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不同马歇尔击实方法乳化沥青冷再生混合料细微观结构性能研究,中国沥青网,sinoasphalt.com
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不同马歇尔击实方法乳化沥青冷再生混合料细微观结构性能研究
2019年03月05日    阅读量:4844    新闻来源:中国沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

引言


目前我国乳化沥青冷再生混合料设计方法对第一遍击实后,试件在模内养生条件是采用第一遍双面击实后(50)60℃模内养生40h后第二次击实(25),该击实次数的确定主要是为了避免养生过程试件膨胀对试验结果的影响,同时在一定程度上模拟了施工现场摊铺面层沥青混合料时的二次碾压作用。但亦有研究成果提出,马歇尔设计方法中的二次击实破坏了水泥的凝结和乳化沥青的粘结状态导致强度降低,且二次击实过程可能会造成集料破损。尽管许多学者提倡有条件的情况下使用旋转压实成型方式设计乳化沥青冷再生混合料,但目前应用马歇尔击实方法还很普遍,现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF412008)乳化沥青冷再生混合料试件击实方法的选择主要是基于工程经验和借鉴国外相关技术规范,尤其缺乏击实方式对再生混合料细微观形态的影响研究,要进一步完善乳化沥青冷再生混合料设计方法,有必要从细微观角度解释击实方法对乳化沥青冷再生混合料强度的影响机理,本文研究结果可为沥青路面冷再生混合料配合比设计选择合理的马歇尔击实方式提供理论依据中国沥青网sinoasphalt.com


原材料与配比


试验选用的乳化沥青由慢裂慢凝乳化剂、盐酸调节剂、水、SK90号基质沥青试验室自制;水泥选用秦岭牌PO32.5普通硅酸盐水泥;RAP为陕西某高速公路沥青路面铣刨料,新集料为机制砂和石灰岩碎石,根据RAP1020mm碎石(新集料)、机制砂筛分试验结果,确定其各自掺加比例为RAP料∶碎石∶石屑=781210


采用重型击实试验确定1.5%水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量为4.4%,按照湿ITS最大,同时兼顾干ITS和劈裂强度比较大的原则确定的最佳乳化沥青用量为4.0%


不同击实方法乳化沥青冷再生混合料强度特性


试验方案


为研究不同击实方法对乳化沥青冷再生混合料强度特性的影响,所有试件的养生温度为40℃,养生3d后进行二次击实,总击实次数为75次,考虑到第一次仅击实20次,试件比较松散成型过程中翻模时易损坏,养生方案如下:


方案:第一遍双面击实30次,模内养生后双面击实45次,“30+45;


方案:第一遍双面击实40次,模内养生后双面击实35次,“40+35;


方案:第一遍双面击实50次,模内养生后双面击实25次,“50+25;


方案:第一遍双面击实60次,模内养生后双面击实15次“60+15;


方案:一次性完成双面击实75次,“75+0”。


劈裂强度试验


每个击实方法下共成型16个试件,量取二次击实前后试件的高度,用于计算击实高度比(二次击实前试件高度与试件最终高度的比值),以试件15℃干、湿劈裂强度、击实前后空隙率作为评价指标。


试验结果表明:①养生前第一遍击实,随着击实次数的增多,乳化沥青冷再生混合料的空隙率减小,双面击实50次后空隙率趋于稳定,可见在一定范围内提高击实次数有利于提高乳化沥青冷再生混合料的密实度,进而劈裂强度提高。②总击实次数相同,相比“75+0”一次击实法,二次击实后“50+25”、“60+15”两种击实方法所成型的马歇尔试件空隙率显著减小,干、湿劈裂强度明显提高,而“30+45”、“40+35”两种击实方法空隙率分别达到了12.27%11.34%,略大于11.16%,干、湿劈裂强度也略小于“75+0法”。③比较各击实方法二次击实前试件高度与试件最终高度的比值,第一次击实次数越多,击实高度比越小,可见第二次击实对进一步提高试件密实度有一定的效果,第一次压实功越小,二次压实作用对试件的密实度改善效果越显著。④对于“50+25”击实法,第一遍击实后试件高度可大致按照63.5±1.3mm除于1.03来进行预估,此外本次试验并未发现“75+0法”40℃模内养生后试件膨胀,这可能有3方面原因:一是我国乳化沥青的质量得到极大提高,远高于10多年前的沥青质量标准,二是水泥的性能可能存在差异,三是本次试验养生温度为40℃,养生过程中水分的迁移速度和迁移路径与60℃有所不同。⑤以空隙率和劈裂强度作为评价标准,“50+25”法所成型的马歇尔试件空隙率最小,劈裂强度最大,不仅更符合目前的施工机械水平,更有利于提高乳化沥青冷再生混合料的最终强度,击实效果最为理想。


不同击实方法乳化沥青冷再生混合料粗集料分布状态


数字图像处理


乳化沥青冷再生混合料中粗集料约占38%57%,空隙率9%14%,属于悬浮-空隙结构,不同击实方式其本质都是集料在荷载作用下紧密排列、填充的过程,目前国内外普遍采用压实度来评价沥青混合料的压实效果,无法用来精确地分辨判别压实过程中集料颗粒的排列状况。由于集料的多为立方体的多面体,实际形态更接近椭球体,存在一个“长轴”和“短轴”,根据填充理论以及路面摊铺碾压过程和车辆荷载补状态”混合料才能具有较大的密实度和力学强度。参考已有研究成果,本文将CT扫描图像中的集料面积等效为等面积和同最大主轴的椭圆,用于定量揭示不同击实方式对集料取向的影响。根据CT扫描原理,集料的密度较大,可很好从扫描图像中分离,采用国外学者H.Bahia等人开发的基于Matlab程序语言编写的数字图像处理与分析软件iPas对扫描切片进行预处理。


集料取向分析


研究表明粗集料构成混合料的骨架结构,其排列取向是最主要因素,本文选择粗集料颗粒长轴排列取向特性为指标,用来比较评价不同击实方法下压实效果的差异。采用XrayCT技术和数字图像处理技术研究五种击实方法乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件的内部粗集料分布特征,并通过统计分析提出数学模型对其进行表征,针对不同击实方法二次击实前后的粗集料取向角进行分析,每个击实方式共635×4张图片,经室内初步统计拟合,粗颗粒主轴方向基本符合洛伦兹函数(Lorentzian)分布,本文以洛伦兹函数拟合峰值概率对应的径向角表征集料颗粒最可能的分布取向。


统计分析结果表明:①马歇尔击实方式下乳化沥青冷再生混合料粗集料取向角基本符合洛伦兹分布,主要表现在样本概率分布曲线的规律性和偏峰性,击实方法对乳化沥青冷再生混合料颗粒取向有显著影响;②相同击实次数,“30+45”、“40+35”、“50+25”、“60+15”、“75+0”五种击实方法经二次击实后粗集料取向角代表值依次为22.23°、22.13°、21.47°、20.96°、20.28°,取向角越小,粗集料越趋于“平躺”状态,可见“75+0次”击实方法最为理想;③第一次击实次数越少,粗集料取向角代表值越大,随着第一次击实次数的增加,粗集料颗粒取向角呈线性关系减小,且拟合关系良好,可见压实功不足不仅影响乳化沥青冷再生混合料的密实状态,也会对粗集料之间的相互嵌挤和骨架承载结构有一定的影响;④总击实次数相同条件下,第一次击实后粗集料取向角偏大的“30+40次”法,二次击实后粗集料取向角仍最大,一般而言,第一次击实后粗集料取向角越大经二次击实后粗集料取向角也越大,第二遍击实次数越多,粗集料取向角减小幅度越大,“30+45”、“40+35”、“50+25”、“60+15”四种击实方法,第二次击实功分别为第一次击实功的150%87.5%50%25%,经二次击实后粗集料取向角分别减小了18%12.9%5.1%4.1%,可见增大二次击实功虽然可改善乳化沥青冷再生混合料的颗粒分布结构,但远没有增大第一次击实功效果明显。


不同击实方法乳化沥青冷再生混合料空隙分布特征


乳化沥青冷再生混合料细微观空隙获取


CT扫描技术和图像处理技术相结合研究沥青混合料的细观结构特征成为近年来沥青混合料研究的一种新方法。空隙率大且空隙数量多是冷再生混合料最显著的特征之一,马歇尔试件击实方法是沥青路面冷再生混合料配合比设计中最重要的部分之一,不同成型方法再生混合料内部细集料的填充方式、填充饱和程度以及二次击实对马歇尔试件密实程度的影响等势必会有一定的差异,本文基于工业CT的无损检测技术和VG软件的三维重构功能,从细微观方向系统研究不同击实方法,进而比较5种压实方法下乳化沥青冷再生混合料试件的空隙分布规律,验证得到更适合工程实际的压实方法,为以后的研究提供了新的思路。参考已有研究成果,以表干法实测空隙率为计算目标,经反复检验得出了乳化沥青冷再生混合料细微观空隙测试方法:①成型标准马歇尔试件,用铝箔将试件完全封闭,调整CT扫描参数,进行无损扫描测试,断层扫描的间距是0.1mm,一个标准马歇尔试件可得到635张扫描图片;②测算用于CT扫描试件的空隙率,室内试验采用表干法测算试件空隙率V1;③将扫描图像导入VG软件进行三维重构,设置试验参数,应用配套的缺陷分析模块,测算试件的空隙率V2,应用缺陷分析模块时,选择“缺陷扩展”之后,设置待测算孔隙率的最大值与最小值,本文最大孔隙体积设置为800mm3,最小空隙体积设置为0mm3;④对比表干法实测空隙率V1CT测算空隙率V2的差异,若二者相差超过15%,需重新调整CT扫描或阈值参数。


不同击实方法乳化沥青冷再生混合料空级配


空级配是指乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件中被统计空隙体积占总空隙数量的百分比。对VG计算得到的excel表单进行统计分析,取4个平行试件的平均值作为统计结果。


统计结果表明:①“50+25”、“60+15”、“75+0”法呈现出了良好的压实效果,主要表现在小于0.1mm3空隙百分比大,大孔数量百分比小,5种击实方法,大于10mm3空隙百分比分别为1.498%1.266%0.921%0.944%1.125%,小于0.1mm3的空隙百分比依次为68.207%69.527%70.933%69.897%69.775%;②与75+0法相比,相同击实次数,“50+25”、“60+15法”空级配中大孔百分比明显减小,而小孔百分比显著增大,为了直观反映二次击实作用对乳化沥青冷再生混合料内部大孔的影响,图4给出了不同击实方法乳化沥青冷再生混合料内部大于100mm3空隙的平均空隙体积,可见通过二次击实可减少乳化沥青冷再生混合料内部的大孔,减少有害空隙,改善混合料内部的空级配,这对于提高乳化沥青冷再生混合料的水稳定性和力学强度有重要意义;③与“50+25法”相比,总击实次数相同,击实方法不同,“30+45”和“40+35”两种击实方法所成型的试件,不仅大于100mm3的空隙数量多,空隙体积大,且小于0.1mm3百分比小,分析其原因,第一次击实次数过少,混合料内部残留的空隙率较大,二次击实作用虽然可以提高乳化沥青冷再生混合料的密实度,但经室内加速养生后乳化沥青破乳、水泥水化反应完成,二次击实时混合料强度已经基本完成,二次击实作用对集料的空间取向角和乳化沥青胶浆密实度的改善并不显著。


不同击实方法乳化沥青冷再生混合料平均孔径


本文利用统计学方法在数据处理方面的优势计算乳化沥青冷再生混合料等效直径来描述空隙的基本参数,平均等效直径是指计算试件内部全部空隙等效当量球直径的平均值。


计算结果表明,相同击实次数,随着二次击实次数的减小乳化沥青冷再生混合料平均孔径呈先减小后增大的变化趋势,其中“50+25”击实法成型的马歇尔试件平均孔径最小,“30+45法”平均孔径最大。与“75+0”相比,“50+25”、“60+15法”平均孔径分别减小了11.7%8.7%,可见二次击实对进一步提高马歇尔试件密实度有一定的效果。与“50+25”相比,“30+45”和“40+35”两种击实方法的平均孔径分别增大了26.45%19.5%,可见提高第一遍击实次数可减小乳化沥青冷再生混合料平均孔径,第一遍压实次数对混合料细微观空隙特征的影响比二次压实次数更为显著。建立了细微观平均孔径分布特征与劈裂强度之间的关系,二者线性拟合关系良好,这也可以解释不同击实方法乳化沥青冷再生混合料强度差异的原因。


结论


① 总击实次数相同,二次击实后“50+25”、“60+15”两种击实方法所成型的马歇尔试件空隙率显著减小,干、湿劈裂强度明显提高,第二遍击实对进一步提高马歇尔试件密实度有一定的效果,第一次压实功越小,二次压实作用对试件的密实度改善效果越显著。


②击实方法对乳化沥青冷再生混合料颗粒取向有显著影响,马歇尔击实方式下乳化沥青冷再生混合料粗集料取向角基本符合洛伦兹分布。相同击实次数,第一遍击实后粗集料取向角越大,经养生后第二遍击实粗集料取向角也越大,可见增大二次击实功虽然可改善乳化沥青冷再生混合料的颗粒分布结构,但远没有增大第一次击实功效果明显。


③相同击实次数,“50+25”、“60+15法”空级配中大孔百分比明显减小,而小孔百分比显著增大,通过二次击实减小乳化沥青冷再生混合料内部的大孔,减少有害空隙,改善混合料内部的空级配,“30+45”和“40+35”两种击实方法所成型的试件,不仅大于100mm3的空隙数量多,空隙体积大,且小于0.1mm3百分比小。


④相同击实次数,随着二次击实次数的减小乳化沥青冷再生混合料平均孔径呈先减小后增大的变化趋势,“50+25”法所成型的马歇尔试件平均孔径最小,击实效果最为理想,平均孔径与干、湿劈裂强度之间具有良好的线性拟合关系。



标签:技术中心改性沥青
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