就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性的影響因素研究

盛三湘 陳宇亮 王巍偉

摘要：為了提升就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的路用性能，以數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行集料識(shí)別為基礎(chǔ)，采用均勻性評(píng)價(jià)確定再生混合料的集料分布不均勻系數(shù)D、新集料分布不均勻系數(shù)H、孔隙分布不均勻系數(shù)K和試件的孔隙率V，通過(guò)正交試驗(yàn)討論了RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料拌和溫度及新舊料混合時(shí)間對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性的影響，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析。結(jié)果表明：1）RAP加熱溫度和新舊料混合時(shí)間對(duì)試件均勻性和孔隙率大小的影響都極為顯著，宜控制在120～130 ℃;2）RAP拌和時(shí)間對(duì)試件均勻性影響較小，試件孔隙率隨RAP拌和時(shí)間的增加逐漸降低，可控制在90 s左右;3）新瀝青混合料溫度對(duì)瀝青混合料均勻性影響較小，而新舊料混合時(shí)間對(duì)瀝青混合料均勻性影響較大，新舊料混合時(shí)間應(yīng)不小于90 s。研究成果可為瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：特種建筑材料;瀝青路面;就地?zé)嵩偕?均勻性;加熱溫度;拌合時(shí)間

中圖分類號(hào)：U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03011

Abstract：In order to improve the performance of hot in-place recycling asphalt mixtures， based on the aggregate recognition of digital image processing technology， the coefficient D of non-uniformity of aggregate distribution of recycled aggregate mixtures， the coefficient H of non-uniformity of new aggregate distribution， the coefficient K of non-uniformity of void distribution and the voidage V of specimen were determined by uniformity evaluation， and the influence of the RAP heating temperature， RAP mixing time， mixing temperature of new asphalt mixtures and mixing time of recycling mixtures on the uniformity of geothermal reclaimed asphalt mixtures were discussed by orthogonal experiment. The results are analyzed by range analysis and variance analysis. The results show that： 1） RAP heating temperature has significant effects on the uniformity and voidage of specimens as well as the mixing time of new and used mixtures， which should be controlled within 120～130 ℃; 2） the RAP mixing time has little effect on the uniformity of the specimens， and the voidage of the specimen decreases gradually with the increase of RAP mixing time which can be controlled at about 90 s ; 3） the temperature of new asphalt mixture has little influence on the uniformity of asphalt mixtures， while the mixing time of new and used materials has great influence on the uniformity of asphalt mixtures. The mixing time of new and used materials should not be less than 90 s. The research results provide a reference for the optimization of geothermal regeneration technology of asphalt pavement.

Keywords：special building materials; asphalt pavement; hot in-place recycling; uniformity; heating temperature; mixing time

作為高速路面的主要形式，瀝青路面服役周期大約為10年，即每10年高速瀝青路面就要經(jīng)歷一次大修[1]。常用的維修方法為銑刨重鋪，銑刨產(chǎn)生的大量廢棄瀝青混合料基本上是堆放處理，不僅占用土地，而且污染環(huán)境[2]。瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)作為一種路面材料再生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-6]，然而在應(yīng)用過(guò)程中再生瀝青混合料的均勻性問(wèn)題是較難解決的問(wèn)題[7]。程培峰等[8]從混合料配比方面研究了細(xì)集料摻量對(duì)再生瀝青混合料均勻性及路用性能的影響，結(jié)果表明，細(xì)RAP比例為13%時(shí)，新混合料均勻性達(dá)到最佳;曾俐豪[9]針對(duì)混合料材料及配比，研究了舊瀝青老化時(shí)間和瀝青種類對(duì)新混合料的均勻性影響，并且從施工方面研究了不同的干拌時(shí)間對(duì)新混合料均勻性和路用性能的影響，得出各因素影響程度排序?yàn)榕f瀝青老化時(shí)間>施工階段>瀝青種類;莊旭青[10]通過(guò)調(diào)整新料添加比例、拌和溫度、拌和時(shí)間和再生劑添加量等因素，研究了不同因素對(duì)新舊瀝青混溶效果的影響，結(jié)果表明，新混合料的添加比例對(duì)新舊瀝青的混溶度影響不大，拌和溫度對(duì)新舊瀝青的混溶度影響明顯，再生劑的添加和拌和時(shí)間的增加能有效提高新舊瀝青的混溶度。

影響瀝青混合料均勻性的因素很多，在設(shè)計(jì)階段，有混合料的類型、級(jí)配、最大公稱粒徑和油石比;在施工階段，有拌和時(shí)間、拌合方式、運(yùn)輸方式、攤鋪溫度和壓實(shí)功[11-16]。目前，加熱溫度、拌和時(shí)間以及是否使用再生劑是影響就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性的關(guān)鍵因素。筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在成型馬歇爾試件時(shí)，控制RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料拌和溫度以及新舊料混合時(shí)間等4個(gè)因素，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可行的正交試驗(yàn)，以均勻性指標(biāo)作為研究對(duì)象，定量分析就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性的影響因素。第3期盛三湘，等：就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性的影響因素研究河北工業(yè)科技第38卷

1均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

為分析就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的二維結(jié)構(gòu)特征，對(duì)瀝青混凝土的二維數(shù)字圖像進(jìn)行識(shí)別分割。對(duì)再生混合料組成進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖1所示。

1）集料再生瀝青混合料中能夠被DIP技術(shù)區(qū)分識(shí)別的集料，包括RAP中的集料，新加入的輝綠石集料，以及RAP中部分顆粒粒徑較大的細(xì)集料。

2）輝綠石集料新加入的輝綠巖集料，顆粒粒徑為4.75～13.2 mm。

3）孔隙未被集料和瀝青砂漿填充的部分。

4）瀝青砂漿除去上述3種組分后的部分，包括瀝青、填料和部分顆粒粒徑較細(xì)的集料。

集料識(shí)別通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，首先對(duì)混合料界面進(jìn)行圖像修剪和灰度化預(yù)處理;其次進(jìn)行圖像分割，如圖2所示;最后進(jìn)行圖像后處理，主要是對(duì)空洞進(jìn)行填充，繼而進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，確保完成均勻性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)備工作。

評(píng)價(jià)再生瀝青混合料均勻性的指標(biāo)主要有集料分布均勻性、新舊料混合均勻性以及孔隙率均勻程度。試件的均勻性應(yīng)該由試件的每一個(gè)截面均勻性決定，用各截面均勻性指標(biāo)的均值反映。截面均勻性Dj，Hj和Kj通過(guò)Matlab對(duì)圖像的處理及計(jì)算得到。計(jì)算原理如圖1所示，將試件截面劃分成36個(gè)區(qū)域，可以獲取各個(gè)區(qū)域集料的像素個(gè)數(shù)，即集料所占據(jù)的面積，再計(jì)算劃分區(qū)域的像素面積，兩者相除可得各個(gè)區(qū)域的顆粒面積比Fij，對(duì)36個(gè)區(qū)域的Fij進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算Fij的標(biāo)準(zhǔn)差S。各個(gè)區(qū)域Fij的標(biāo)準(zhǔn)差S反映區(qū)域特性的離散程度，即集料的均勻程度。因此，可以把標(biāo)準(zhǔn)差S作為評(píng)價(jià)截面上集料的均勻性指標(biāo)Dj，計(jì)算過(guò)程如下：

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮到影響因素較多，采用正交試驗(yàn)，從中挑選有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用L9（34）正交表，做9次試驗(yàn)，觀察4個(gè)因素的3個(gè)水平，如表1所示。

按照表1所示的正交試驗(yàn)方案分別進(jìn)行瀝青混合料的制備，并采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行試件成型，然后，對(duì)不同試件進(jìn)行切割，拍照獲取界面圖像，通過(guò)Matlab圖像處理技術(shù)對(duì)成型試件進(jìn)行處理分析，結(jié)合均勻性指標(biāo)計(jì)算理論、Matlab識(shí)別和計(jì)算技術(shù)計(jì)算再生混合料的集料分布不均勻系數(shù)D、新集料分布不均勻系數(shù)H、孔隙分布不均勻系數(shù)K。同時(shí)，計(jì)算試件截面孔隙率Vj的平均值，以此作為試件的孔隙率V分析不同的試驗(yàn)因素對(duì)試件孔隙率的影響。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為正交試驗(yàn)中9組試驗(yàn)條件下制備、成型的再生瀝青混合料通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)和均勻性理論計(jì)算得到的不均勻系數(shù)D，H，K和孔隙率V。

3.1集料分布均勻性的影響因素分析

通過(guò)表2中的試件集料分布不均勻系數(shù)D，分析RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料溫度、新舊料混合時(shí)間對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料集料均勻性的影響。

3.1.1極差分析

根據(jù)表1中正交試驗(yàn)方案和表2的正交試驗(yàn)結(jié)果中的不均勻系數(shù)D，計(jì)算不同條件下試件各因素的不均勻系數(shù)和極差，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可知，RAP加熱溫度的極差最大，新瀝青混合料溫度的極差次之，RAP拌和時(shí)間極差最小。這說(shuō)明RAP加熱溫度對(duì)不均勻系數(shù)D的影響最為顯著，新瀝青混合料溫度和新舊料混合時(shí)間對(duì)不均勻系數(shù)D的影響次之，RAP拌和時(shí)間對(duì)試件的集料不均勻系數(shù)D影響最小。

3.1.2因素指標(biāo)分析

不均勻系數(shù)D隨RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料溫度和新舊料混合時(shí)間變化的效益指標(biāo)如圖3所示。不均勻系數(shù)D越大，代表均勻性越差。因此，從圖3中可以看出，RAP加熱溫度越高，試件均勻性越好。RAP拌和時(shí)間在90 s以內(nèi)時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，試件均勻性越好;拌和時(shí)間超過(guò)90 s后，拌和時(shí)間的增加對(duì)試件均勻性的提高沒(méi)有顯著效果。

3.1.3方差分析

不均勻系數(shù)D的方差分析如表4所示。

由表4可知，當(dāng)檢驗(yàn)水平α=0.1時(shí)，因素RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的統(tǒng)計(jì)量F大于F0.1。說(shuō)明這2個(gè)因素對(duì)不均勻系數(shù)D的影響是顯著的，而RAP拌和時(shí)間和新舊料混合時(shí)間對(duì)混合料均勻性的影響較小。4個(gè)因素對(duì)不均勻系數(shù)D影響的次序是：RAP加熱溫度>新瀝青混合料溫度>新舊料混合時(shí)間>RAP拌和時(shí)間。

3.2新舊集料混合均勻性的影響因素分析

3.2.1極差分析

影響新舊集料混合均勻性因素的極差分析如表5所示。

由表5可知，在所有因素中，RAP加熱溫度的極差最大，新舊料混合時(shí)間次之，而RAP拌和時(shí)間和新瀝青混合料溫度因素的極差較小且沒(méi)有明顯差別。說(shuō)明RAP加熱溫度對(duì)試件的不均勻系數(shù)H影響最為顯著，新舊料混合時(shí)間對(duì)試件的不均勻系數(shù)H影響次之，RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料溫度對(duì)試件的不均勻系數(shù)H幾乎沒(méi)有影響。

3.2.2因素指標(biāo)分析

不均勻系數(shù)H的效益指標(biāo)如圖4所示。隨著RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的升高、RAP拌和時(shí)間和新舊料混合時(shí)間的增長(zhǎng)，不均勻系數(shù)H越來(lái)越小。不均勻系數(shù)H越小，表明新舊料混合越均勻，因此新舊料混合均勻性會(huì)隨著RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的升高、RAP拌和時(shí)間和新舊料混合時(shí)間的增長(zhǎng)而越來(lái)越好。

3.2.3方差分析

不均勻系數(shù)H的方差分析如表6所示。

由表6可知，當(dāng)檢驗(yàn)水平α=0.1時(shí)，因素RAP加熱溫度和新舊料混合時(shí)間的統(tǒng)計(jì)量F>F0.1，說(shuō)明這2個(gè)因素對(duì)不均勻系數(shù)H的影響是顯著的，其他因素的影響不顯著，并且RAP加熱溫度的影響大于新舊料混合時(shí)間的影響。當(dāng)檢驗(yàn)水平α=0.05時(shí)，4個(gè)影響因素中只有RAP加熱溫度對(duì)不均勻系數(shù)H的影響是顯著的，其他因素的影響不顯著。

3.3孔隙分布的影響因素研究

3.3.1孔隙分布均勻性的影響因素研究

1）極差分析

影響孔隙分布因素的極差分析如表7所示。

通過(guò)表7可知，4個(gè)因素的極差大小非常接近，因此，4個(gè)因素對(duì)孔隙分布均勻性的影響程度比較接近，無(wú)法區(qū)分哪一個(gè)因素占主導(dǎo)地位。

2）因素指標(biāo)分析

不均勻系數(shù)K的效益指標(biāo)如圖5所示。

從圖5中可知，隨著RAP加熱溫度升高，不均勻系數(shù)K增大，其他因素的曲線不單調(diào)。不均勻系數(shù)K越大，代表均勻性越差，由因素指標(biāo)分析得出結(jié)論：隨著RAP加熱溫度的升高，試件孔隙分布越不均勻。這和通常的理解是不一樣的，初步考慮是誤差的原因，進(jìn)一步對(duì)不均勻系數(shù)K進(jìn)行方差分析，以綜合考慮。

3）方差分析

不均勻系數(shù)K的方差分析如表8所示。

由表8可知，不管檢驗(yàn)水平α多大，4個(gè)因素的統(tǒng)計(jì)量F都小于Fα，方差分析結(jié)果表明4個(gè)因素對(duì)不均勻系數(shù)K沒(méi)有顯著影響。

3.3.2孔隙率的影響因素研究

1）極差分析

影響孔隙率因素的極差分析如表9所示。

由表9可知，RAP加熱溫度的極差最大，RAP拌和時(shí)間的極差次之，其余因素的極差較小。說(shuō)明RAP加熱溫度對(duì)試件孔隙率的影響最為顯著，RAP拌和時(shí)間對(duì)試件孔隙率的影響次之，而新瀝青混合料溫度、新舊料混合時(shí)間對(duì)試件孔隙率影響不大。

2）因素指標(biāo)分析

分析因素指標(biāo)能夠研究每種因素是如何影響指標(biāo)的。試件孔隙率V的效益指標(biāo)如圖6所示。

從圖6中可知，隨著RAP加熱溫度升高，RAP拌和時(shí)間的增長(zhǎng)，孔隙率V越來(lái)越小。理論上分析，由于新料比例為20%，占比較少，試件孔隙主要由RAP決定，而RAP的分散效果尤為關(guān)鍵，RAP溫度過(guò)低，拌和時(shí)間較短，容易產(chǎn)生很多未分散的RAP團(tuán)，并且RAP溫度過(guò)低也會(huì)影響最終再生混合料的溫度，導(dǎo)致?lián)魧?shí)效果不佳，產(chǎn)生了較多的孔隙。

3）方差分析

試件孔隙率V的方差分析如表10所示。

由表10可知，當(dāng)檢驗(yàn)水平α=0.05時(shí)，RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間的統(tǒng)計(jì)量F>Fα，說(shuō)明這2個(gè)因素對(duì)試件孔隙率V的影響顯著，且RAP加熱溫度影響最大，拌和時(shí)間次之。其余因素對(duì)孔隙率的因素影響不顯著，誤差較大。

4結(jié)論

瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)因可以減少環(huán)境污染、延長(zhǎng)原有瀝青路面壽命、降低維修成本而被廣泛關(guān)注和使用，隨之而來(lái)的再生瀝青混合料的均勻性問(wèn)題成為相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。本文選取RAP加熱溫度、RAP拌和時(shí)間、新瀝青混合料溫度和新舊料混合時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不均勻系數(shù)D，H，K和試件孔隙率V等性能指標(biāo)的分析評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論。

1）RAP加熱溫度對(duì)試件集料分布均勻性、新舊料混合均勻性以及孔隙率的影響都極為顯著，對(duì)孔隙分布均勻性影響較小。隨著RAP加熱溫度升高，就地?zé)嵩偕旌狭霞戏植荚絹?lái)越均勻，新舊料混合越來(lái)越均勻，孔隙率也越來(lái)越低，綜合試驗(yàn)結(jié)果，RAP加熱溫度宜控制在120～130 ℃。

2）試件孔隙率隨著RAP拌和時(shí)間的增加逐漸降低，試件均勻性變化不大，通過(guò)試驗(yàn)，建議RAP拌和時(shí)間控制在90 s左右。

3）新瀝青混合料溫度宜控制在160 ℃，此時(shí)集料分布均勻性較好，孔隙率達(dá)到最小值，新瀝青混合料溫度對(duì)新舊料混合均勻性、孔隙分布均勻性影響不大。

4）新舊料混合時(shí)間對(duì)新舊料混合均勻性影響較為顯著，對(duì)集料分布均勻性、孔隙分布均勻性以及孔隙率影響都不顯著。隨著新舊料混合時(shí)間增加，熱再生混合料均勻性也增加，混合時(shí)間應(yīng)不小于90 s。

本文僅考慮了施工的外在因素，未能考慮材料的內(nèi)在因素。后續(xù)應(yīng)該繼續(xù)對(duì)使用不同材料、不同配比的就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均勻性進(jìn)行研究。

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