK90#基質(zhì)瀝青，油石比采用9.0%，利用濕輪磨耗試驗(yàn)方法測(cè)定石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖機(jī)制砂試件的瀝青膜剝落率；采用水煮法測(cè)定對(duì)應(yīng)巖性粗集料(9.5～13 mm)與瀝青的黏附性(采用圖像處理技術(shù)計(jì)算瀝青膜剝落率)，研究二者之間的相關(guān)性。

(2) 分析瀝青膜剝落率與瀝青混合料水穩(wěn)定性能的相關(guān)性。

(3) 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)：粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖，礦粉含量均為4.0%，瀝青混合料為AC-13，油石比為4.5%。瀝青為SBS改性瀝青，成型9組不同巖質(zhì)的瀝青混合料馬歇爾試件，粗集料與機(jī)制砂含量、級(jí)配均保持一致，合成級(jí)配如表7中AC-13級(jí)配所示，進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)檢測(cè)不同試件的殘留強(qiáng)度比，并分析其與瀝青膜剝落率的相關(guān)性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 水煮法。不同粗集料的水煮法試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 不同粗集料的瀝青膜剝落率

從表10可知：采用水煮法測(cè)得的粗集料表面瀝青膜剝落率，石灰?guī)r最小，其次為閃長(zhǎng)巖，輝綠巖最大。采用濕輪磨耗試驗(yàn)測(cè)得的3種巖質(zhì)機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率結(jié)果與采用水煮法測(cè)得的結(jié)果一致，表明此評(píng)價(jià)方法具有可行性。

(2) 不同集料組合的瀝青混合料水穩(wěn)定性能分析

凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 不同集料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表11可得：當(dāng)粗集料相同時(shí)，機(jī)制砂為石灰?guī)r時(shí)瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比最大，水穩(wěn)定性能最好，其次是閃長(zhǎng)巖，機(jī)制砂為輝綠巖時(shí)瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比最小，水穩(wěn)定性能最差。與濕輪磨耗試驗(yàn)的結(jié)果一致，因此濕輪磨耗試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青黏附性的方法是可行的。

終上所述，濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)軌蛟u(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青的黏附性。

5 機(jī)制砂與瀝青黏附性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中根據(jù)粗集料表面瀝青膜剝離面積百分率作為黏附性等級(jí)的分級(jí)依據(jù)，共分為5個(gè)等級(jí)：① 5級(jí)，瀝青膜剝落率接近0；② 4級(jí)，瀝青膜剝落率為0～10%；③ 3級(jí)，瀝青膜剝落率為10%～30%；④ 2級(jí)，瀝青膜剝落率大于30%；⑤ 1級(jí)，集料裸露，瀝青膜浮于水面。

根據(jù)表9的試驗(yàn)結(jié)果，研究由濕輪磨耗試驗(yàn)和水煮法測(cè)得的瀝青膜剝落率的相關(guān)性，并進(jìn)行回歸分析，得到兩者之間的回歸方程，根據(jù)粗集料與瀝青黏附性等級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分機(jī)制砂與瀝青的黏附性等級(jí)。

以石灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖3種巖石為對(duì)象，研究由濕輪磨耗試驗(yàn)測(cè)得的機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率與由水煮法測(cè)得的粗集料表面瀝青膜剝落率的相關(guān)性。每種巖性集料粗集料與細(xì)集料的黏附性進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，然后進(jìn)行回歸分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：粗集料表面瀝青膜剝落率與機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率之間的回歸方程如下：

y=0.013 3x2-0.350 7x+2.700 7

(3)

式中：x為機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率(%)；y為粗集料表面瀝青膜剝落率(%)。

圖1 瀝青膜剝落率的相關(guān)性

根據(jù)回歸方程和粗集料黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)可得機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表12)。

表12 機(jī)制砂與瀝青的黏附性等級(jí)劃分

6 結(jié)論

采用濕輪磨耗試驗(yàn)和IPP圖像處理技術(shù)評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青的黏附性，提出機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以此作為機(jī)制砂選用的標(biāo)準(zhǔn)之一。

(1) 濕輪磨耗試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青黏附性的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)條件為磨耗時(shí)間600 s，水溫20 ℃；瀝青膜剝落率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2) 通過(guò)相應(yīng)巖性粗集料與瀝青的黏附性、瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)也驗(yàn)證了該方法評(píng)價(jià)機(jī)制砂與瀝青黏附性的可行性。

(3) 根據(jù)機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率與粗集料表面瀝青膜剝落率的相關(guān)性，提出了機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

雖然該文中采用相關(guān)性研究機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，但還需進(jìn)一步研究機(jī)制砂與瀝青黏附性等級(jí)對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，采用不同黏附性等級(jí)的機(jī)制砂鋪筑試驗(yàn)段，從理論和實(shí)踐上分析該評(píng)價(jià)方法的效果，進(jìn)而為施工材料的選擇提供指導(dǎo)意見(jiàn)。