熊宏玲

(青海省公路科研勘測設(shè)計院， 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)用于高等級公路中。機(jī)制砂作為瀝青混合料中的細(xì)集料，對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規(guī)程》中未規(guī)定細(xì)集料與瀝青黏附性的試驗方法。不少學(xué)者和專家對細(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價細(xì)集料與瀝青的黏附性，美國SHRP計劃采用SHRP凈吸附法評價細(xì)集料與瀝青的黏附性，其原理與光電比色法相似，這兩種試驗方法操作復(fù)雜，對人員要求高，且試驗時間較長；周衛(wèi)峰采用甲苯溶劑對混合料進(jìn)行洗滌，檢測混合料上剩余的瀝青含量，從而通過這種溶劑洗脫法檢測細(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價標(biāo)準(zhǔn)，采用濕輪磨耗試驗并對試驗條件進(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)計算瀝青膜的剝落面積，進(jìn)而計算瀝青膜剝落率，將其作為機(jī)制砂與瀝青黏附性的評價指標(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的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以此作為評價機(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方法、評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，采用濕輪磨耗試驗進(jìn)行研究。

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

(2) 研究磨耗時間、水溫對瀝青剝落率的影響，確定濕輪磨耗試驗的條件。

(3) 通過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的適用性。

(4) 根據(jù)濕輪磨耗試驗和水煮法測得的機(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標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 原材料

(1) 瀝青。為消除試驗的差異性，研究中所進(jìn)行的試驗均采用兩種瀝青：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。為消除試驗的差異性，凍融劈裂試驗中粗集料和機(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、閃長巖、角閃巖，機(jī)制砂巖質(zhì)分別為石灰?guī)r、輝綠巖、閃長巖，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)成分含量見表5。

表2 SBS(I-C)改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

(3) 礦粉

試驗采用石灰?guī)r質(zhì)礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)見表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) 級配

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

表6 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表7 混合料、集料級配

2 評價指標(biāo)的提出

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(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的分級依據(jù)，因此在研究機(jī)制砂與瀝青的黏附性時，也采用瀝青膜剝落率作為黏附性評價指標(biāo)。

2.1 評價指標(biāo)

采用瀝青膜剝落率評價機(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)確測量其面積。隨著計算機(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，且能精確計算其面積。因此利用IPP圖像處理技術(shù)計算瀝青膜剝落率，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 濕輪磨耗試驗條件研究

由于機(jī)制砂顆粒較小，水煮法不能測出其表面的瀝青膜剝落面積。若無外力和水的作用，集料表面的瀝青膜不會輕易剝落，因此在選擇試驗方法時應(yīng)考慮其是否能施加荷載作用且試驗條件與水環(huán)境相關(guān)。濕輪磨耗試驗?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。磨耗時間能模擬荷載作用對集料表面瀝青膜的作用，水溫對瀝青膜剝落產(chǎn)生影響。因此通過研究磨耗時間與水溫對瀝青膜剝落率的影響規(guī)律確定濕輪磨耗試驗的最佳條件。

3.1 磨耗時間對瀝青膜剝落率的影響

采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長巖機(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。磨耗時間為變量，分別設(shè)為300、400、500、600、700、800 s，水溫為20 ℃。將試驗后的試件風(fēng)干、成像，利用IPP圖像處理技術(shù)計算瀝青膜剝落率，試驗結(jié)果見表8。

表8 不同磨耗時間的瀝青膜剝落率

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

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

3.2 水溫對瀝青膜剝落率的影響

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

采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長巖機(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，磨耗時間為600 s。將水溫作為變量，分別設(shè)為10、15、20、25、30 ℃。將試驗后的試件進(jìn)行風(fēng)干，然后成像，利用IPP圖像處理技術(shù)計算瀝青膜剝落率，試驗結(jié)果如表9所示。

從表9可得：當(dāng)水溫由10 ℃增加到30 ℃時，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中水的溫度定為20 ℃。

綜上所述，濕輪磨耗試驗的條件為：磨耗時間為600 s，水的溫度為20 ℃。

4 濕輪磨耗試驗的適用性分析

4.1 試驗方案設(shè)計

為驗證濕輪磨耗試驗方法能有效評價機(jī)制砂與瀝青的黏附性，從以下幾方面進(jìn)行驗證。

(1) 采用表7的機(jī)制砂級配成型瀝青砂漿試件，采用SK90#基質(zhì)瀝青，油石比采用9.0%，利用濕輪磨耗試驗方法測定石灰?guī)r、輝綠巖、閃長巖機(jī)制砂試件的瀝青膜剝落率；采用水煮法測定對應(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：粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r、輝綠巖、閃長巖，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、級配均保持一致，合成級配如表7中AC-13級配所示，進(jìn)行凍融劈裂試驗檢測不同試件的殘留強(qiáng)度比，并分析其與瀝青膜剝落率的相關(guān)性。

4.2 試驗結(jié)果分析

(1) 水煮法。不同粗集料的水煮法試驗結(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：采用水煮法測得的粗集料表面瀝青膜剝落率，石灰?guī)r最小，其次為閃長巖，輝綠巖最大。采用濕輪磨耗試驗測得的3種巖質(zhì)機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率結(jié)果與采用水煮法測得的結(jié)果一致，表明此評價方法具有可行性。

(2) 不同集料組合的瀝青混合料水穩(wěn)定性能分析

凍融劈裂試驗結(jié)果見表11。

表11 不同集料的凍融劈裂試驗結(jié)果

由表11可得：當(dāng)粗集料相同時，機(jī)制砂為石灰?guī)r時瀝青混合料的凍融劈裂試驗殘留強(qiáng)度比最大，水穩(wěn)定性能最好，其次是閃長巖，機(jī)制砂為輝綠巖時瀝青混合料的凍融劈裂試驗殘留強(qiáng)度比最小，水穩(wěn)定性能最差。與濕輪磨耗試驗的結(jié)果一致，因此濕輪磨耗試驗作為評價機(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?zāi)軌蛟u價機(jī)制砂與瀝青的黏附性。

5 機(jī)制砂與瀝青黏附性分級標(biāo)準(zhǔn)研究

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(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的分級依據(jù)，共分為5個等級：① 5級，瀝青膜剝落率接近0；② 4級，瀝青膜剝落率為0～10%；③ 3級，瀝青膜剝落率為10%～30%；④ 2級，瀝青膜剝落率大于30%；⑤ 1級，集料裸露，瀝青膜浮于水面。

根據(jù)表9的試驗結(jié)果，研究由濕輪磨耗試驗和水煮法測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的分級標(biāo)準(zhǔn)劃分機(jī)制砂與瀝青的黏附性等級。

以石灰?guī)r、閃長巖、輝綠巖3種巖石為對象，研究由濕輪磨耗試驗測得的機(jī)制砂表面瀝青膜剝落率與由水煮法測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，然后進(jìn)行回歸分析，試驗結(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的劃分標(biāo)準(zhǔn)可得機(jī)制砂與瀝青黏附性等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表12)。

表12 機(jī)制砂與瀝青的黏附性等級劃分

6 結(jié)論

采用濕輪磨耗試驗和IPP圖像處理技術(shù)評價機(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) 濕輪磨耗試驗作為評價機(jī)制砂與瀝青黏附性的試驗方法，試驗條件為磨耗時間600 s，水溫20 ℃；瀝青膜剝落率作為評價指標(biāo)。

(2) 通過相應(yīng)巖性粗集料與瀝青的黏附性、瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗也驗證了該方法評價機(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對瀝青混合料路用性能的影響，采用不同黏附性等級的機(jī)制砂鋪筑試驗段，從理論和實踐上分析該評價方法的效果，進(jìn)而為施工材料的選擇提供指導(dǎo)意見。