基于數(shù)字圖像技術(shù)的再生骨料瀝青混合料骨架接觸類型量化表征

王蕓蕓,寇長(zhǎng)江, 2,胡皓天,張維嘉,劉安安

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.滑鐵盧大學(xué) 道路與交通技術(shù)中心， 加拿大 滑鐵盧市 N2L3G1)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，各種混凝土結(jié)構(gòu)物的維修、拆除導(dǎo)致建筑垃圾存量日益累積，絕大部分未能得到合理利用，其再生利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家[1-2]。將廢棄混凝土清洗、物理破碎，按粒徑分級(jí)和按合理比例混合配制成再生骨料(Recycled Concrete Aggregate，簡(jiǎn)稱RCA)，對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大[3-4]。

作為一種環(huán)保材料，再生骨料的物理特性基本符合規(guī)范要求，能夠用于道路的新建、維修與養(yǎng)護(hù)工程。目前，我國(guó)對(duì)再生骨料的應(yīng)用研究多集中于水泥混凝土，即再生混凝土，大大限制了再生骨料的使用量。而不同等級(jí)、層位瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠?yàn)椴煌焚|(zhì)再生骨料提供大體量的消耗場(chǎng)所。但摻加再生骨料對(duì)于瀝青混合料性能存在較大影響，高低溫性能的結(jié)論基本一致，與天然骨料相比，再生骨料瀝青混合料高溫性能有所提升，低溫性能有所降低，但水穩(wěn)定性沒有一致的結(jié)論[5-8]。袁峻[9]等人[10-14]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析集料表面特征與混合料性能的相關(guān)性。現(xiàn)有技術(shù)主要是通過接觸點(diǎn)數(shù)量、接觸長(zhǎng)度等集料接觸特性去評(píng)價(jià)瀝青混合料骨料接觸[15-16]，需要大量的試驗(yàn)、材料和能源消耗，且對(duì)骨料的多樣性方面考慮不足。再生骨料瀝青混合料中骨料類型有再生骨料、天然骨料和殘余砂漿，在強(qiáng)度、吸水率等方面存在較大差異，因此對(duì)再生骨料瀝青混合料的性能影響也不同。為保證再生骨料瀝青混合料的性能，必須對(duì)再生骨料瀝青混合料中不同骨料接觸類型及其比例進(jìn)行分析。

本文在再生骨料、天然骨料物理特性測(cè)試與對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)AC-20C型天然骨料瀝青混合料和取代率為30%的再生骨料瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并測(cè)試其高溫穩(wěn)定性等性能。通過采集和處理再生骨料瀝青混合料試件斷面的圖像，分析了再生骨料瀝青混合料的骨架接觸類型，以及各接觸類型對(duì)瀝青混合料破壞的影響。

1 原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1 再生骨料與天然骨料

采用揚(yáng)州惠民再生資源有限公司生產(chǎn)的0～5 mm檔、5～15 mm檔、15～31 mm檔再生粗骨料。為進(jìn)行變異性分析，設(shè)置3組平行試驗(yàn)檢測(cè)再生骨料的各項(xiàng)物理性能；天然骨料采用石灰?guī)r；相關(guān)物理性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生骨料與天然骨料技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of recycled concrete aggregate and natural aggregate測(cè)試指標(biāo)壓碎值/%針片狀含量/%吸水率/%表觀密度/(g·cm-3)130.58.73.82.40再生粗骨料(一檔料)227.68.43.32.60328.18.33.22.40平均值28.78.33.42.50天然粗骨料20.411.81.42.90再生規(guī)范要求<20.0<10.0<5.0>2.35

從3組平行試驗(yàn)來(lái)看，再生骨料的變異性很小。除壓碎值外，其他指標(biāo)均符合Ⅱ類再生骨料規(guī)范要求，但壓碎值滿足天然骨料技術(shù)要求，可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。由于其表面黏附的殘留砂漿，再生骨料的針片狀含量和表觀密度，與天然骨料相比較小，而壓碎值和吸水率較大。

1.2 瀝青

瀝青采用江陰寶利生產(chǎn)的成品SBS改性瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3 礦粉

礦粉采用鎮(zhèn)江高資石灰?guī)r礦粉，技術(shù)性能指標(biāo)如表3所示。

1.4 再生骨料瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

選取AC-20C型作為天然骨料瀝青混合料和再生骨料瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配。大量研究表明，再生骨料取代率的上限為60%，且當(dāng)取代率為30%時(shí)，瀝青混合料的各項(xiàng)性能最佳[8]。故本文以30%取代率的AC-20C型再生骨料瀝青混合料為研究對(duì)象。天然骨料瀝青混合料合成礦料級(jí)配比例為1#∶2#∶3#∶4#∶礦粉=28∶32∶12∶24∶4；再生骨料瀝青混合料合成礦料級(jí)配比例為1#∶2#∶3#∶4#∶礦粉∶再生1#∶再生2#∶再生3#=11∶19∶18∶19:3∶16∶7∶7。兩種瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配見表4。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of SBS modified asphalt項(xiàng)目針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm針入度指數(shù)PI閃點(diǎn)/℃運(yùn)動(dòng)粘度(235℃)/(Pa·s)彈性恢復(fù)(25 ℃)/%RTFOT后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比/%15℃殘留延度/cm規(guī)范要求60～80≮55≮30-0.4～1.0≮230≯3.0≮65≯±1.00≮60≮20試驗(yàn)結(jié)果7164480.53291.876-0.088637

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of mineral powder類別相對(duì)密度/(g·cm-3)含水率/%粒徑范圍<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外觀親水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果2.7140.3810010092.2無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊0.60規(guī)范要求≥2.500≤1.0010090～10075～100無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊<1.00

采用馬歇爾試驗(yàn)方法，確定天然骨料瀝青混合料的最佳油石比為4.6%，再生骨料瀝青混合料的最佳油石比為4.8%，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 天然骨料瀝青混合料和再生骨料瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配Table 4 Design gradation of natural aggregate asphalt mixture and recycled concrete aggregate asphalt mixture類型通過各篩孔(方孔篩 mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075再生10094.791.078.469.149.227.019.613.99.67.55.9天然10095.184.971.558.837.324.818.712.98.58.16.2

表5 再生骨料瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Marshall test results of recycled concrete aggregate asphalt mixture級(jí)配類型油石比/%穩(wěn)定度/kN流值/ 0.1 mmVMA/ %空隙率/ %VFA/ %毛體積相對(duì)密度最大理論相對(duì)密度4.08.6225.813.66.152.22.3312.4894.512.3127.813.54.865.82.3442.473AC-20C5.011.5731.913.53.772.52.3562.4555.510.8935.613.83.376.82.3532.4416.010.0142.514.53.078.62.3512.428要求≥8.0 20～40≥13.03.0～5.065～75——

2 混合料性能試驗(yàn)

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)再生骨料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Rut test results of asphalt mixture混合料類型再生骨料取代率/%油石比/%車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度DS/(次·mm-1)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)范要求天然骨料瀝青混合料04.62 452≥2 400再生骨料瀝青混合料304.82 767

由表6可知，在相同試驗(yàn)條件下，再生骨料瀝青混合料由于油石比的增加，高溫性能較好，摻加再生骨料使混合料的高溫穩(wěn)定性能得到一定程度的提高。

從微觀分析，再生骨料由于殘余砂漿的附著以及破碎過程中相互碰撞擠壓產(chǎn)生的凹槽與裂縫，使得其表面粗糙度提升。與天然骨料或同類再生骨料接觸時(shí)，在受到荷載擠壓的情況下表面粗糙程度增加的摩阻力能抵消一部分荷載。同樣荷載下，天然骨料與天然骨料的骨架接觸類型受到荷載由于抵消較少，在荷載作用較大時(shí)這種骨架接觸類型易受到破壞，試件發(fā)生變形。

2.2 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，根據(jù)抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和勁度模量對(duì)兩種瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，破壞應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度伴隨著再生骨料的摻加而下降，但仍符合規(guī)范要求；勁度模量由于再生骨料的加入得到提高。因此，在摻加再生骨料的情況下，瀝青混合料的低溫性能有了一定程度的下降。

再生骨料瀝青混合料低溫性能下降的原因主要是：① 瀝青混合料中，骨料與瀝青之間的黏結(jié)關(guān)系發(fā)生破壞，接觸的界面分離，但是骨料本身并沒有受到任何損傷；② 在再生骨料瀝青混合料中，骨料與瀝青黏結(jié)這一接觸類型被再生骨料表面的殘余砂漿所取代，殘余砂漿的強(qiáng)度低于骨料強(qiáng)度，因此部分砂漿由于強(qiáng)度不足被損傷，試件發(fā)生破壞。

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Low temperature bending test results of asphalt mixture混合料類型再生骨料取代率/%破壞應(yīng)變/με抗彎拉強(qiáng)度/MPa勁度模量/MPa技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)天然骨料瀝青混合料02 5108.573 312≥2 500再生骨料瀝青混合料302 1208.313 930

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢測(cè)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of immersion marshall test and freeze-thaw split test for asphalt mixture混合料類型再生骨料取代率/%浸水殘留穩(wěn)定度MS0/%凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)要求天然骨料瀝青混合料087.3≥8586.3≥80再生骨料瀝青混合料3084.183.2

從表8數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)看，再生骨料會(huì)使瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比下降，說(shuō)明再生骨料瀝青混合料比天然骨料瀝青混合料的水穩(wěn)定性差，且不滿足規(guī)范要求。

本試驗(yàn)選取的天然骨料為石灰?guī)r，這種巖石的二氧化硅的含量小于55%，為堿性石材。與酸性相比，堿性石材擁有與瀝青更好黏結(jié)的能力。而表面的殘余砂漿使得再生骨料的表面粗糙、孔隙率提高，由于需要填補(bǔ)孔隙，再生骨料需要的瀝青用量更多，且更容易吸收周圍環(huán)境中的水分。同時(shí)，再生骨料再生破碎過程中產(chǎn)生的微裂縫對(duì)再生骨料的抗磨耗性能有一定的影響。以上這些原因?qū)е略偕橇?瀝青黏結(jié)界面薄弱區(qū)的產(chǎn)生，從而再生骨料瀝青混合料的水穩(wěn)定性較弱。因此，通常需要對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理以滿足水穩(wěn)定性要求。

2.4 抗疲勞性

采用小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)再生骨料瀝青混合料的抗疲勞性能。結(jié)果見表9。

表9中數(shù)據(jù)可以看出，再生骨料瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)明顯小于天然骨料，在450 με、650 με、850 με應(yīng)變水平下，分別減少了27%、25%、16.5%，說(shuō)明再生骨料對(duì)瀝青混合料的疲勞性能有著不利的影響。再生骨料強(qiáng)度低于天然骨料，內(nèi)部的微裂縫容易在荷載的作用下延展。而殘余砂漿與骨料的接觸界面更加可能導(dǎo)致脆性破壞的產(chǎn)生，并且在本文的級(jí)配中再生骨料粗粒的含量多于天然骨料，使得混合料變形受到阻礙、能力降低，斷裂破壞的可能性變高。

表9 瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Four-point bending fatigue test results of asphalt mixture瀝青混合料類型疲勞作用次數(shù)Nf/萬(wàn)次450 με650 με850 με天然骨料瀝青混合料57.0416.6761.594再生骨料瀝青混合料41.6864.9861.331

3 接觸特性試驗(yàn)研究

3.1 樣本制備與圖像采集

試件的切割工藝大致分為兩類，平面切割和曲面切割。平面切割采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的切割工藝。切割后的斷面有兩種，一種是平行于碾壓方向的斷面，由于受到壓實(shí)，斷面上的顆粒往往比真實(shí)的礦料顆粒小；另一種是垂直于碾壓方向的斷面，這類斷面上顆粒大小與真實(shí)大小最為接近，故推薦采用該類斷面圖片。曲面切割方法切割出的試件呈圓柱狀，對(duì)圓柱試件的側(cè)面采用CDD線陣掃描相機(jī)進(jìn)行圖像的采集。與平面切割采集的圖像相比，曲面圖像是由曲面展開成平面，圖像中的礦料形狀易發(fā)生改變。因此本文采用平面切割方法。

試件切割完成后，洗凈、放置于平整的桌面上靜置1 d。1 d后，將試件放置在平面上，平臺(tái)兩邊各擺放一盞LED燈照明，確保光照充足、亮度均勻。手持單反相機(jī)，由上向下拍攝照片，要求照片聚焦清晰。具體操作如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像采集系統(tǒng)示意圖

3.2 骨架接觸類型分析

3.2.1天然骨料與再生骨料的區(qū)分原則

再生骨料瀝青混合料接觸類型的討論，僅針對(duì)粒徑為2.36 mm以上的粗骨料。由于再生骨料與天然骨料在斷面上形狀、顏色較為接近，需確定合理的原則區(qū)別再生骨料與天然骨料，以便更好地研究混合料的接觸類型。

根據(jù)采集的圖像，列出如下區(qū)分原則：① 表面附著殘余砂漿的視為再生骨料；② 顏色存在明顯區(qū)別的視為再生骨料；③ 斷面存在微小裂縫的視為再生骨料；④ 存在一處邊界不清晰的視為再生骨料；⑤ 同一顆粒斷面上存在兩處及以上不一樣的顏色視為再生骨料；⑥ 顆粒斷面上含有明顯孔隙的視為再生骨料。區(qū)分示意圖見圖2。

3.2.2接觸類型與特性分析

根據(jù)采集的斷面圖，將接觸類型按照骨料類型分為6種：天然骨料與天然骨料的接觸、天然骨料與再生骨料的接觸、天然骨料與殘余砂漿的接觸、再生骨料與再生骨料的接觸、再生骨料與殘余砂漿的接觸和殘余砂漿與殘余砂漿的接觸。從采集的斷面圖中隨機(jī)選出6張，使用6種顏色分別標(biāo)志6種接觸類型，統(tǒng)計(jì)這6張斷面圖中，各種接觸類型所占的比例，結(jié)果如表10所示，統(tǒng)計(jì)過程見圖3。

圖2 骨料類型的區(qū)分示意圖

表10 接觸類型比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 10 Statistics on the proportion of contact types接觸類型圖(a)圖(b)圖(c)圖(d)圖(e)圖(f)平均值/%天然與天然0.00.90.00.00.80.00.3天然與再生1.82.65.88.610.613.77.2天然與砂漿0.90.04.72.22.30.71.8再生與再生17.152.234.955.951.564.746.1再生與砂漿41.433.944.225.831.118.732.4砂漿與砂漿38.710.410.57.53.82.212.2

(a)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，天然骨料間的接觸類型僅占9.3%。因?yàn)楸疚倪x用了AC-20C級(jí)配瀝青混合料，且在設(shè)計(jì)的礦料中再生骨料一號(hào)料占16%，天然骨料一號(hào)料占11%，再生骨料大顆粒明顯比天然骨料多。

在這6種接觸類型中，天然骨料與天然骨料的接觸為最優(yōu)接觸類型，而砂漿與砂漿的接觸為最不利接觸類型。再生骨料比天然骨料的棱角性更豐富、紋理結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，有利于瀝青混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而再生骨料與再生骨料的接觸類型占比達(dá)46.1%，進(jìn)一步解釋了瀝青混合料摻加再生骨料后高溫性能得到大幅度提高。由于表面殘余砂漿的存在，再生骨料強(qiáng)度相對(duì)較弱，對(duì)低溫性能有一定的影響，殘余砂漿與殘余砂漿的接觸類型占12.2%，一定程度上降低了混合料低溫性能。再生骨料表面覆蓋的殘余砂漿引起再生骨料-瀝青黏結(jié)界面薄弱，與殘余砂漿有關(guān)的接觸類型占46.4%，直接導(dǎo)致了再生骨料瀝青混合料水穩(wěn)定性的降低。而與再生骨料有關(guān)的接觸類型占85.7%，再生骨料強(qiáng)度低以及內(nèi)部微裂縫在重復(fù)荷載作用下更容易累積、擴(kuò)展，這是再生骨料瀝青混合料疲勞性能降低的主要因素。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先測(cè)試、分析了再生骨料的物理特性，然后設(shè)計(jì)了0%和30%再生骨料取代率的瀝青混合料，通過馬歇爾試驗(yàn)確定了最佳油石比，對(duì)天然骨料瀝青混合料和再生骨料瀝青混合料性能進(jìn)行了測(cè)試，并通過采集試件的斷面圖，分析了再生骨料瀝青混合料中骨架接觸類型的特點(diǎn)，這些工作為從骨架接觸特性角度評(píng)價(jià)再生骨料對(duì)再生骨料瀝青混合料性能的影響奠定了基礎(chǔ)。

a.再生骨料物理特性的3組平行試驗(yàn)結(jié)果表明：與天然骨料相比，再生骨料的表觀密度和針片狀含量較小，而吸水率和壓碎值明顯大于天然骨料，除了壓碎值，其他指標(biāo)仍能滿足規(guī)范要求。

b.天然骨料瀝青混合料最佳油石比為4.6%，再生骨料瀝青混合料最佳油石比為4.8%，再生骨料表面附著砂漿及表面損傷增加了其瀝青混合料的瀝青用量。

c.再生骨料使瀝青混合料高溫抗車轍性提高，而低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性降低，且水穩(wěn)定性低于規(guī)范要求。

d.對(duì)再生骨料瀝青混合料中骨架接觸類型進(jìn)行了分類，并給出了判別原則。車轍板試件斷面數(shù)字圖像統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：30%取代率下AC-20C型再生骨料瀝青混合料中再生骨料類接觸占比高達(dá)85.7%，而天然骨料接觸類型僅占9.3%。