高 磊 倪富健 羅海龍 楊美坤

(東南大學交通學院, 南京 210096)

?

乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征

高 磊 倪富健 羅海龍 楊美坤

(東南大學交通學院, 南京 210096)

為了研究乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征之間關系,通過測定滲透系數來評價其透水性，并利用工業(yè)CT掃描觀測其內部細觀空隙結構.根據乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生過程中空隙率的變化,探究水泥和水對其空隙形成的影響．結果發(fā)現,乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下具有相對較低的透水性;其平均空隙尺寸略小于同級配的熱拌瀝青混合料,且大空隙較少,小空隙較多;乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實空隙和養(yǎng)生空隙構成,水分的蒸發(fā)和水泥用量對養(yǎng)生空隙的形成具有顯著的影響,隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內部形成了許多養(yǎng)生空隙;乳化瀝青冷再生混合料的空隙尺寸以及分布特征是造成其低透水性的重要因素．

冷再生混合料;滲透系數;CT掃描;空隙特征

就地冷再生技術(cold in-place recycling,CIR)是國外瀝青路面的養(yǎng)護、維修和升級的常規(guī)方式之一[1]．它不僅可以充分利用舊瀝青混凝土,節(jié)約資源,而且能夠消除舊路病害,同時可以保持路面標高,重建道路輪廓,改善橫坡,從而提高道路等級[2]．乳化瀝青冷再生是以乳化瀝青作為再生劑,適當添加水泥、新集料等材料對舊瀝青混合料進行再生利用的一項技術[3]．該技術的推廣與應用對我國道路養(yǎng)護工程產生了積極的影響,但目前國內對乳化瀝青冷再生混合料的認識還不深入,許多方面還有待研究．

普通密級配熱拌瀝青混合料的空隙率較小,空隙飽水較少,在荷載作用下一般不會產生動水壓力,有一定的抗水損害能力;而空隙率在15%以上的排水瀝青混合料一般都采用改性瀝青,且水分能夠及時排出,不易發(fā)生水損害[4]．而乳化瀝青冷再生混合料的空隙率通常在8%～14%之間,恰好處在最不利的范圍內,但實際工程表明,乳化瀝青冷再生混合料具有低透水性的特征[5]．

為了評價乳化瀝青冷再生混合料的透水性能,本文測定了乳化瀝青冷再生混合料與其他熱拌瀝青混合料的滲透系數,對比分析乳化瀝青冷再生混合料的透水性．采用工業(yè)CT掃描技術,觀測乳化瀝青冷再生混合料的內部空隙特征,并與普通密級配熱拌瀝青混合料進行比較.分析乳化瀝青冷再生混合料內部空隙結構對其透水性的影響．最后,通過研究乳化瀝青冷再生混合料在養(yǎng)生過程中空隙率的變化規(guī)律,進一步揭示了乳化瀝青冷再生混合料中空隙形成的原理．

1 試驗材料

試驗所用的回收瀝青路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)來自于實際工程．由于舊料中細集料較少,需要摻加粒徑4.75 mm以下的新料,摻量為15%．冷再生混合料的舊料級配、新料級配以及合成級配如表1所示,滿足冷再生規(guī)范要求,屬于中粒式級配．根據劈裂強度試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果,確定慢裂性乳化瀝青摻量為3.6%,通過拌合試驗確定的最佳水摻量為2.9%,水泥摻量為1.5%．

表1 乳化瀝青冷再生混合料級配

2 滲透系數測定及結果分析

2.1 合理水力梯度確定

滲透系數是反映孔隙介質透水能力的一個綜合指標．當水流速度較慢時,在水頭差的作用下,斷面的滲透平均速度與水力梯度成正比,即達西定律．滲流的流態(tài)可用雷諾數Re來判斷,由于乳化瀝青冷再生混合料的合成級配中,10%通過率的集料尺寸介于0.3～0.6 mm之間,用線性內插法計算得到10%通過率的顆粒直徑為0.455 mm,參考滲透系數測試方法,根據土壤材料常用的滲流雷諾數計算公式,計算得到滲流速率v的上限范圍為0.251～2.51 cm/s[6]．

2.2 滲透系數測定方法

滲透系數分為橫向和豎向滲透系數．試驗前在室溫下靜壓成型15 cm×15 cm×15 cm的立方體試件,試件成型后,根據養(yǎng)生要求,在室內放置12 h,接著放入60 ℃的鼓風烘箱中養(yǎng)生48 h,然后在室溫下放置,直到裝置的溫度與室溫相同即可進行滲透系數的測定[7]．滲透系數k的計算式為

(1)

式中，Q為時間t內滲透經過試件的水質量,g;ρw為水的密度,g/cm3;A為試件的橫截面面積,cm2;j為水力梯度;L為試件的有效長度,cm;h1,h2為兩側壓管的水位高度讀數值,cm．

2.3 橫向滲透試驗

為了進行對比試驗,同時測定了乳化瀝青冷再生混合料與相同級配的普通熱拌瀝青混合料的橫向滲透系數．為了排除不同空隙率對結果的影響,設定2種混合料的目標空隙率均為10%．試驗結束后,采用真空密封法測定2種瀝青混合料的相對密度,并計算實際空隙率．根據試驗結果得到的滲透速率與水力梯度的關系如圖1和2所示．

由以上試驗結果可以看出,在一定的水力梯度范圍內,2種混合料的橫向滲透速率與水力梯度呈明顯的正比關系．乳化瀝青冷再生混合料的數據點在水力梯度為0.18時,正比關系減弱,而普通熱拌瀝青混合料的數據點在水力梯度為0.12時,正比關系就開始減弱．分別對轉折點前的數據點和所有數據點進行線性回歸．可以看到,轉折點前的數據回歸擬合度大于所有數據回歸的結果,因此本文選擇前者進行對比分析，并將試驗結果進行匯總,結果如表2所示．

圖1 乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透結果

圖2 普通熱拌瀝青混合料的橫向滲透結果

表2 橫向滲透系數結果比較

在假定條件下,2種混合料的空隙率近似相同,但橫向滲透系數有很大差別,乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透系數僅為普通熱拌瀝青混合料的49%．由此可見,假定具有相同空隙率,乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透性遠低于相同空隙率的普通熱拌瀝青混合料．

2.4 豎向滲透試驗

在豎向滲透試驗中,將乳化瀝青冷再生混合料(空隙率10.4%)的滲透試驗結果與普通密級配熱拌瀝青混合料(空隙率4%)、瀝青碎石(空隙率11%)、不同空隙率大小的排水性瀝青混合料(空隙率為17%,20%,23%,最大公稱粒徑均為13.2 mm)的滲透試驗結果[8]進行比較,結果如表3所示．

表3 不同瀝青混合料豎向滲透系數比較

乳化瀝青冷再生混合料的豎向滲透系數為普通熱拌瀝青混凝土的1.33倍,但實際空隙率為后者的2.6倍．乳化瀝青冷再生混合料的實際空隙率與瀝青碎石接近,但豎向滲透系數卻為后者的74%．而排水瀝青混合料的豎向滲透系數均大于2×10-2cm/s,遠高于乳化瀝青冷再生混合料．因此,乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下,卻表現出了相對較低的透水性．

3 空隙特征

3.1CT掃描技術

本文利用X-ray CT掃描技術與圖像處理技術,分析乳化瀝青冷再生混合料的空隙特征．X-ray CT掃描技術是借助計算機再現工件內部結構的一種成像技術．在射線穿透物質過程中,其強度呈指數關系衰減,不同物質對射線的吸收系數不同,從而物質的密度可以通過射線的衰減系數而體現出來[9]．因此,根據CT成像技術的特點,利用圖像處理技術可以將瀝青混合料中的空隙分割出來.本文采用Compact-225型工業(yè)X-ray CT，乳化瀝青冷再生混合料旋轉壓實成型試件的典型CT掃描斷面圖如圖3(a)所示.采用OTSU的圖像分割方法[10],將空隙從CT斷面圖中提取出來,如圖3(b)所示．

(a) CT掃描斷面圖

(b) 空隙二值圖

3.2 空隙尺寸分布

參考已有研究成果[11-13],本文利用圖像處理技術,對試件內部的空隙進行統(tǒng)計分析,獲得空隙尺寸以及空隙尺寸的分布狀況．經過與室內實測空隙率的對比,驗證了OTSU方法獲得空隙體積的準確性．空隙的尺寸可以用等效直徑來評價,本文對中粒式乳化瀝青冷再生混合料CIR-20與普通密級配熱拌瀝青混合料AC-20的空隙在不同尺寸上的分布進行比較分析,統(tǒng)計結果如圖4所示．

由圖4可見,根據空隙尺寸的結果,CIR-20與AC-20的空隙CIR-20與AC-20的空隙率分別為10.4%和4%，平均等效直徑分別為1.3和1.5 mm．雖然CIR-20的空隙率遠大于AC-20,但是CIR-20的平均等效直徑還略小于AC-20．CIR-20與AC-20的空隙分布在0.1～1.0 mm(小空隙)的比率分別為14%和7%,在4～10 mm(大空隙)的比例分別為8%和27%．可以看出,相比于AC-20,CIR-20的小空隙要偏多,大空隙偏少．CIR-20空隙最多分布在1～2 mm,而AC-20的空隙最多分布在2～3 mm．試件中小空隙偏多不利于空隙的連通,因此,與普通密級配熱拌瀝青混合料相比,乳化瀝青冷再生混合料在空隙尺寸大小以及分布上的差異可能是造成其在較高空隙率下表現出相對較低透水性的原因之一．

圖4 CIR-20與AC-20的空隙尺寸分布圖

4 空隙形成

水和水泥的摻入可能會對乳化瀝青冷再生混合料的內部空隙產生較大的影響．因此,將水和水泥作為影響因素,研究乳化瀝青冷再生混合料的空隙率在養(yǎng)生過程中的變化規(guī)律,進而分析乳化瀝青冷再生混合料的空隙形成．

4.1 養(yǎng)生過程中空隙率的變化

本文采用旋轉壓實方法成型了18個試件,平均分為2組,一組沒有摻加水泥,另外一組摻加了1.5%的水泥,成型后測量試件的毛體積密度.然后按照常溫下放置12 h,60 ℃通風烘箱中放置48 h,常溫下放置24 h的順序對試件進行養(yǎng)生,并在每個養(yǎng)生階段結束后再次測量試件的毛體積密度.最后計算每個試件在每個階段的空隙率．試驗結果如表4所示．

從2組試件在養(yǎng)生過程中平均空隙率的變化可見,隨著養(yǎng)生的進行,試件的平均空隙率呈增大的趨勢,因為乳化瀝青破乳的過程也就是水分蒸發(fā)的過程,隨著水分的蒸發(fā),試件內會留下許多小空隙,從而使整個試件的空隙率增大．在60 ℃鼓風烘箱養(yǎng)生48 h后,試件的平均空隙率迅速增大,在這一階段,試件的水分蒸發(fā)較快,這從另一方面驗證了水分的蒸發(fā)使得試件空隙率增大．另外,在養(yǎng)生后,水泥在水化過程中需要水,進一步減少了試件內部水分的含量,并且水泥在水化后體積收縮,從而形成了更多的空隙．

壓實成型過程是主要的空隙形成階段．所以,乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實形成的空隙和養(yǎng)生形成的空隙構成．其中,養(yǎng)生形成的空隙與水分的蒸發(fā)和水泥用量有關,隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內部形成了許多養(yǎng)生空隙．

表4 養(yǎng)生過程中試件空隙率的測定結果

4.2 影響因素敏感性分析

為了分析水分的蒸發(fā)和水泥的摻入對乳化瀝青冷再生混合料空隙率影響的敏感性,本文對以上試驗結果進行有交互作用的雙因素方差分析．因素為養(yǎng)生時間(4個水平)、水泥用量(2個水平),因變量為空隙率．分析在不同養(yǎng)生時間(成型結束后、常溫12 h后、烘箱48 h后、常溫24 h后)以及是否摻入水泥對乳化瀝青冷再生混合料的空隙率形成的影響．雙因素方差分析的結果如表5所示,置信水平為95%．

表5 雙因素方差分析結果

由表5可以看出,養(yǎng)生時間對乳化瀝青冷再生混合料空隙率的影響非常顯著,這也間接說明水分的蒸發(fā)對空隙率有較大的影響,而水泥的摻入也對空隙率的形成有一定影響．養(yǎng)生時間與水泥的交互作用對空隙率的影響并不顯著,說明養(yǎng)生時間和水泥用量2個因素對乳化瀝青冷再生混合料的影響是相互獨立和互不干擾的．

5 結論

1) 通過測定乳化瀝青冷再生混合料的橫向、豎向滲水系數發(fā)現,乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下卻具有相對較低的透水性．

2) 乳化瀝青冷再生混合料的平均空隙尺寸略小于同級配的熱拌瀝青混合料,且乳化瀝青冷再生混合料的大空隙偏少,而小空隙偏多．

3) 乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實空隙和養(yǎng)生空隙形成,水分的蒸發(fā)和水泥用量對養(yǎng)生空隙的形成具有顯著的影響,隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內部形成了許多養(yǎng)生空隙．

4) 乳化瀝青冷再生混合料的空隙尺寸以及空隙尺寸分布特征可能是產生乳化瀝青冷再生混合料的低透水性的原因之一,但需要從空隙連通的角度,綜合考慮水泥水化等作用,利用更多的手段,進一步研究證實．

References)

[1]Kim Y J, Lee H D. Performance evaluation of cold in-place recycling mixtures using emulsified asphalt based on dynamic modulus, flow number, flow time, and raveling loss[J].KSCEJournalofCivilEngineering, 2012, 16(4): 586-593.

[2]Gao L, Ni F J, Braham A, et al. Mixed-mode cracking behavior of cold recycled mixes with emulsion using Arcan configuration[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014, 55: 415-422.

[3]嚴金海, 倪富健, 陶卓輝, 等. 水泥對乳化瀝青就地冷再生混合料的作用機理研究[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2009, 7(4): 38-44，62. Yan Jinhai, Ni Fujian, Tao Zhuohui, et al. Mechanism of cement to the cold in-place recycled mixture of asphalt emulsion[J].JournalofTransportationEngineeringandInformation, 2009, 7(4): 38-44，62. (in Chinese)

[4]包秀寧, 李燕楓, 王哲人. 空隙結構對瀝青混合料抗水損害性能的影響[J]. 中南公路工程, 2004, 29(3): 66-67,71. Bao Xiuning, Li Yanfeng, Wang Zheren. Effect of void structure on moisture damage of asphalt mixture[J].CentralSouthHighwayEngineering, 2004, 29(3): 66-67,71. (in Chinese)

[5]嚴金海. 瀝青路面就地冷再生技術深入研究[D]. 南京: 東南大學交通學院, 2011.

[6]鄭木蓮. 多孔混凝土的滲透系數及測試方法[J]. 交通運輸工程學報, 2006, 6(4): 41-46. Zheng Mulian. Permeability coefficient and test method of porous concrete[J].JournalofTrafficandTransportationofEngineering, 2006, 6(4): 41-46. (in Chinese)

[7]馬翔, 倪富健, 王艷,等. 排水性瀝青混合料滲透性測試與分析[J]. 建筑材料學報, 2009, 12(2): 168-172. Ma Xiang, Ni Fujian, Wang Yan, et al. Test and analysis on permeability of porous asphalt mixture[J].JournalofBuildingMaterials, 2009, 12(2): 168-172. (in Chinese)

[8]徐皓. 排水性瀝青混合料性能及設計方法研究[D]. 南京: 東南大學交通學院，2005.

[9]汪海年, 郝培文. 瀝青混合料微細觀結構的研究進展[J]. 長安大學學報:自然科學版,2008,28(3):11-15. Wang Hainian, Hao Peiwen. Advances in microstructure study on asphalt mixture[J].JournalofChang’anUniversity:NaturalScienceEdition, 2008, 28(3): 11-15. (in Chinese)

[10]Masad E, Jandhyala V K, Dasgupta N, et al. Characterization of air void distribution in asphalt mixes using x-ray computed tomography[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering, 2002, 14(2): 122-129.

[11]Falchetto A C, Montepara A, Tebaldi G, et al. Microstructural characterization of asphalt mixtures containing recycled asphalt materials[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering, 2013, 25(1): 45-53.

[12]Wang Z J, Xiao J J. Evaluation of air void distributions of cement asphalt emulsion mixes using an X-ray computed tomography scanner[J].JournalofTestingandEvaluation, 2012, 40(2): 273-280.

[13]張肖寧. 基于X-ray CT的瀝青混合料計算機輔助設計技術的研究進展[J]. 交通科學與工程, 2010, 26(2): 1-8. Zhang Xiaoning. Advances in computer aided design of asphalt mixtures based on X-ray CT[J].JournalofTransportScienceandEngineering, 2010, 26(2): 1-8. (in Chinese)

Permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion

Gao Lei Ni Fujian Luo Hailong Yang Meikun

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The relationship between the permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion was studied. The hydraulic conductivity was used to evaluate the permeability and the CT(computed tomography) scanning was applied to find the characteristics of air voids. The effects of Portland cement and water were evaluated according to the change of air void content. The results show that the cold recycled mixture has a relatively low permeability under a relatively high air void content. The average air void size of cold recycled mixture is a little smaller than that of hot mix asphalt mixture, with less air voids in large size and more air voids in small size. The air voids of cold recycled mixture are developed during compaction and curing time. In the process of curing, the evaporation of water and hydration of cement affect the air void content significantly leading to the formation of more air voids. The size and distribution of air voids are important factors that contribute to the relatively low permeability of cold recycled mixture.

cold recycled mixtures; hydraulic conductivity; computed tomography scanning; air voids

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

2014-10-18. 作者簡介: 高磊(1988—)，男，博士生；倪富健(聯系人)，男，博士，教授，博士生導師，nifujian@gmail.com.

國家自然科學基金資助項目(51178113)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXZZ13_0113)、東南大學優(yōu)秀博士學位論文培育基金資助項目.

高磊,倪富健,羅海龍,等.乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):581-585.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

U414

A

1001-0505(2015)03-0581-05