混合料结构（精选12篇）
混合料结构 篇1
摘要：从沥青混合料的组成结构入手, 分别介绍了沥青混合料的三种结构类型及其相应的特性, 从细观角度出发分析了沥青混合料的结构类型与抗剪强度、高低温性能和耐久性等性能之间的关系, 并对三种结构类型进行了综合分析。
关键词：结构类型,强度,耐久性,稳定性
1 概述
沥青混合料是由起骨架作用的粗集料和起填充作用的细集料以及起胶结作用的沥青等按一定的比例组合而成的, 是一种各向异性的空间网络结构的非均质材料, 其性能不仅受材料成分和性质的影响, 还要受到其组成结构的影响。在我国经常采用半刚性基层和柔性的沥青混合料面层相结合的结构形式, 这种上柔下刚的结构对直接承受行车荷载的面层的性能要求十分苛刻, 沙庆林院士曾表示路面的结构破坏和严重辙槽对路面的使用性能影响巨大[1], 面层的结构破损和辙槽的产生与材料的结构性能息息相关。
路面的各种路用性能与混合料的结构类型关系密切, 主要反映在结构类型与其抗剪性能、高低温稳定性、水稳定性以及结构的耐久性等上面。可根据沥青混合料的材料的级配情况将其结构分为以下三种类型:
1) 材料为连续级配时, 各级集料均被次级集料隔开, 无法直接形成骨架, 但密实性较大, 这种结构类型称为悬浮密实结构;
2) 材料为连续开级配时, 由于材料间递减系数较大, 粗集料含量较多, 细集料无法填满粗集料之间的空隙, 形成了骨架空隙结构;
3) 材料为间断级配时, 断去了中间尺寸粒径, 这样既有足够的粗集料形成骨架也有较多的细集料将骨架的空隙填满, 形成了骨架密实结构。三种结构中材料骨架结构的相互接触各不相同, 因此集料的嵌挤作用和沥青的粘结作用也具有较大的差别, 而嵌挤作用和粘结作用又与混合料的各种路用性能息息相关, 所以应该重视沥青混合料的结构类型与其性能的关系。
2 沥青混合料的结构类型与路用性能的关系
2.1 沥青混合料的结构与抗剪强度
混合料的骨架结构和集料颗粒的摩擦性能对沥青混合料的抗剪强度有较大影响。但是目前国内规范对集料颗粒的相关规定仅限于材料表观的个性描述, 如颗粒有棱角、近似立方体、表面粗糙等, 这对于了解和描述沥青混合料抗剪强度是远远不够的, 还需要研究材料整体级配与摩擦性能的关系。直接剪切试验虽然操作简单但可用于集料颗粒摩擦性能研究[2], 根据三种典型结构的特性统一选用公称粒径最大尺寸相同的沥青混凝土AC-201 (悬浮密实结构) 、沥青玛脂碎石SMA-20 (骨架密实结构) 以及沥青碎石AM-20 (骨架空隙结构) 进行对比试验[3], 得出对于抗剪强度随级配的变化较为明显, 骨架密实结构抗剪强度最大, 悬浮密实结构则表现最差。
仅从集料内部的相互作用看三种典型结构, 骨架密实结构的集料内摩擦角大, 相互咬合, 能形成良好的嵌挤状态, 抗剪能力较强。悬浮密实结构因为其细集料较多、内摩擦角小, 承受剪力时粗集料被撑开, 所以抗剪能力最低。骨架空隙结构的材料特性处于两者之间, 与试验结果相互吻合。
2.2 沥青混合料的结构与高温稳定性和低温抗裂性
作为一种粘弹性材料, 沥青混合料的性能受温度的变化和荷载作用的影响较大。目前通常用车辙试验中的动稳定度参数来表示沥青混合料的高温性能。在高温状态下, 沥青软化, 粘结力降低, 此时沥青混合料抵抗外界荷载的抗剪能力将依赖于矿质材料的内摩阻力, 而沥青混合料的结构类型各自具有不同的接触特点, 内摩阻力各不相同, 进而影响沥青混合料的粘结性。悬浮密实结构由于细集料和沥青用量较多, 粗集料处于悬浮状态, 内摩阻力较低, 易受到温度影响, 高温稳定性较差。相对而言, 骨架结构的沥青混合料, 在空间中形成了一系列的骨架嵌锁结构, 提高了混合料的内摩阻力, 在行车荷载作用下, 改善了其抗车辙的能力, 即提高了高温稳定性。骨架密实结构在形成骨架嵌锁结构的同时, 在骨架的空隙中填充着密实的较细的矿质材料和沥青的混合物, 在一定程度上形成了约束作用, 较骨架空隙结构更为稳定。综上所述提高沥青混合料中的粗集料含量形成骨架结构的同时采用骨架密实结构可有效地提高其高温稳定性。
为探讨结构类型与其低温抗裂性能的关系, 采用-10℃的小梁低温弯曲破坏试验[4]。从低温抗裂性能试验结果来看, 骨架密实结构沥青混合料的低温抗裂性能低于悬浮密实结构的沥青混合料。这主要是由于粗集料含量较多时, 相应的低温劲度偏大, 其低温性能受到一定的影响。仅从粗集料的含量方面来说, 其结构类型的影响明显服从于试验的预期效果, 具有良好的规律性, 即骨架空隙结构优于骨架密实结构, 而悬浮密实结构低温抗裂性则为最优。
2.3 沥青混合料的结构与耐久性
2.3.1 水稳定性能
所谓沥青混合料的水稳定性, 即抗水损害能力。水损害是指沥青混合料在有水存在的情况下, 经受荷载和温度胀缩的反复作用, 水分逐渐浸入到沥青与集料的界面上, 同时由于水动力的作用, 沥青膜渐渐地从集料表面剥落, 并导致集料之间的粘结力丧失而使混合料整体力学强度降低的过程[5]。沥青混合料的抗水损害能力主要取决于集料的性质、混合料的结构类型, 以及沥青混合料的空隙率、沥青膜的厚度等。除了荷载及水分供给条件等外在因素外, 抗水损害能力是决定路面的水稳定性的根本因素。
道路的水损害是造成路面结构破坏的主要因素之一。路面结构层的孔隙率和渗透系数与道路抗水损害的性能关系密切, 因此研究骨架结构与其孔隙率和渗透系数的关系尤为重要。在控制级配与材料表观特性等影响因素条件下[6], 沥青混合料的孔洞特性表明:结构类型不同时, 其孔隙率相同的条件下, 渗水系数仍然存在较大差异。由于干涉理论为基础的干涉的存在[7], 骨架密实结构与悬浮密实结构相较来说, 其骨架松动效应有较高的概率, 孔洞分布极不均匀, 因此而导致的渗透系数分布没有规律性。
现实的工程经验中, 骨架结构采用粗级配时, 比较容易产生渗水现象, 原因在于骨料的附壁效应[8], 相较悬浮密实结构来说, 骨架密实结构更容易渗水。对于骨架空隙结构, 水较容易侵蚀集料与沥青胶浆形成的沥青膜, 因此可能存在比较大的水稳定性破坏隐患。而悬浮密实结构, 粗集料大多被沥青包围, 水分不容易进入, 水稳定性表现良好, 骨架密实结构处于两者之间, 所以渗水特性上骨架空隙结构最优, 骨架密实结构次之, 悬浮密实结构最差。
2.3.2 疲劳特性
沥青混合料的疲劳特性与空隙率、沥青用量、集料特性等息息相关, 根据相关疲劳试验可知[9]:沥青混合料的疲劳寿命随沥青用量变化出现一最佳值, 并且此最佳值位于马歇尔试验确定的最佳沥青用量附近。从细观角度看, 以上试验结果是由于在此最佳沥青用量附近, 沥青与矿料之间的粘聚力最佳, 因而表现出较强的疲劳性能。
当沥青混合料的类型由开级配到密级配转变时, 空隙率由大到小, 其抗疲劳性能逐渐增强, 这主要是由于空隙率越大, 沥青混合料内部的空隙与微裂缝就越多, 在荷载反复作用下就越易引发微裂缝的扩展破坏, 从而降低疲劳寿命。因此密级配的悬浮密实结构疲劳性能最好, 断级配的骨架密实结构次之, 开级配的骨架空隙结构最差。
2.4 沥青混合料的结构与抗滑性能
研究表明[10], 沥青路面的抗滑性能主要由其微观结构和宏观结构决定。通常情况下, 微观结构考虑材料性能, 要求要有较好的耐磨光性和耐磨耗特性;宏观结构考虑的是集料的大小及级配情况。在满足微观与宏观双方面的要求方面, 矿料的性能及其组成显得尤为重要。矿料的表面微观结构在行车速度较低时贡献较大, 而矿料的级配则在高速行车时抗滑能力起决定性作用[10]。对于一定级配的矿料组成, 总有与之对应的最佳沥青用量。当实际用量过大时, 颗粒间自由沥青量增多、粘附性变差、易产生相对滑移, 从而导致稳定性不好;而当用量过少时, 集料间的粘结力小, 易松散、剥落。
在保持其他影响因素相同的情况下, 材料级配的不同对路面的抗滑性能也会产生较大影响。对于密实悬浮结构来说, 其空隙率较小, 表面光滑, 因此路面纹理相对其他结构来说较细, 构造深度和摩擦系数均较小;骨架空隙结构是通过强度较高的集料之间的相互嵌挤作用形成的稳定的结构骨架, 其粘结料的粘结性能良好, 结构的空隙率大、表面粗糙, 因此宏观构造和微观构造都符合抗滑性能的要求;而对于骨架密实结构, 宏观构造类似于骨架空隙结构, 但是由于骨架中填充着细集料和粘结料, 使路面结构的稳定性更好, 因而抗滑水平处于一个比较高的层次。
3 结语
通过以上分析可知:
1) 悬浮密实结构各级集料均被次级集料所隔开, 无法直接形成骨架, 因此其摩擦角较低, 抗滑性能较差;由于沥青和细集料较多、粘聚力较高, 水稳性和疲劳性能较好;但在高温稳定性能上表现很差, 其结构强度受温度的影响很大。
2) 骨架密实结构中集料形成了内摩擦角较大的骨架嵌挤结构, 高温稳定性能非常好, 水稳性表现良好, 虽然低温抗裂性能较低, 疲劳性能表现一般, 但是综合低温抗裂性、高温稳定性、水稳性等路面使用性能, 骨架密实结构表现最为理想。
3) 骨架空隙结构中细集料过少, 空隙率大, 骨架之间未被填满, 虽然具有较高的摩阻角但是其粘聚力较低, 水稳性、抗滑性能与疲劳性能较差, 但是热稳定性能很好。若采用改性沥青等技术措施可大大提高其使用性能[11], 目前排水路面大多采用此种结构类型。
混合料结构 篇2
沥青混合料生产质量控制探讨
沥青混和料的质量直接影响着路面施工质量,而加强对沥青拌和楼及沥青混合料质量因素的管理又是确保混合料质量的主要环节.对此,本人将从质量管理的角度出发,对如何保证沥青混合料质量提出了个人观点及建议,以供业内同行共同探讨研究.
作 者：刘发辉 作者单位：茂名市公路建设有限公司,广东,茂名,525000刊 名：中国新技术新产品英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS年，卷(期)：“”(3)分类号：U4关键词：沥青 生产质量 工艺控制
浅析沥青混合料离析防治措施 篇3
关键词：沥青混合料；离析；防治措施
沥青混合料离析反映为同一区域内粗细集料的不均匀，沥青含量不均匀，离析区域内混合料级配组成及沥青用量与设计值不一致，造成混合料空隙率过大，极易产生沥青路面的早期损坏。因此提高沥青路面的施工均匀性，对于提高路面的使用质量，减少路面多种初期破坏现象以及保证路面的使用寿命具有十分重要的意义。
1、离析的类型
1.1 纵向离析
纵向离析是比较常见的一种离析形式。通常出现在摊铺机中央、螺旋布料器支撑处和端部。在摊铺机中央区域细集料较多，比较密实，表面纹理较浅，而在摊铺机两侧特别是螺旋布料器支撑处粗集料较集中，细集料、沥青含量较少，孔隙率较大，表面纹理深。
产生纵向离析的主要原因是摊铺机本身或者操作问题，如螺旋布料器不连续，烫平板安装不当，摊铺机卡机等。
1.2 横向离析
横向离析现象的产生与摊铺机本身因素关系不大，它主要是由作业方法带来的。在摊铺机起步时，由于螺旋布料器处于初始供料状态操作人员操作不当，螺旋布料器旋转速度过快，粗集料在高速旋转下分布到布料器两侧，从而形成横向离析带；在摊铺的一个工作循环完成后，卸料卡车离去，摊铺机将料斗收起，这时，留在最后的大粒径的材料全部送到螺旋分料器，形成了横向离析带。
1.3 竖向离析
竖向离析是指在横断面上，下部大粒料多而上部大粒料少的上下离析现象。竖向离析的原因是螺旋料槽上部大粒料沿开口处向下滚落，这一现象发生在螺旋前挡板离地间隙调节偏大且料槽中缺料的工况下，由于大粒料沿着螺旋前挡板的间隙向下滚落，结果造成大粒料沉落于摊铺下层。
1.4 不规则离析
（1）由于沥青混合料的原材料级配波动、筛孔堵塞或破坏、设备故障、拌和机称量系统误差等引起混合料级配的波动，造成不规则的离析。
（2）在摊铺的一个工作循环中，拌和站向卡车卸料时形成锥状堆料，第一次造成了在卡车料斗中的离析，当卡车向摊铺机料斗中卸料时。又一次形成锥状堆料，在摊铺机料斗中形成再次离析。一个工作循环完成后，卸料卡车离去，摊铺机将料斗收起，摊铺机经常性合拢受料斗，摊铺机在每次运料车卸完料后都收斗，造成不规则的离析。
2、离析对沥青路面的影响
沥青面层离析表现在沥青面层的不同部位粗、细集料明显分离，一些部位粗集料较为集中，而另一些部位细集料集中，原有混合料级配组成受到破坏，沥青路面局部混合料与设计的结构、性能有较大的差异，其力学指标和路用性能也远远达不到设计的要求，路面开通交通后在外界荷载的作用下就会先破坏，沥青路面的使用寿命大大缩短。
（1）粗集料较为集中部位的结构组成特点是混合料孔隙率过大、沥青含量较少。当混合料孔隙率过大时，路面透水性能增强、水稳定性变差，当雨水下渗后在行车轮胎作用下产生“泵吸”现象，水分逐渐深入沥青与及集料的界面上，使得沥青膜渐渐从集料表面剥离，导致集料之间的黏结力丧失，从而发生沥青混合料松散和掉粒，继而形成沥青路面的剥落、坑槽等损坏现象：而当沥青含量较少时，混合料拉伸强度较低，抗裂性能差，通车后极易造成沥青路面结构性损坏，产生早期病害。
（2）细集料较为集中的路面部位沥青含量偏多，孔隙率小，路面易出现永久变形，并伴随出现泛油等其他病害。
3、混合料离析的控制措施
3.1 原材料控制
（1）原材料生产加工控制
集料规格的一致性对防止和降低混合料出现离析有很重要的作用，集料加工应该有稳定的料源、合理的破碎工艺、固定的筛分方法，这样才能满足外观形态良好、级配稳定一致的集料。
（2）原材料存储控制
大粒径集料对堆料方法特别敏感，如采用单一的传送带堆料，大集料滚落到料堆外侧，集料易产生离析，因此在原材料堆放过程中，为保证原材料的均匀性，可从顶上卸料，用推土机摊开摊平水平堆放，铲运机在边缘垂直装料，力求每次装的料比较均匀，减少材料的变异性。同时供原材料堆放的场地要进行硬化，防止原材料被污染，并有较好的排水措施，保证材料堆场不积水，料堆之间应砌筑坚固的隔墙，防止原材料串料，避免人为的增大集料变异性。为减少材料含水量的变异性，细集料场地必须加盖顶棚防雨。
3.2 沥青混合料的生产过程中控制
（1）冷料供應、热料筛分系统的控制
对冷料仓隔板进行加高，并且一个规格冷料只装一个冷料仓，除非某种规格料用量大且有富余冷料仓，才使用两个冷料仓。在冷料仓上方搭建棚盖，防止冷料仓受雨淋。
在生产过程中由于筛分量相当大，热料振动筛很容易坏，会导致超粒径的大集料增加，为保证筛分系统稳定和合理筛分能力，防止筛分系统超负荷运行，在施工中要定期地对筛网进行检查更换，避免筛孔损坏、堵塞等现象影响热料仓集料的级配。如果原材料的组成变异性大，通过二次筛分不能明显改善颗粒级配组成，为使生产的沥青混合料的级配变异小，每天生产前应对每个热料仓进行取样筛分，并根据筛分结果重新计算调整生产配合比，然后正式开始生产，可取得了较好的效果。
（2）称量、搅拌过程的控制
间歇式沥青混合料搅拌设备对原材料计量的准确性主要是由配料秤来保证，称的计量精度直接影响沥青混合料的级配精度和沥青含量准确性。一般来说，在满足生产前提下，尽量较小的打开称量斗的阀门，并且采用先轻后重的称量顺序进行投料，有利于提高称量精度。
沥青混合料拌和时间越长拌和越均匀，但是拌和时间太长会使沥青老化，从而影响混合料的质量，一般拌和时间在40～50s之间。
（3）沥青混合料的运输过程控制
nlc202309020002
在装料过程中为减少混合料的离析，应尽量缩短出料口至车厢的距离，且运输车应停在不同的位置受料，如一次装完，易使得较大的碎石滚落到车厢的周围，其结果会使得货车开始和最后卸下的都是粗料，两侧的粗料则卸载摊铺机的两块侧板上，故应分三个不同的位置往货车装料，先装前端再装后端最后装货车中部。
3.3 沥青混合料的摊铺过程中控制
（1）摊铺机的工作状态直接影响到沥青路面的均匀性，因此将摊铺机调整到最佳状态是避免和减少摊铺过程中离析的重点。（2）摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料的离析。（3）摊铺机的螺旋布料器应相应于摊铺机速度调整到保持一个稳定的速度均衡地转动，两侧应保持有不少于送料器2/3高度的混合料，以减少在摊铺过程中混合料的离析。（4）由于正常安装的螺旋布料器叶片在支撑处不连贯，沥青混合料传输到此，暂时停止，只有靠后面的混合料推挤至支撑处外侧，造成混合料产生离析。因此可对支撑处叶片进行反向安装。在布料过程中将支撑处内侧螺旋输送来的混合料反向挤压，在支撑处进行二次搅拌，能较好的解决混合料离析。（5）摊铺过程中摊铺机应在每车料卸完后应立即收受料斗，此时受料斗中充满混合料，虽然粗料含量相对较多，但经过螺旋布料器搅拌后可以将混合料拌和均匀，相对减少离析。
4、沥青路面离析的处理措施
尽管在施工中采取了相应的措施防止沥青混合料离析，但是如果沥青路面在施工过程中产生离析。应及时采取必要的措施予以弥补，否则会造成工程质量的缺陷。
（1）在摊铺后尚未碾压时，对于局部出现的不规则离析，采用换料处理。对于大面积粗集料离析，用人工撒布混合料，使较细的混合料嵌入大集料孔隙中。
（2）对于已经碾压成型后的沥青路面，在进行渗水试验时，如发现渗水系数过大时，则须进行处理。下面层，在离析处喷洒黏层油时，用量加大并撒布适量石屑然后进行碾压，碾压完成后清除多余松散石屑：中、上面層须对离析处取芯样进行空隙率计算，如大于规范要求则进行切割（铣刨）处理，然后重新铺筑新拌沥青混合料碾压。
5、结语
沥青路面在施工过程中产生离析是我国沥青路面早期损坏的主要原因之一。对于离析，我国目前还没有相关规范对其进行检验和评定，仅以目测方法结合渗水试验进行评定。本文借鉴相关研究资料，结合宁连高速公路沥青路面施工及养护的实际情况，采取了相应的措施，针对离析现象进行事前、事中控制，有效地减少了沥青混合料的离析现象的发生，提高了沥青路面的使用性能。
混合料结构 篇4
Inrecentyears,somestudieshaveusedthedigitalimageprocesstechniquetoanalyzethemicrostructureofengineeringmaterials.Becausethecolorofthe asphalt,holesandaggregatearedifferent,wecanidentifythem byimageprocessingandanalysis.Some ofresearchers[1,2]use 3-DimensionCTand 2-Dimensionimageprocessingtechniquetoanalyzetheairvoids andmicrostructure.Inourstudy,baseonthe 2-Dimension digitalimage processing and analysistechnique,analyzetheimagethatcapturedfrom thesurfaceofhot-mixasphaltcore,presentaseriesofmicrostructure parameters to analyze the hot-mixasphalt mixturequantitatively.
1 Digitalimageprocessandanalysis
Thefirststepinanyimageprocessingistocalibratetheimageintermsofphysicalmeasurementunit.Thisstepensuresclearrepresentationofphysicalmeasurementunitsintermsofpixelsonanimage.Thenext stepistoperform segmentation,identifytheimageto backgroundandthefeaturesofinterest.TheFigure 1showstheimageofhotmixasphalt.Baseonthedifferentgrayvalueofmaterial,theholes,aggregateandasphaltmasticcanberecognized.
Inthisstudy,theinterestfeatureswereholesand coarseaggregates(aggregatesize>2.36mm).Becausethecoloroftheholeswasdeepest,sofirststepwastorecognizetheholesfrom theimage,theaggregateandtheasphaltmasticwereseentobackground now.TheimageafterthresholdwasconvertedintobinaryimageshowedinFigure 2.
Then processthe coarse aggregate and asphalt mastic,inthisstep,thecoarseaggregatewasseento targetpart,theasphaltmastictogetherwithfineaggregateswerebackground.Theimageafterthresholdwas convertedintobinaryimageshowedinFigure 3.
2 Microstructureindexes
2.1 Holesdistribution
First,computedtheareaofeachhole,Statistic thesum ofallholearea,defined:AH;thenaccording totheholeareasize,set6arealevel.Statisticthesum ofareaineacharealevel,defined:M=[AH 1,AH 2,……,AH 6];the[P1P2……P6]=[M]/AHwas theproportiontoevaluatetheholedistribution.
2.1 Aggregatedistribution
Thecentroidofaggregatesdefinedthelocationof theparticlesinx-ycoordinates.Eachcentroidwas joinedaccordingtotheDelaunaytriangulationsprinciple.The Figure 4(a)shows the triangulations.Delaunaytriangulation could be considered to be a mathematicallyrigorousmethodtodefinenearestneighbors.Thesetrianglesdefinedthedistancebetweenthe neighboringparticles.
Theedgesofthesetrianglesgivethelengthbetweenthecentroidoftheparticles[4].Wedefinedthis distanceasD1.PartofD1liesintheaggregatesand partofitliesinthemastic.Itwaspossibletomeasure onlythelengthlieinthemastic,wedefinedthem D2.TheareaenclosedbythetriangleA1couldbemeasured.AssameasD2theareawithinthetrianglethat liesinthemasticA2couldalsobemeasured.AssumptionmodelasFigure 4(b)
2.3 Aggregateorientation
Theparticleorientationwasmeasuredastheangle betweenthemajoraxisoftheparticleandahorizontal lineontheimage.Themajoraxiswasdefinedasthe longestdistancebetweentwopixelsintheparticle.The orientationwasmeasuredby:(1)avectormagnitudeΔ,thevalueofΔvariesfrom 0%～100%.Complete random distributionoftheorientationwouldgiveavectormagnitudeof 0%.Ontheotherhand,100%vector magnitudevaluemeansallobservedorientationhavethesamedirection.(2)Theaverageofmajoraxisangleθ.Definedbythefollowingequations(1)and(2):
N:thenumberofparticlesinimage,
θk:themajoraxisangleofparticle.
3 Testdesign
ThegradationsweredepictedinTable 1.Thegradationsincludingfourtypestructures:coarse(1,3)andfine(2,4)gradation,thepassingof 4.75were32%(coarsegradation)and 45%(finegradation).Andthedifferencebetween 1and 3wasthepassingof2.36mm,thesameas 2and 4.
ThesampleswerecompactedaccordingtoASSH-TO TP4-93[5]procedure using SGC and vibratory compactordesignedbyHarbininstituteoftechnology.Thevaluesofvolumeindexesweremeasuredaccording toJTG 052-2000[6]procedure.Theresultwasshown inTable 2.
Afterseven days,drilled coreswhose diameter were 100mm outofcompacted ones.Theinitialhot mixasphaltmixturesamplesandcorewereshowninFigure 5.
4 Resultanddiscussion
4.1 Holesdistribution
Thoughthevolumeindexvaluesmeasuredbytraditionalmethodwerebasicallysame,showninTable2.Thedistributionoftheholewasdifferent,showed inFigure 6.theresultillustratedthattheproportionof holearea>500pixelsincoarsegradationsamples(1#,3#)washigherthanfinegradationsamples(2#,4#);comparethe 1#and 3#gradation,proportionof holesthatarea>500pixelsin 1#washigherthan 3#gradation,asthecontentof 2.36mm aggregatedecreasethebigholeareadecrease.thesameinfluence for 2#and 4#gradation.Soundersamevolumeindex values,thedistributionofholewasdifferent,thischaracterwouldinfluencethewaterpermeabilityofhotmixasphalt,undersamewholevoids,themorebig sizeholethemorewaterdamagepossibility.Thusholes distributionindexwasmoresensitiveforwaterpermeabilitythantraditionalvolumeindexes.
4.2 Aggregatedistribution
BaseontheDelaunaytriangulationprinciple,we computedthevaluesofaggregatedistributionindexes forsamplescompactedunderdifferentcompaction,the resultillustratedthattheA2ofcoarsegradationsamples(1#,3#)wereobviouslysmallerthanfinegradation samples(2#,4#),andsameasD2,D1havesame trend.Itwasrational,thedistanceofparticleswere smallerincoarsegradationthaninfinegradation.On theotherhand,whenthecontentofcoarseaggregate(largerthan 2.36mm)wassame(forexample 1and3),theA2of 3#wassmallerthan 1#,becausethe contentof 2.36mm for 3#wassmallerthan 1#,the coarseaggregate can be compacted more easy.The skeletonofcoarseaggregatesweremorecloser.ForD1andD2,theD2wasmoresensitiveformicrostructure change.Thisisunderstandablesinceitwasthemastic thatshrinksand notthe aggregate.Byconsidering masticalone(D2)thechangesinlengthsweremore obvious.ThedatawereshowninTable 3.
4.3 Majoraxisangledistribution
ThevectormagnitudeΔandaverageangleθwere showninFigure 7.Forallfourgradations,theaverage angleofinclinationwasfoundtobesmallerforspecimenscompactedusingtheSGCcomparedwithsamples compactedusingvibratorycompactor.thevectormagnitudewasconsistentlysmallerforvibratorycompactor samplescomparedtotheSGC samples.Theseresults indicatedthatparticleshavepreferred orientation to-wardsthehorizontaldirectioninSGCsamples.Onthe otherhand,theyappeartohavemorerandom distributioninvibratorycompactorsamples.
5 Conclusions
Digitalimageprocessingtechniqueisdevelopedto quantifythemicrostructureofhotmixasphalt.Themicrostructureofhotmixasphaltisdescribedintermsofholesdistribution,aggregatedistributionandmajoraxis angledistribution.
(1)The difference ofhotmixasphaltcan be measuredusingtwo-dimensionalimageanalysisofcore samples.
(2)Theholesdistributionwasmoresensitivefor waterpermeabilitythantraditionalvolumeindexes.
(3)Resultsindicatethatparticleshavepreferred orientationtowardsthehorizontaldirectioninSGCsamples.Ontheotherhand,theyappeartohavemoreofa random distributioninvibratorycompactorsamples.
(4)Foraggregatedistribution,theA2and D2weremoresensitive,andtheyhadsametrendthatthe twoparameterswerealllargerwhenthegradationwas finegradationscomparedwithcoarsegradations.And thetwoparameterswerelargerwhencompactedusing SGCcomparedwithvibratorycompactor.
摘要：采用数字图像处理方法,对沥青混合料取芯试件图像进行处理和分析,建立一套分析沥青混合料细观组成结构的指标,包括孔洞分布参数,集料与胶浆分布参数,以及主轴角度分布参数。选取4种沥青混合料级配进行研究,结果表明各细观结构指标能够定量评价不同级配和压实方法的沥青混合料之间的结构差异。
关键词：沥青混合料,数字图像处理,孔洞分布,集料分布,主轴角度
参考文献
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废旧沥青混合料再生利用的试验 篇5
废旧沥青混合料再生利用的试验
摘要：试验分析证明,再生沥青混合料的.路用性能能够满足高等级公路沥青路面的各项指标要求,提出了旧料使用率、再生剂最佳用量范围以及试验关键点.作 者：姜利 刘玉磊 Jiang Li Liu Yulei 作者单位：东北林业大学,哈尔滨,150040期 刊：东北林业大学学报 ISTICPKU Journal：JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY年，卷(期)：,35(2)分类号：X7关键词：再生沥青混合料 配合比设计 再生剂
热拌沥青混合料路面的施工 篇6
【关键词】热拌沥青混合料;沥青路面;施工
沥青混合料路面施工,如施工工艺处理不当,会出现泛油、凸起、车辙和裂缝等现象。为了避免可能多种因素造成沥青路面损坏的影响,只有在施工过程中对路面压实度、稳定性、平整度和弯沉等方面进行控制,严格按设计和施工规范要求施工,工程质量才能得到保证。
１．施工前的准备
1.1施工前的材料检测
沥青路面所需材料包括沥青、砂、碎石、矿粉等,都通过试验检测,符合设计要求后选优使用,同时做好材料供给的连续性,满足生产的需要。
江肇高速公路建设所使用的沥青、改性沥青由业主招标采购，委托材料供应管理公司签订采购供应合同，并由材料供应管理公司统一组织供应给承包人，经科学研究所对沥青样品三大指标质量检测结果如表1所示。
表1 道路沥青质量检测结果
检测结果A-70#和A-50#沥青的三大指标均符合JTJ 032-94公路沥青路面施工技术规范规定符合《公路沥青路面施工技术规范》规定的物理力学性能要求，并满足粒径规格要求。
LM2段碎石分布来自鹤山上南石场和肇庆龙兴石场，鹤山上南含有方解石和软石，需要减少软石含量和加大防尘措施减少0.075mm含量，加大系集料的砂当量检测频率，提供质量原材料水平。试验室还对要进场材料进行抽样检查,确保材料质量关。
1.2施工测量放样
测量放线人员到位开展测量工作,先进行路线恢复,保护中桩、交点及导线点,复测水准点等,作好现场测量记录。核查实测数据与设计图纸之间的误差,如有错漏现象及时向主管部门反映存在的问题,及时得到解决。
1.3配合比的选定
热拌沥青混合料配合比设计应按设计配合比-目标配合比-生产配合比-标准配合比的程序进行。配合比设计主要采用马歇尔试验确定沥青混合料的沥青用量和体积参数，应达到下表2所列的技术标准，并有良好的施工性能。
表2热拌沥青混合料马歇尔试验技术标准
沥青混凝土混合料进行配合比设计时，应通过车辙试验机对抗车辙能力进行检验。在温度60℃、轮压0.7MPa条件下进行车辙试验的动稳定度，对于普通重交沥青，下面层应不小于1000次/mm，中面层应不小于1500次/mm，对磨耗层应不小于1500次/mm。
对用于上面层、中面层和下面层的沥青混凝土混合料进行配合比设计时，应通过旋转压实机对配合比在Superpave方法规定的最终压实次数下校核其残余空隙率。在规定条件下，各结构层沥青混合料的残余空隙率不得低于2%。
LM2合同段沥青上面碎石粘附性较小，碎石幽默较薄，9.5mm曲线宜在中线上，补充16mm集料，体积指标按5%控制孔隙率，0.3mm、0.6mm偏差较大，导致渗水严重，混合料级配不稳定，部分路段现场空隙率偏大，要求对配合比进行优化设计，形成骨架密实性结构，以提高路面结构层的防水性和高温稳定性。沥青上面层油石比宜控制在4.4%。
2.热拌沥青混合料的施工
2.1试验段的施工和要求
在全面开展路面施工之前,以监理工程师通过审批的生产配合比进行试拌,并在指定的路段进行一段试验路面的施工。在现有的机具设备情况下,进行施工测定,收集有关数据等。从沥青拌合楼的混合料出炉开始,检测出炉温度(控制在170℃内)、油矿比、摊铺前温度、卸料、布料摊铺、测定摊铺后温度(检测结果在115℃~145℃),还有压实度和压实遍数、平整度的控制等。
2.2碾压时的温度控制
沥青路面摊铺好后,实测碾压前温度为120℃~135℃左右,碾压过程分初压、复压、终压三个阶段,在K126~K138公里段初压2遍后实测其压后温度在110℃~120℃之间,而终压达压实度、平整度后的实测温度为:昼夜最低温度不低于75℃,整个碾压过程的温度控制能满足规范的要求。
2.3施工缝的处理
该路段的沥青路面摊铺是以单向全幅宽度进行,没有纵缝,只有横向接缝。在接缝施工中,先用3 m直尺检测平整度,在不符合要求的位置横向拉线,并用粉笔沿线画在地面上,且沿画线将旧沥青路面接缝处切刮顺直平整,并清除干净,且涂薄层沥青油,将摊铺机的熨平板起步线压在接口处齐平,在摊铺机两侧放长×宽=50 cm×6 cm左右,厚度与结构层厚度一致的硬质木垫板,摊铺时先慢速起步,并加大振频,摊铺离开接口1 m左右后再以正常的摊铺要求进行。
关键要做好接缝处的碾压工作。首先以轻型双钢轮压路机与缝口有30°的夹角方向前进碾压,从老路面开始起步,并以前轮不完全离开老路面为准退回后,再前进碾压新接口,且轮迹重叠有1/3以上。
碾压1遍~2遍后,再换重型双钢轮压路机顺接缝方向振压,此时钢轮压在老路面上有1/3左右即可,直至压到设计要求的压实度、平整度为止。
2.4平整度的控制
2.4.1路面下承层的平整度控制
确保下承层平整度达到规范要求是沥青路面施工质量控制的关键。由专业的基层整修队伍负责。
2.4.2放桩、定高程、挂基准线时的质量控制
专人负责,测量组统一放线控制高程和桩点等。对弯道部分点位加密(弯道部分5 m或直线部分10 m)控制,要求张拉基准线受力程度保持一致,长度对应相等,并且加強测量施工放线的复测。
2.4.3摊铺过程的控制
沥青路面摊铺时,混合料供应充足,保证连续施工、拌和均匀,并且无粗细离析现象。同时摊铺速度和布料保持均匀、稳定,这样摊铺出的路面就不会出现波浪。相邻两幅摊铺时应有10~20cm左右宽度的沥青混合料搭接。相邻两台摊铺机宜前后相距10~20m作业，且不得造成前面摊铺的混合料冷却。摊铺机在开始受料前应在料斗内涂刷少量防止粘料用的柴油。摊铺机熨平板需预先加热后方可工作。当施工气温低于10℃时，不得摊铺热拌沥青混合料。机械操作手的操作熟练程度、摊铺前的气候变化、施工缝的处理效果等对平整度都会造成一定的影响。摊铺不得中途停顿。摊铺好的沥青混合料应紧接着碾压，如因故不能及时碾压时，应停止摊铺,并对卸下的沥青混合料覆盖保温；混合料来不及碾压，已冷却时应废弃不用。摊铺遇雨时，应立即停止施工，并清除未压实成型的混合料，遭受雨淋的混合料应废弃，不得卸入摊铺机摊铺。
2.5压实控制及工艺
压实是最后一道工序,良好的路面质量最终是要通过碾压来实现。碾压中出现质量缺陷,会导致前功尽弃,因此,必须十分重视压实工作。沥青混合料的分层压实厚度不得大于10 cm。应选择合理的压路机组合方式及碾压步骤,以求达到最佳效果。压实应按韧压、复压、终压(包括成型)三个阶段进行。压路机应以慢而均匀的速度碾压。
2.5.1初压
初压应在混合料摊铺后较高温度条件下进行,不得产生推移、发裂,压路机应从外侧向路中心碾压,碾压带重叠轮宽的1/3~1/2。应采用轻型钢筒式压路机或关闭振动装置的振动压路机碾压2遍,其线压力不宜小于350 N/cm。
2.5.2复压
复压应紧接在初压后进行。宜采用重型轮胎式压路机,也可采用振动压路机或钢筒式压路机。碾压遍数应经试压确定,不宜少于4~6遍。
2.5.3终压
终压应紧接在复压后进行。终压可选用双轮钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机碾压,不宜少于2遍,并要求压后无轮迹。路面压实成型的终了温度应符合技术规范的要求。
3.结术语
混合料结构 篇7
随着沥青路面的广泛应用,关于沥青及沥青混合料的研究也在不断发展。沥青混合料是多相复合体系,主要由沥青、矿粉、集料、外掺剂(纤维)、空隙等组成,其本身的性能非常复杂且受到各种因素的影响。试件制备过程中的温度、成型方式及各种材料与空隙的比例等,均对沥青混合料的力学性能有重要的影响。在研究初期,研究者大多集中于宏观结构的研究,如沥青混合料的级配组成、密度以及油石比等,并且在研究中选取的力学模型大多是以连续理论为基础的,将沥青混合料看成是一种均质材料来进行研究,并没有考虑沥青混合料内部结构对宏观性能的影响[1]。由于近年来沥青混合料的结构、形式以及性能均在不断地发展,研究者们发现仅从宏观方面来评价和测试其力学性能已经不能够满足要求了,因此一直在追求一种能够准确评价和测试沥青混合料力学性能的方法,此时从微细观结构方面来评价沥青混合料的宏观性能就是一个重要的评价方法。并且随着计算机技术和数字图像处理技术的不断发展,将沥青混合料的微细观结构的研究与这2种技术相结合,形成了一种研究微细观结构的有效手段。通过数字图像技术,可以较准确地描述沥青混合料的内部结构,从而较准确地模拟其力学行为。
本文结合数字图像处理技术,提出了一种有效的有限元建模方法,并通过此模型来模拟相关的室内弯曲试验,并将其与试验结果进行对比分析,研究胶粉改性沥青混合料细观结构的力学性能。
1 沥青混合料弯曲试验
按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定准备长(250±2)mm、宽(30±2)mm、高(35±2)mm的小梁试件,进行弯曲试验(室内温度为15℃)。由于单点加载的操作简单且结果精度较高,力学概念清晰,因此试验中采用在跨间施加单点荷载直至试件断裂破坏。
在试验中,对SBS改性沥青、普通沥青(PT)、废胶粉改性沥青(JF)等3种材料制成的混合料小梁试件分组以0.15、0.25、0.50 mm/min的速率进行加载。通过小梁弯曲试验测定沥青混合料的破坏强度、应变及劲度模量,并对不同材料采用不同加载速率的加载试验进行对比分析,来比较评价沥青混合料的力学性能。
JTG E20—2011规定破坏拉应力σ、破坏拉应变ε以及劲度模量E的计算公式分别为:
式中:F——试件破坏时的最大荷载,N;
b———试件断面宽度,mm;
h———试件断面高度,mm;
L——试件跨径,mm;
d———试件破坏时跨中挠度,mm。
在试验数据中提取到最大的荷载以及最大挠度,将荷载与挠度按照式(1)、式(2)、式(3)计算出破坏拉应力、拉应变以及劲度模量值,结果见表1。
注:试件宽度b=30 mm,高度h=35 mm,跨径L=200 mm。
从表1可以看出:(1)胶粉改性沥青、SBS沥青混合料承受的最大荷载比普通沥青混合料承受的最大荷载要大得多,尤其是加载速率在0.15、0.25 mm/min时,胶粉改性沥青比SBS与普通沥青混合料的最大荷载均大许多,说明在低加载速率作用下,胶粉沥青混合料的力学性能较强;(2)随着加载速率的增大,3种沥青混合料的破坏拉应力、破坏劲度模量均呈现较明显的增加趋势;在加载速率相同时,胶粉改性沥青混合料的破坏拉应力及破坏劲度模量均大于SBS及普通沥青混合料试件,而普通沥青混合料的破坏应变大于胶粉改性沥青及SBS沥青混合料;(3)胶粉改性沥青混合料的变形从始至终均小于其它2种混合料,但是劲度模量是这3种中的最大的,说明胶粉改性沥青混合料的抗变形、抗拉裂能力优于SBS与普通沥青混合料。
2 有限元分析
基于细观结构的沥青混合料有限元分析,本文主要从以下几个方面着手:
(1)较准确地获取沥青混合料内部结构的相关信息,如骨料的形状、骨料大小、沥青砂浆、空隙的信息;
(2)对沥青混合料内部结构进行边缘检测,将骨料、沥青分别分离出来;
(3)将沥青混合料进行矢量化,形成可以用于力学分析的几何模型;
(4)有限元模型的建立,其中包括材料参数的选择,网格划分等步骤;
(5)模型分析与后处理。
选用的模型为二维模型,采用以下建模方法,即先从试验过程中获取图像,采用数字图像处理技术对图像进行简单的处理,并将其转化成有限元分析模型。该建模方法将数字图像处理技术、图形矢量化与有限元技术相结合,主要包含图像获取及处理、图像矢量化等步骤。
2.1 图像的获取及处理
该建模过程中需要的图像均在弯曲试验中采用数码相机拍摄,沥青混合料原图像见图1。
本文主要采用photoshop图像处理软件对图像进行处理。图像处理的流程主要包括:图像增强、边缘检测、灰度直方图以及图像二值化等过程[2]。
由于图像的灰度直方图能够反映同一灰度级的像素个数(即像素的频率),从而可知各灰度级的分布情况,并且这种灰度直方图具有双峰性[2]。而沥青混合料图像的灰度直方图双峰性主要是左峰表示沥青胶浆的像素范围及个数,右峰表示骨料(粗细集料)的像素频率,中间的连通峰谷则是胶浆和骨料的相近灰度级。阈值选择恰当与否关系到图像的精确性,若阈值选取得过大,即将骨料的范围减小了,失去了其真实的边界,得到的矢量化图像中骨料的边界线条也是过大;同理,若选取的阈值过小,则骨料的范围变大并且线条也过细。因此,阈值的选择对接下来的图像二值化、矢量化都非常重要。
图像二值化就是将图像直方图中选定好的阈值,对二值化图像中的骨料和沥青胶浆的范围以向量的形式表现出来[2]。在图像中,黑色表示胶浆背景,白色部分表示骨料,本文将4mm以下骨料划分到胶浆背景中,见图2。
进行力学分析的几何模型均建立在向量的基础上,因此,也应将二值化图像转换成矢量图形。本文采用R2V矢量软件来对二值化好的图像进行矢量化,通过矢量化,将此图形导入到CAD中得到具有图形交换格式即DXF格式的几何模型,见图3。
2.2 有限元分析
将以上DXF格式的文件导入ABAQUS中[3],由于本文主要进行二维模拟,因此,在创建部件时选取二维截面,由于未考虑空隙的影响,并创建了沥青及骨料2个部件。
2.2.1 定义材料参数、划分网格
本文只考虑骨料、沥青2种材料。在定义材料时,将骨料定义成弹性材料,沥青定义为粘弹性材料,其主要参数见表2。
网格划分中,骨料与砂浆均采用四角形单元网格,骨料的单元种子密度为0.8 mm,沥青的则为1.2 mm,详细划分见图4。
2.2.2 数值模拟结果
通过以上处理并对模型进行分析得到了该模型的应力云图(MISES应力)(见图5)以及模型变形图(见图6),我们将数值模拟与室内弯曲试验进行对比,从而验证数值模拟的合理性和准确性。本文具体选取试件顶面的中点的应力应变关系以及弯曲劲度模量作为判断的指标。
(1)试件顶面中点的应力应变关系
由于弯曲试验的模拟与加载时间有关,因此,在ABAQUS中共有25个分析步,其中此处选取第4、8、12、16、20、24的分析步的应力并与室内试验的对应时间的数据进行对比,结果见表3。
从表3可以看出,当试件顶面的应力应变关系作为验证指标时,ABAQUS的数值模拟结果与室内弯曲试验的结果接近,误差较小。
(2)劲度模量
同样,在此选取ABAQUS模拟的第4、8、12、16、20、24个分析步应力应变数据,与式(3)计算出对应的劲度模量,并将这些数据与胶粉改性沥青的室内试验数据进行对比,结果见表4。
从表4可知,ABAQUS模拟的劲度模量计算结果均值为155 MPa与室内弯曲实验的计算结果150 MPa非常接近,其误差为3%。
由以上对比分析可知,ABAQUS的材料参数的选择与计算结果准确性较高且有效合理,为进一步研究沥青混合料的细观结构的力学性能打下的基础。
3 结论
(1)胶粉改性沥青混合料的抗变形、抗拉裂能力均优于SBS与普通沥青混合料。
(2)将数字图像技术与有限元分析技术相结合描述沥青混合料的内部结构,提高了计算的准确率。
(3)胶粉改性沥青混合料的有限元分析结果与弯曲试验结果非常接近,进而说明用数值模拟的方法模拟室内弯曲试验,可以减少试验的工程量。
参考文献
[1]汪海年.沥青混合料微细观结构及其数值仿真研究[D].西安:长安大学,2007.
[2]阮秋琦,数字图像处理学[M].北京:电子工业出版社,2001.
混合料结构 篇8
冻融劈裂试验是现行规范规定的沥青混合料抗水损害性能标准试验方法之一, 沥青路面水损害的发生是水和交通荷载对混合料各种不良影响的外在表现, 这些不良影响不仅体现在其宏观路用性能的衰减上, 还应体现在其内部微观结构的变化上, 本文正是本着这样的目的进行研究, 以混合料马歇尔试件CT图像为依托, 通过对试件冻融劈裂试验前后内部结构特征的识别, 从微观角度揭示冻融劈裂作用对沥青混合料的影响。
2 马歇尔试件初始内部结构CT扫描
选用三种级配即AC-16、SAC-16和SMA-16型沥青混合料, 在选定的扫描条件下对其马歇尔试件进行CT扫描, 三个试件各层位的CT扫描图像分别见图1～图3。CT图像当中的浅色部分为高密度区, 对应于沥青混合料中的集料和沥青胶浆, 深色部分为低密度区, 代表的是空隙。从图中可以看出, 对于沥青混合料的内部微观结构而言, 马歇尔试件内部空隙分布很不均匀, 试件的空隙集中分布在其底部, 即试件进行第一个50次击实时的底面, 试件中部各层空隙很少。
3 马歇尔试件初始内部结构分析
从微观结构讲, 试件内部的空隙率及空隙分布对混合料的水敏感性应存在较大影响。因此将试件内部空隙率及空隙分布作为分析其内部结构的切入点, 对其各扫描层位的CT图像分别进行分析。对于每个试件实测而得的实际空隙率, 理论上讲, 如果对试件进行连续扫描, 则所有扫描层的空隙率之和应与试件的实测空隙率完全吻合, 考虑到经济性, 本次研究对试件进行了12个层位的扫描。
3.1 马歇尔试件初始CT图像的二值化
为了进行试件CT图像内部空隙率的计算和空隙分布特征分析, 需进行图像的二值化, 其目的在于将空隙与沥青胶浆和集料从图像上区分开来, 即进行空隙的提取。所以混合料CT图像的二值化实际上就是确定区分空隙与沥青胶浆和集料图像灰度的阈值。论文采用美国Scion公司研发的Scion Image软件进行图像的二值化, 该软件基于双峰法进行图像的数字化, 认为灰度分布图中两个峰值之间的介质应为同一介质, 双峰法的具体做法是初步确定区分空隙与沥青胶浆和集料的阈值后, 再采用反复试算法微调该阈值, 其步骤如下:
(1) 确定使试件每个层位空隙率之和等于其实测空隙率的灰度阈值;
(2) 根据确定的灰度阈值, 计算每一层位的实际空隙率。
因为级配不同以及试件在图像增强和对比度调整等数字图像处理过程中的差异, 所以需为每种级配的试件独立选取和确定灰度阈值, 根据上述原则, 对于AC-16试件, 确定灰度值小于177的图像代表空隙, 灰度值大于177的图像代表沥青胶浆和集料;而SAC-16和SMA-16的阈值则分别为182和180, 图4～图6为采用上述阈值得到的三个试件二值化后的CT图像。
3.2 马歇尔试件初始内部空隙分布
获得了混合料试件内部各层位二值化后的扫描图像后, 即可带入每个试件图像二值化时采用的灰度阈值, 运用Scion Image软件的灰度计算功能得到其各自12个扫描层位的空隙率, 并进而得到三个试件空隙率随试件高度变化的分布情况见图7。从图中亦可看出马歇尔试件的空隙呈不均匀分布, 上部和中部空隙较少, 底部空隙分布较集中。同时从CT扫描原图像还可以看出, 试件内部的胶浆和粗集料亦呈不均匀分布, 在空隙较集中的试件底部胶浆相对较少, 而粗集料则相对较多。
4 冻融劈裂后试件内部结构分析
试件内部的初始结构组成会影响其在冻融劈裂后内部结构的变化特性, 对于冻融劈裂后的试件, 仍然从其CT扫描图像的二值化入手分析其内部结构的特点。
4.1 冻融劈裂后试件CT图像的二值化
采用同样的方法进行图像的二值化, 三个试件冻融劈裂试验后相应12个层位的CT扫描结果示于图8～图10, 二值化后的图像见图11～图13。
4.2 冻融劈裂后试件内部空隙分布
以二值化图像为基础, 按同样的方法进行各扫描层位空隙率的计算, 得到三种级配试件冻融劈裂前后相应各层位空隙率分布的对比情况, 试件初始空隙率大的地方冻融劈裂后空隙率增大幅度很大, 反之, 试件初始空隙率小的地方其空隙率增大幅度则较小。
5 冻融劈裂对混合料影响的CT图像分析
5.1 冻融劈裂后试件内部空隙分布结构的变化
从文中图像处理结果可以看出, 试件冻融劈裂后破坏多发生在其初始空隙分布较密集处, 可见初始空隙多、水容易进入的部位是在荷载作用下易发生破坏的薄弱部位, 冻融劈裂对混合料试件的破坏作用与试件的空隙分布结构密切相关。在试件底部和上部空隙分布较集中的位置, 冻融劈裂试验后试件内部产生了沿沥青胶浆和粗集料接触面的明显开裂。分析其产生原因, 在冻融过程中, 水分进入并停留在试件中, 显然在试件底部和上部空隙分布集中的位置进入的水要多一些, 在-18℃的低温处理条件下, 结冰使得水分在试件内膨胀, 而在60℃水浴中保温时试件中的水又会融化, 这种胀缩作用在短时间内一定程度上强化了水对混合料的影响, 经水胀缩作用后, 试件在有水进入的空隙部位已变得较为薄弱, 所以受到劈裂作用时空隙等内部损伤易在这些部位继续发展。
5.2 冻融劈裂后试件内部沥青胶浆与集料粘结的变化
从试件内部CT图像的微观特征看, 冻融劈裂后其损坏大多出现在沥青胶浆与集料尤其是粗集料的粘结面上, 显示沥青与集料之间的粘结受到了水的置换和剥落破坏, 这和水分子具有氢键, 其极性较沥青强, 因而更易润湿集料表面有关。因此, 从冻融劈裂试件的内部破坏特征看, 空隙的扩展多从原有空隙处开始, 且沿沥青胶浆与集料的接触面发展。
6 结语
沥青混合料再生技术研究 篇9
我国公路建设发展迅速, 高速公路总里程已经跃居世界第二位, 目前许多高速公路都已进入大、中修期, 每年翻修开挖出来的旧沥青混合料将超过1 000万t。随着可持续发展理念的不断深化, 对整个公路交通行业提出了相应的要求, 沥青路面材料的再生利用技术已经成为当前公路建设需要解决的迫切问题。
沥青路面再生技术是将不能满足使用要求的旧沥青路面沥青混合料经过一定的加工和处理, 包括对旧沥青路面进行翻挖、破碎、筛分, 再和新集料、新沥青、再生剂 (必要时) 重新混合, 变成可以达到技术标准要求的混合料以后, 重新铺筑为新的路面。
1 研究现状
1.1 国外
旧沥青路面材料再生利用的试验研究最早始于1915年, 但发展缓慢。1974年美国重新开始研究这项技术, 并且迅速在全国推广应用。从1976年到现在, 美国沥青路面废料的再生利用率已超过70%[1]。
日本从1976年开始进行沥青路面再生技术的研究。1984年7月, 日本道路协会出版了《路面废料再生利用技术指南》, 并且就有关厂拌再生技术编制成了手册。目前, 路面废料再生利用的数量已经超过50%。欧洲一些国家对沥青路面再生技术的研究也在同一时期展开。20世纪70年代中期, 德国、荷兰和芬兰等国家相继进行了小规模的试验研究, 并迅速推广应用[2]。
1.2 国内
我国是从20世纪80年代初开始旧沥青路面再生利用研究的, 但早在国家“七五”和“八五”科技攻关中, 对沥青路面的热再生机理、再生设计方法和热再生施工工艺实用技术进行了比较系统的研究。
20世纪90年代, 我国进入高速公路建设高峰时期, 沥青路面再生技术的研究与推广却几乎被搁置。而今大量沥青路面已陆续进入了维修或改建期。开发适用于沥青路面的再生技术这一工作已成为公路工作者的议题。随着我国高等级路面维修养护量的不断增加, 对混合料再生技术有必要进行深入、系统的研究。
2 沥青再生机理研究
根据沥青老化的机理可以通过加入某种再生剂, 使极性差异比较大的组分之间能够很好的相容, 从而达到对老化沥青进行再生的目的。
再生剂具有两亲性, 一端可以和极性较强的沥青质结合, 在沥青质的周围形成有序紧密排列的单分子膜, 也就是所谓的“界面膜”, 此膜具有一定的强度, 可以对沥青质起一定的保护作用, 在受到外界条件变化时, 分子内部颗粒之间在相互撞击的时候, 不产生“聚结”现象, 使溶液处于比较稳定的状态;另一端可以和极性相对较弱的芳香酚和饱和酚结合。这样既可以减小高分子聚合的程度, 使重分子量和平均分子量都减小, 一定程度上恢复到老化以前的状态, 同时又可以很好的解决相容性的问题[3]。
按照以上的再生思路其再生机理过程可以用图1表示。
3 再生技术分类及适用性
3.1 现场热再生
现场热再生技术也称为表层再生技术。该技术通过现场加热、翻耕、混拌、摊铺、碾压等工序, 一次性实现就地旧沥青路面再生, 具有无须运输废旧沥青混合料, 工效高, 对公路运营影响低等优点。但存在诸多局限性, 主要表现在:1) 处理厚度小。2) 无法有效调整配合比。3) 必须利用专门的再生剂恢复沥青的性能, 难以保障路面的耐久性。4) 无法处理采用改性沥青铺筑的表面层。5) 对路面层厚不均匀或质量状况变化大的路面难以保证质量要求。因此, 目前现场热再生技术在发达国家也未得到普遍采用。
3.2 厂拌热再生
厂拌热再生技术先将旧沥青路面铣刨后运回工厂, 通过破碎、筛分, 并根据旧料中沥青含量、沥青老化程度、碎石级配等指标, 掺入一定数量的新集料、沥青和再生剂 (必要时) 进行拌和, 使混合料达到规范规定的各项指标, 再按照与普通沥青路面完全相同的方法重新铺筑。厂拌热再生技术利用旧沥青回收料 (RAP) 一般不超过50%, 通常用10%～30%, 因此, 掺入数量较大的新集料和新沥青, 使再生混合料的级配和沥青结合料性能均得到充分改善;而且, 在RAP用量不大的情况下, 不需要使用专门的软化剂 (再生剂) , 使混合料具有稳定的质量。通过适当的配合比设计和严格的质量控制措施, 厂拌热再生沥青路面具有与普通沥青路面相同的路用性能和耐久性。
3.3 现场冷再生
现场冷再生技术是用大功率路面铣刨拌合机将路面混合料在原路面上就地铣刨、翻挖、破碎, 再加入稳定剂、水泥、水 (或加入乳化沥青) 和骨料同时就地拌和, 用路拌机原地拌和, 最后碾压成型。碾压成型后的摊铺层可作为低等级公路的面层和高等级公路的下面层或基层, 属于道路养护维修范畴。
3.4厂拌冷再生
将铣刨下来的旧沥青混凝土路面材料运回稳定土搅拌厂, 经过破碎作为稳定土骨料, 加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化沥青等一种或多种稳定剂和新料 (必要时) 进行搅拌, 然后铺筑于基层或底基层。这类基层具有柔性基层的特点。这项技术不但未充分利用废弃材料中的旧沥青, 而且旧沥青还会在一定程度上影响混合料的抗压强度, 但其生产过程几乎不需要专用设备就可实现。在国外被普遍采用, 实践证明具有很好的应用价值。
4再生混合料的设计要求
1) 再生混合料必须具有足够的强度和热稳定性, 夏季高温下不出现泛油、推挤、壅包和车辙;2) 再生混合料具有良好的低温抗裂性。为此, 要求混合料在低温下表现为较低的线收缩系数, 较高的抗弯拉强度和较低的弯拉模量;3) 再生沥青路面应具有足够的抗滑性和防渗性;4) 再生沥青路面应具有良好的抗老化性能, 路面经久耐用;5) 尽可能多地使用旧路面材料, 提高旧料掺配率, 最大限度地节约沥青和砂石材料。
5结语
沥青路面材料的再生利用技术已经成为当前公路建设中亟待解决的热点问题。随着我国高等级沥青路面维修量不断增加, 对沥青混合料的再生技术有必要加强理论研究。我国气候多样, 各地区的适用条件和适用场合差异较大, 对沥青混合料再生利用技术的发展道路还任重而道远。
摘要：论述了沥青混合料再生技术研究现状, 阐明了沥青再生的机理, 按照再生方式对再生技术进行了分类和论述, 指出了不同再生技术的特点和适用性, 并对再生混合料的设计提出了相应的要求。
关键词：沥青混合料,再生,机理,分类,设计
参考文献
[1]吕伟民, 严家.沥青路面再生技术[M].北京:人民交通出版社, 1989.
[2]周红, 周建波.沥青路面再生技术[J].路基工程, 2007, 134 (5) :154-156.
[3]韦琴, 杨长辉, 熊出华, 等.旧沥青路面再生利用技术概述[J].重庆建筑大学学报, 2009, 29 (3) :128-131.
废旧沥青混合料性能研究 篇10
从旧沥青混合料中回收得到的沥青经过长时间的路用荷载和自然老化作用,内部结构已经发生变化,进而导致其性能也相应的发生变化。因此有必要对其内部沥青的老化程度、化学组成成分及流变性能进行研究。
1.1 废旧沥青混合料所含沥青化学结构分析
傅立叶变换红外光谱是目前采用的研究高分子材料内部结构的最先进技术。新旧沥青红外光谱对比图如图1所示。
从新旧沥青的红外光谱对比图中可以看出,回收沥青在化学成分上发生了明显的变化。1698cm-1处的特征吸收峰是羰基(C = O)的伸缩振动,红外图谱上该峰的出现表明了沥青材料中羰基酸或酮的形成,这是表征沥青材料老化的最主要特征。从图1中还可以看出,回收沥青在1698cm-1处有很强的吸收峰,而新沥青却没有,这说明沥青在施工和服役期内发生了老化。第二个特征峰是1030cm-1处的亚砜基(S=O)伸缩振动。该官能团在沥青初期老化的时候很容易出现,但有时候会随着老化的加剧而减少。图1中可以发现新旧沥青均存在1030cm-1的吸收峰。
另外,2853～2923cm-1处的强峰是脂肪族C-H的伸缩振动特征峰,而1457cm-1和1376cm-1的两个峰是脂肪族C-H的弯曲振动特征峰。1600cm-1的吸收峰代表芳香族(C-C)的伸缩振动,从876cm-1到722cm-1的四个小峰也是芳香分子的特征峰,他们同沥青集料间的界面粘结有着一定的联系。
在红外光谱定量分析中,相关波段的吸收峰面积一般是与官能团的浓度有关。沥青是一个多相体系,包含了许多不同的官能团,而这些官能团的浓度又因产地和生产工艺的不同而变化,单纯研究吸收峰的绝对面积就显得意义不大。因此,本文将最强峰2853～2923cm-1波段的峰面积作为参考面积A,考察沥青老化过程中相对峰面积的变化。新旧沥青相对峰面积对比如表1所示。
由表1可以看出:同新沥青相比,回收沥青1698 cm-1处多出了一个吸收峰。这可以解释为沥青老化过程中,亚甲基氧化、不饱和长链和苯基里面的环烃降解导致了酮和羰基酸的形成。1030cm-1的相对吸收峰由亚砜基相对于脂肪族C-H官能团0.9%增加到1.8%,这是硫醚氧化成为亚砜基团的结果。另外,1600cm-1和876～722cm-1处相对峰面积分别从5.3%到3.9%和15.3%到9.1%,说明了沥青老化过程中的芳香族降低。
同时,沥青本身分为四大组分,分别为芳香分、饱和分、胶质和沥青质。这与沥青的红外图谱有很好的对应关系。芳香分就是沥青的低分子集团,也是红外图谱中的1600cm-1和876～722cm-1部分。饱和分就是沥青中所含的饱和烃及长链, 2923～2853cm-1处的脂肪族C-H的伸缩振动特征峰,1457cm-1和1376cm-1的脂肪族C-H的弯曲振动特征峰均是饱和分的代表。胶质是沥青中介于大分子和小分子之间的一种组分。而沥青质则可以通过1698cm-1的吸收峰变化来说明。新旧沥青的四组分分析见图2。
图2中的四组分分析和上述红外图谱中的官能团变化有很强的可比性。一般说来,沥青老化是芳香分转化为胶质,胶质转化为沥青质。在长期老化后产生了高比例的沥青质和低比例的芳香分及胶质。
1.2 废旧沥青混合料所含沥青流变性能分析
沥青是一个粘弹性材料,其表现出的性能或弹性或粘性,这与温度和荷载时间及频率有关。在相对较低的温度和短的作用时间,沥青性能类似弹性固体,但当温度升高或荷载时间提高,沥青的粘性特征就更加明显。在充分高的温度或者足够长的荷载时间,沥青可以表现出牛顿流体的性质。同时,沥青流变性能的温度时间敏感性也会由于老化过程而发生变化。
Superpave体系是在美国战略公路研究计划SHRP计划中发展起来的,是热拌沥青混凝土设计的最新方法。Superpave体系是由三种设计等级竖向组合而成的混合料设计体系:I级设计为混合料体积设计,设计沥青用量是通过分析压实混合料的空隙率、沥青用量和集料等物理指标(体积比例)获得的;II级设计为中等路面性能设计,它可以预测路面随时间产生的永久变形、疲劳开裂和低温开裂的程度;III级设计为高等路面性能设计,是在体积设计后进行一系列温度范围内的混合料性能试验,可使预测更为严格。
Superpave体系建立了沥青胶结料的PG分级系统,属于Superpave体系中的III级设计体系,它旨在通过控制沥青胶结料的物理性能指标来提高热拌沥青混凝土的路用性能。其指标包括:
(1)温度敏感性要求:高温剪切作用下原样沥青的车辙因子G*/sinδ大于1.0kPa(G*和sinδ分别是复数剪切模量和相位角);
(2)抗永久变形能力要求:旋转薄膜烘箱(RTFO)老化后残余物车辙因子G*/sinδ大于2.2kPa;
(3)抗疲劳开裂能力要求:旋转薄膜烘箱及压力老化容器(RTFO+PAV)老化后疲劳因子G*sinδ不大于5MPa;
(4)抗低温开裂能力要求:蠕变劲度值(S)低于300MPa,斜率(m)大于0.300。
由于这些物理性能指标诸如G*/sinδ、G*sinδ、S和m都与温度有关,任何沥青都可以在适当的测试温度下达到上述物理性能指标。因此,Superpave体系PG分级系统实际上是基于一些指定温度下的物理性能参数来确定PG分级。例如,PG分级中的PG64-22级别, PG64-22的沥青要在高温64℃以上的温度满足温度敏感性要求(原样沥青车辙因子G*/sinδ>1.0kPa)和抗永久变形要求(RTFO老化后车辙因子G*/sinδ>2.2kPa),还要在低温-22℃以下的温度满足抗低温开裂要求(RTFO+PAV老化后的劲度值S<300MPa,m值>0.300),与此同时PG64-22的沥青还要在64℃和-22℃的中间温度25℃时满足抗疲劳开裂要求(RTFO+PAV老化后残余物疲劳因子G*sinδ<5MPa)。
自二十世纪七八十年代至今,再生沥青混凝土中新沥青的选择和再生剂的选择问题一直都没有改变。大多数的美国机构仍然运用粘度曲线图来确定新沥青或再生剂的粘度,从而确定其添加量。
旧沥青混合料中的沥青由于老化导致其组成发生变化,粘度增大,软化点得到一定程度的提高,这可以从宏观上说明老化沥青的高温性能得到改善,而SHRP的沥青PG系统分级可以从流变性能方面说明问题。文献研究表明, 老化沥青的高温抗剪切作用增强,因此,回收沥青有比基质沥青更好的高温性能。新旧沥青动态剪切流变性能对比图如图3。
图3显示了46～82℃范围内复合模量G*对温度的关系。结果表明,回收沥青的复合模量比新沥青高出很多,特别是低温部分。随着温度的升高,这个差距逐渐的缩小。同时,老化沥青的复合模量随温度升高而降低的斜率要远大于新沥青。相位角随温度的变化表现为低于普通沥青。这说明老化使沥青的性能变得更像固体。综合复合模量和相位角的变化,可以认为沥青材料的老化引起了弹性组分的明显增加,这使沥青的流变性能从偏粘性转化为偏弹性。
2 废旧沥青混合料变异性评价研究
2.1 废旧沥青混合料沥青含量变异性分析
选取料山10个样本点,进行燃烧法测定沥青含量试验,所得结果如表2所示。
从结果分析可以看出:废旧沥青混合料中沥青含量较高,平均油石比有4.97%,有很大的再生利用价值。样本A采集自料山向阳面表层,油石比偏低于其它几组样本,这是因为表层的沥青在阳光直射作用下老化严重,造成集料表面剥落严重所致。样本E和样本H采集自料山背阳面内部,油石比偏高于其它几组样本,这是因为该处废旧沥青混合料含水量较大,可能是试验时废旧沥青混合料没有完全烘干所致。废旧沥青混合料很容易吸水,试验时将120～140℃烘干2h后直接进行试验,以防止废旧沥青混合料冷却吸水而影响测试结果。
2.2 废旧沥青混合料级配变异性分析
废旧沥青混合料存在变异性,这使再生沥青混合料由于废旧沥青混合料的掺入而产生变异性,同时这种趋势也随着废旧沥青混合料掺量的增加而越发显著。因此,分析废旧沥青混合料中材料的变异性是十分必要的。
为了更好的分析废旧沥青混合料中所含矿料的级配变异性,本文将各筛孔分别考虑,以分计筛余量为研究对象。
图4为分计筛余量同其变异性的对比图,这里,分计筛余定义如下:
pri=pi+1-pi (1)
这里,Pri为第i筛孔分计筛余量;Pi+1为第i+1筛孔通过率;Pi 为第i 筛孔通过率。
变异系数的公式如下式:
这里,Cvi为第i筛孔的变异系数;σri为第i筛孔分计筛余的标准差;
如图4所示,回收集料主要是由0.6～9.5mm之间的部分组成的。另外,0.075mm的部分也占了很大的比例。从图4的变异系数分析可以得出以下结论, 9.5mm以上的集料颗粒变异性最大。比如,19mm筛孔的分计筛余变异性达到了99%,16mm筛孔的分计筛余变异性达到了57%,而13.2mm的分计筛余变异性为34%。另外,0.075mm以下部分也体现了高达23%的变异性。
对比级配分布和变异性情况,9.5mm以上部分集料数量少,变异性大;9.5mm到0.6mm部分集料数量多,变异性小;0.3mm以下0.075mm以上部分集料数量少,变异性也小;而0.075mm以下部分集料,无论集料数量还是变异性都很大。一般地,材料的变异性是由其内部高比例的成分决定的。9.5mm到0.6mm部分和0.075mm以下部分都对回收集料总体的变异性有贡献。而大于9.5mm的部分由于含量较少,对总体的变异性影响不大。综上可以看出,回收集料的总体变异性是由0.075mm以下部分主要决定的。
借用权重因子的概念来分析每个筛孔对于整体变异性的贡献,如下式所示。
WFi=
这里,WFi是第i筛孔的分计筛余变异性对于集料整体变异性的权重因子。权重因子分析图如图5所示。
从图5中可以看出每个筛孔对于整体变异性的贡献。0.075mm以下部分、4.75mm、2.36mm筛上的部分均有明显的贡献。因此,回收集料的整体变异性0.075mm以下部分、4.75mm、2.36mm影响最大。综上所述,0.075mm以下部分具有很明显的变异性,同时其也是回收集料总体变异性的最大贡献者。
3 结论
本文通过对废旧沥青混合料中回收沥青的化学结构、流变性能和废旧沥青混合料中沥青变异性、级配变异性进行试验分析,得到的主要结论如下:
(1)回收沥青性能试验表明老化沥青的红外图谱可以反映其组分变化。芳香分是沥青的低分子基团,即是红外图谱中的1600cm-1和876～722cm-1部分。饱和分是沥青中所含的饱和烃及长链,2853～2923cm-1处的脂肪族C-H的伸缩振动特征峰、1457cm-1和1376cm-1的脂肪族C-H的弯曲振动特征峰均是饱和分的代表。沥青质含量可以通过1698cm-1的吸收峰变化来说明。沥青的动态剪切流变试验表明老化沥青复合模量得到提高,相位角降低,整体偏向弹性部分。
(2)变异性试验结果表明:废旧沥青混合料中沥青含量较高,平均油石比有4.97%,有很大的再生利用价值。回收集料的级配变异性是可控制的,0.075mm以下的变异性最大。
摘要：对废旧沥青混合料中回收沥青的化学结构、流变性能和废旧沥青混合料中沥青变异性、级配变异性进行试验分析,综合评价了废旧沥青混合料的性能。
关键词：废旧沥青混合料,化学结构,流变性能,变异性
参考文献
[1]张登良.沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998
[2]黄晓明,吴少鹏,赵永利.沥青与沥青混合料.南京:东南大学出版社,2002
混合料结构 篇11
【关键词】沥青混合料；路面特征；碾压工序；分析
Features of Asphalt Pavement and rolling step
Wong Wei-ming
（Chang nine conservation emergency management office management Nanchan Jiangxi 330000）
【Abstract】Asphalt Pavement compaction results have a direct impact on the quality of the road. This paper analyzes the problem of asphalt pavement construction in several rolling processes exist. To ensure the quality of asphalt pavement， rolling rolling speed work should be appropriate， timely rolling temperature and rolling reasonable length.
【Key words】Asphalt；Pavement characteristics；Rolling process；Analysis
1. 前言
（1）沥青路面是指在矿质材料中掺入路用沥青材料铺筑的各种类型的路面。沥青结合料提高了铺路用粒料抵抗行车和自然因素对路面损害的能力，使路面平整少尘、不透水、经久耐用。因此，沥青路面是道路建设中一种被最广泛采用的高级路面。沥青路面公路按照集料和矿粉混合比例的不同，可以分为多碎石沥青混凝土面层和沥青玛蹄脂碎石混合料面层两种。沥青路面有多种分类方法，按集料种类不同分为： 沥青砂、沥青土、沥青碎（砾）石混合料等；按沥青材料品种不同分为：石油沥青路面、煤沥青路面、天然沥青路面和渣油路面。但较普遍的分类方法是按其施工方法、技术品质和使用特点分为：沥青混凝土路面、厂拌沥青碎石路面、沥青贯入式路面、路拌沥青碎（砾）石混合料路面和沥青表面处治路面。
（2）沥青路面约占我国高等级路面的90%，它在施工中的最后一道工序是碾压工序，它是保证沥青混凝土路面使用性能的关键工序，是良好路面质量的最终体现。碾压工艺的好坏直接影响到路面的质量和实用性能。因此，沥青路面的碾压工艺对沥青路面的施工有着非常重要的影响。压路机手要遵循施工准则从低到高碾压、从静碾到振动、碾压到要求的变数等就足够了，往往忽视了碾压温度、碾压时间、压实度、平整度等，结果会出现欠压、过压等许多弊端。
（3）沥青路面通常用于铺筑路面的面层，它直接受车辆荷载作用和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供稳定、耐久的服务。
2. 沥青路面具有以下特征：
（1）沥青路面具有高温稳定性。
由于沥青路面的强度与刚度随温度升高而显著下降，为了能够更好地保证沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定性。
（2）沥青路面具有低温抗裂性。
由于沥青路面随温度下降，劲度增大，变膨能力降低。在外界荷载作用下，使得-部分应力来不及松弛，应力逐渐累积下来，这些累计应力超过材料抗拉强度时即发生开裂，从而会导致路面的破坏，所以沥青路面在低温时应具有较低劲度和较大的抗变形能力来满足低温抗裂性能。
（3）沥青路面具有水稳定性。
由于水分的存在一方面降低了沥青本身的粘结力，同时也破坏了沥青路面中沥青与矿料间的粘聚力，从而加速了剥落现象发生，造成了道路的水损害。所以说，沥青路面一定要具有水稳定性，这样才能够保证路面的耐用。
（4）沥青路面要具有耐疲劳性。
由于沥青路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏，所以，沥青路面应该具有耐疲劳性。 沥青混合料进行摊铺工序之后，就进入了压实环节。碾压，摊铺后紧跟碾压工序，压实分初压、复压、终压（包括成型）三个阶段。正常施工时碾压温度为110～140℃，且不低于110℃；低温施工碾压温度120～150℃。碾压终了温度不低于65～80℃。碾压速度应慢而均匀。初压时料温较高，不得产生推移、开裂。压路机应从外侧向中心碾压，相邻碾压带重叠1/3～1/2轮宽。宜采用60～80KN双轮压路机慢速度均匀碾压2遍，碾压温度应符合施工温度的要求，初压后应检查平整度、路拱必要时应予以适当调整碾压时应将驱动轮面向摊铺机。复压采用重型轮胎压路机或振动压路机，不宜少于4～6遍，达到要求的压实度，并无显著轮迹，因此，复压是达到规定密实度的主要阶段；终压可用重型轮胎压路机或停振的振动压路机，不宜少于2遍，并应消除在碾压过程中产生的轮迹和确保路表面的良好平整度。在连续摊铺后的碾压中，压路机不得随意停顿。为防止碾轮粘沥青，可将水喷洒碾轮，严禁涂刷柴油。不得在成型路面上停放任何机械设备或车辆，不得散落矿料、油料等杂物，加强成品保护意识。
3. 碾压的最终目的是保证压实度和平整度达到规范要求，在碾压过程中有以下几个原因影响质量：
（1）沥青路面施工应配备足够数量、状态完好的压路机，选择合理的压路机组合方式，根据摊铺完成的沥青混合料温度情况严格控制初压、复压、终压（包括成型）时机。压实层最大厚度不宜大于100mm，各层应符合压实度及平整度的要求。
（2）碾压时温度是一个关键的参数，摊铺出来的混合料应及时碾压，如果碾压不及时，沥青混合料将压不实而影响到路面的压实度；同时碾压不及时还会出现混合料的推移。施工过程中，由于空气和碾压成型的面层或基层温度太低，使施工层上下表面的温度迅速降低，沥青的胶浆流动性减少，与下一层的粘结性减弱，而中间夹层的温度仍旧很高。
（3）初压宜采用钢轮压路机静压1～2遍。碾压时应将压路机的驱动轮面向摊铺机，从外侧向中心碾压，在超高路段和坡道上则由低处向高处碾压。复压应紧跟在初压后开始，不得随意停顿。碾压路段总长度不超过80m。碾压速度做到慢而均匀，应符合规范要求的压路机碾压速度。
（4）碾压重叠不合理，如密级配沥青混合料复压宜优先采用重型轮胎压路机进行碾压，以增加密水性，其总质量不宜小于25t。相邻碾压带应重叠1/3～1/2轮宽。对粗集料为主的混合料，宜优先采用振动压路机复压（厚度宜大于30mm），振动频率宜为35～50Hz，振幅宜为0.3―0.8mm.层厚较大时宜采用高频大振幅，厚度较薄时宜采用低振幅，以防止集料破碎。相邻碾压带宜重叠100―200mm.当采用三轮钢筒式压路机时，总质量不小于12t，相邻碾压带宜重叠后轮的1/2轮宽，并不应小于200mm。压路机在碾压时机手通常是从路缘到路肩依次碾压，不重叠或重叠不够。一般情况下在有路缘石时，压路机可以从路缘开始都低到高依次碾压，但在无路缘石时，必须在离路面边坡30～50cm处开始碾压。因为摊铺出的混合料是松散的，是靠沥青的胶浆性联结在一起的，碾压时沥青混合料在力的作用下会向前后左右四个方向移动。在无路缘石时应留有30～50cm不碾压等到静碾一遍后再碾压此处，此时由于温度的降低沥青胶结力的加强可以减少混合料的推移。 再就是碾压时的重叠，无论是静碾还是起振碾压，碾压时一定要重叠前次碾压轮的1/3～1/2。振动碾压时，压实效率很高，每碾压一遍压实度增长很快。
（5）碾压段长度选择要在压路机最佳作业速度的条件下，根据混合料的初压温度、碾压终了温度、铺层厚度和环境温度等实际选择。但要始终坚持的原则是：铺层越薄、碾压时间越少、碾压段长度越短，要保证在最有效的温度范围内完成整个碾压作业。
（6）碾压喷水和胶轮压路机的使用不合理，为防止沥青混合料粘轮，对压路机钢轮可涂刷隔离剂或防胶粘剂，严禁刷柴油。亦可向碾轮喷淋添加少量表面活性剂的雾状水。喷水的量一定要适中。喷水太多会使混合料温度降低太快，降低压实度；喷水太少压路机轮子上易沾上混合料，影响路面平整度。所以，工作前要检查压路机的喷水系统，使喷出的水呈雾状。并且保证工作时水箱内的水要充足。
（7）终压应紧接在复压后进行。终压应选用双轮钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机，碾压不宜少于2遍，至无明显轮迹为止。
混合料结构 篇12
关键词：道路工程,WMA,HMA,Sasobit添加剂
热拌沥青混合料 (hot mix asphalt, HMA) 的拌和与碾压温度大约是140~160℃, 有些混合料在拌和时需要更高的温度, 比如橡胶沥青、聚合物改性沥青混合料 (polymer modified asphalt, PMA) 。这些温度不仅保证骨料干燥、沥青材料包裹骨料, 而且还能保证形成的混合料具有足够的工作性。但是, 它不仅要消耗大量的能源, 而且在生产和施工过程中还会排放大量的废气和粉尘, 严重影响周围环境质量和施工人员的身体健康[1,2]。最近几年, 一种称为温拌沥青混合料 (warm mix asphalt, WMA) 的技术诞生了, 它可以降低沥青混合料的拌和温度。最初WMA技术发展的目的是减少温室气体的排放, 降低温室效应。为了减少燃料消耗, 减少二氧化碳排放量, 降低沥青氧化, 提早通车以及为工人提供一个更好的作业环境。大多数WMA技术通过降低沥青黏度, 从而使混合料具有足够的和易性[3,4]。
近年来, 由于WMA技术所带来的一系列环境效益和经济效益, 在世界上应用的非常广泛。然而, WMA技术的性能是否能与传统的HMA路面的使用效果一样, 许多研究都是依据经验获得的结果。本研究的主要目的是借助室内动态模量试验、间接拉伸强度试验研究添加Sasobit的WMA的性能, 并同HMA的性能进行比较。
1 Sasobit添加剂
在生产和压实沥青混合料时, 可以通过新工艺和新产品来降低温度, 体积和性能不发生变化。通常有以下分类: (1) 有机添加剂, 如含蜡基的一些材料; (2) 发泡添加剂, 如沸石; (3) 发泡工艺; (4) 化学添加剂, 包括表面活性剂和乳化[5,6]。在这些工艺或产品中, 有机添加剂的原理是, 在温度高于熔点时, 降低沥青黏度是为了在较低的温度下生产沥青混合料。
Sasobit是目前应用比较广泛的一种添加剂。本文采用的Sasobit是南非Saso1-Wax公司的产品, 晶体结构, 来自煤气化中生产的长链脂肪族烃, 也被称为FT固体石蜡[7,8]。通常以沥青质量1.0%~3.0%的速率加到混合料中, 进行简单的机械搅拌便可使用[9]。Sasobit的熔点约99℃, 超过116℃时, 可以完全在沥青胶结料中溶解, 使胶结料的黏度降低, 从而使沥青混合料在较低的温度下完成拌和与压实[10]。
2添加Sasobit的WMA技术应用
为了研究添加Sasobit的WMA性能, 在某地区铺筑了六个试验段, 并进行了试验检测。
2.1空隙率
为了比较WMA路面和HMA路面试验段的性能, 从两个试验段钻心取样本以确定现场路面的空隙率。表1表示的是从第二个试验段收集的WMA和HMA路面的空隙率。WMA路面的空隙范围是5.3%~5.5%, 而HMA路面的空隙范围是4.8%~5.6%。从测量的空隙率可以推测WMA与HMA路面性能显著不同。表明, 与HMA相比, 在生产和压实WMA时, Sasobit起了重要作用。
2.2废气排放量的测量
在130℃下生产添加Sasobit的WMA和在160℃下生产HMA过程中, 根据使用的重油, 可测出二氧化碳 (CO2) 的含量。第二个试验段消耗的燃油和排放量, 如表2示。降低生产温度, 可节约32%的能源, 减少32%的CO2量, 减少18%的CO量, 减少24%的SO2, 并减少33%的氮氧化物。结果表明, 生产WMA时, 添加Sasobit效果非常显著, 可减少能源消耗量和废气排放量。
2.3添加Sasobit的WMA技术的可行性
在不同的日期、拌和压实温度下, 铺筑六个WMA试验段验证Sasobit-1和Sasobit-2在不同沥青混合料类型中的可行性研究, 如表3所示。
3室内试验混合料设计
WMA和HMA采用相同的配合比设计参数和试验条件。在这项研究中, 两种混合物都使用未改性的PG64—22基质沥青和花岗岩骨料。选择最大公称粒径19.0 mm的集料做面层。如图1所示, 过筛骨料, 并混合配制最大公称粒径为19.0 mm密级配配比, 其中19 mm骨料占38%、13 mm骨料占23%、砂子34%、填料4%。
表4总结了沥青结合料的试验结果, 包括基质沥青和添加2.0%Sasobit-2的基质沥青, 即软化点, 黏度, G*/sinδ, G*·sinδ, 刚度和m值。两种沥青都是PG64—22, 这表明Sasobit对基质沥青的PG分级不会造成影响。Sasobit的添加量为沥青质量的2.0%。根据ASTM D6927的规定, WMA与HMA的最佳沥青用量为5.2%。HMA的拌和温度和压实温度分别为155℃和145℃, 而WMA拌和温度和压实温度比HMA混合料的低30℃左右, 例如, 130℃的拌和温度, 115℃压实温度。
4室内试验
通过室内加速加载试验确定在一个周期内累积加载下的路面响应和性能。采用室内加速加载试验可以评价多种新型沥青材料产品的使用性能, 诸如沥青玛蹄脂混合料 (通称SMA) 、多孔沥青混合料, 薄层沥青混合料及WMA。加速加载试验是用重型车辆模拟器检测三块不同的温拌沥青产品的车辙性能, 在标准双轮荷载和单一方向上加载不同的荷载, 在路面温度为50℃、路面深度为50 mm、潮湿条件下将它们的车辙性能进行了比较。
在这项研究中, 通过加速加载试验比较WMA路面与HMA路面的抗车辙性能。正如图3所示, 在路面温度为40℃、路面深度为25 mm的室内试验机上, 将带有8.2 t标准的双轮荷载和单向加载加速加载试验机上做试验。
4.1加载试验
6.25 m WMA和6.26 m HMA试验机, 掺加占沥青重量2.0%的Sasobit的WMA的拌和温度为 (130±5) ℃, 压实温度为 (110±5) ℃, 而相对应的HMA的拌和温度为 (160±5) ℃, 压实温度为 (130±5) ℃。
4.2车辙深度测试
当给试验机上的固定位置加荷载时, 可测出WMA和HMA路面在横向剖面上的车辙深度。抗车辙破坏标准规定车辙深度为12.0 mm。维持路面温度为在 (40±4) ℃、深度为25 mm下, 检查路面可能发生的变形。
4.3抗车辙性能
在路面温度保持不变的条件下, 用加速加载实验对两个试验机进行测试。两个试验机的车辙行为对比情况如图2。在图2中, 每一个点由三个不同位置的车辙深度的平均值表示。WMA和HMA试验机对累计重复负荷的车辙深度表现出相似的趋势, 如图3所示。经过测试, HMA的最终车辙深度是12.2 mm, 达到标准值;WMA的最终车辙深度是11.9 mm, 略小于标准值。
4.4动态模量
为了测量每个试验段的动态模量, 取直径为150 mm的钻心样本。通过在顶部和底部同时切割以获得38 mm厚的样品, 可以做间接拉伸强度试验。WMA样本的平均空隙率范围为6.4%~7.5%。在频率为20 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz和0.1 Hz条件下, 测试温度为5℃、20℃和35℃条件下, 测量应力控制模式下的动态模量。水平拉力的变形与垂直方向的变形主要取决于温度和泊松比。
图3 WMA和HMA的动态模量试验结果: (a) |E*|的半对数条件下的曲线, (b) |E*|的重对数下的曲线, (c) 水平相位角曲线, (d) 垂直相位角曲线
图3给出了WMA和HMA的动态模量试验结果。使用5℃的参考温度制作各混合物的S形动态模量曲线。可以使用半对数和重对数标表示动态模量主曲线, 以评估混合物的线性黏弹性特性, 图3 (a) 和 (b) 分别表示混合料的低温范围和高温范围。据观察所得, 在高频率下, WMA的刚度比HMA的高;两种混合料在低频率下刚度相近, 因此, 估计两种混合料抗车辙性能接近。图3 (c) 中给出的水平相位角主曲线中, 在高温条件下, HMA比WMA表现出较低的弹性性能, 但在高频率下弹性行为相似;从垂直相位角来说, 两种混合料在所有的频率范围内弹性行为相似。这些结果可以推算WMA的抗车辙性能比HMA的更好或至少类似。
4.5间接抗拉强度
用间接抗拉强度试验评价HMA路面抗裂性。为了评估WMA和HMA的抗裂性, 用加速加载试验机测试样本。表5列出了不同假设水平下, 两种混合料的强度值, 测三个值取平均值。从表5数据中可以看出, 加载前, HMA比WMA呈现出较大的变化;但在相同加载条件下, WMA和HMA的试验值相近。这表示在较低的拌和温度生产的WMA与HMA有类似的抗裂性能。t检验的显著性水平为0.05, 可评估在相同加载条件下两种混合类型的结果方差之间的差异。当P值大于0.05, 表明两组结果数值之间差别不大, 表明, 在25℃室温下, WMA和HMA具有相似的的抗裂性能。
5总结和结论
用WMA技术铺筑道路的趋势正在全世界迅速增长。大量WMA技术已成功应用, 并且不会影响路面的性能。
(1) 在生产和压实沥青混合料时, 使用有机添加剂Sasobit可以降低温度, 而沥青混合料的体积和性能不会发生变化。
(2) 基于有限的WMA试验段的基础上, 生产和压实沥青混合料时添加Sasobit的效果是比较明显的。结果表明, 在较低温度条件下, WMA路面的空隙率与HMA路面的相近。从节省能源和改善空气质量来看, 生产WMA的沥青厂占优势, 但长期性能和耐久性仍需研究。
(3) 在累积荷载条件下, WMA和HMA试验机上的车辙深度表现出相近的趋势。在高频率下, WMA比HMA具有较高的刚度, 而在低频率下二者表现出类似的刚度。据估计, WMA的抗车辙性能比HMA对应的加速加载实验结果会更好或至少类似。在相同加载条件下, WMA和HMA的平均间接抗拉强度值相似。加载条件发生变化时, 间接拉伸强度值下降。这表明, 荷载增加时, 抗裂性能越来越弱。
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