路面预养护剂在沥青混合料中渗透深度测试方法研究

王 赫，马 骉，田宇翔，张文静，田 珂

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安 710064;2.天津市市政工程设计研究院,天津 300051)



路面预养护剂在沥青混合料中渗透深度测试方法研究

王 赫1，马 骉1，田宇翔1，张文静1，田 珂2

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安 710064;2.天津市市政工程设计研究院,天津 300051)

为更加精确、便捷地测量路面预养护剂在沥青混合料中的渗透深度，减少渗透深度测量数据的离散性，提出基于标准试件和数字图像处理技术的预养护剂渗透深度测量方法。采用0.6～1.18 mm单档集料制作水泥砂浆标准试件，运用Photoshop和IPP处理技术分析光屏蔽(Light-Shield 以下简称LS)预养护剂在标准试件和沥青混合料中的渗透情况。结果表明：LS预养护剂在空隙率3%～4%的沥青混合料试件中的渗透深度可以通过其在水泥砂浆标准试件中渗透深度来表征；用量为4 g(0.5 kg/m2)的LS预养护剂渗透深度完全达到养护标准深度；建立不同预养护剂用量下的渗透相关性公式。研究结果证明，基于标准试件条件下，采用数字图像处理技术的预养护剂渗透深度测量方法是可靠的。

道路工程； 预养护剂； 渗透深度； 数字图像技术

1 引 言

随着现今社会对公路通行环境要求的提高，公路养护工作的地位愈发重要。采用科学合理的路面养护技术，不仅能延长路面使用寿命，而且能减少养护工作时间，节约养护成本。在公路养护中，预防性养护是一项先进的养护手段，其工作重心在于，在路面未出现明显病害和性能衰减之前，提前对路面进行相关的养护工作，以保持路面使用性能，延长路面使用寿命[1]。西藏地区高海拔、大温差、强紫外线等恶劣条件致使沥青路面更容易发生病害，及时进行预防性养护尤为重要，而且在路面使用早期进行预防性养护可以最小的养护成本提高已经损失的路面性能，延长路面使用寿命[2,3]。

沥青路面预养护剂是一种沥青路面预防性养护新型材料，由沥青、渗透剂、其它功能组分及添加剂制成，用于恢复沥青路面性能，即恢复表面一定深度内的老化沥青性能[4]。预防性养护的效果取决于预养护剂是否能渗入路面表面一定深度，若没有足够的渗透深度，养护后路面会继续损坏，造成材料浪费的同时无法达到预期的养护效果；若渗透深度过大，则会造成预养护剂的浪费，降低路面内部的合理空隙率。目前，预养护剂的渗透机理和模型体系的研究已逐渐完善，测量方法也从目测和游标卡尺等简单测量过渡到红外光谱和CT技术等较为先进的测量技术，但红外光谱和CT测量技术在路面预养护剂渗透领域的应用还处在探索阶段，且测量数据离散性较大，对预养护剂的渗透深度进行准确的表征还存在较大难度[5-9]。

本研究通过对预养护剂渗透深度的测量方法进行研究与改善,提出在标准试件条件下,采用数字图像处理技术的预养护剂渗透深度测量方法:分别测量预养护剂在水泥砂浆标准试件和沥青混合料试件中的渗透深度,并用标准试件数据对沥青混合料测量数据进行标定;确定预养护剂在满足路面养护要求条件下的最小用量;定量化分析在不同时间和用量条件下的预养护剂渗透深度情况以及预养护剂用量与路面空隙率的关系,同时对渗透曲线进行回归分析,求得渗透深度数据的相关性公式,为预养护剂的研发和应用提供合理建议。

2 实 验

2.1 预养护剂组分确定

预防性养护剂在常温条件下喷洒在路表面可形成一层保护层，激活表层老化沥青，延缓路面病害发展。本研究从沥青路面早期微损坏机理出发，对路面添加或补充各种有效成分，以恢复沥青路面的使用性能。采用光屏蔽(LS)预养护剂作为试验试剂，主要组分为石油沥青、还原剂、渗透剂、溶剂油及少量光屏蔽剂和分散剂。其中，石油沥青、还原剂和溶剂油用以补充老化沥青中损失的轻质组分，恢复路面老化沥青的原有性能，同时沥青还具有填充路表微裂缝以及加深路表颜色的作用；渗透剂用来增加LS预养护剂的渗透性，增强沥青与集料的粘结性能；分散剂用来减少石油中的沥青质沉淀；光屏蔽剂主要用于增强LS预养护剂抵抗紫外线老化的能力。为使LS预养护剂具备良好的渗透能力、储存稳定性和快干性，通过实验确定各组分的最佳比例，见表1。

表1 LS预养护剂各组分比例Tab.1 The component proportion of LS preventive maintenance agent

2.2 水泥砂浆标准试件

为降低预养护剂渗透深度测量数据的离散性，以预养护剂在标准试件中的渗透深度来表征其在实际沥青混合料中的渗透深度，建立标准试件与不同空隙率下的沥青混合料对比试件渗透深度的数学关系，并对测量数据进行回归分析，使数据更加接近真值。在制作标准试件时要满足以下几个要求：试件要有足够的整体性、均匀性；控制集料尺寸、形状和试件颜色以确保预养护剂有足够的渗透深度以及易观察性。在满足上述要求的条件下，采用水泥稳定单一粒径集料，对集料进行试拌，采用观察法和试验法确定最佳成型比例。

采用0.6～1.18 mm闪长岩集料与秦岭PO·42.5普通硅酸盐水泥，主要物理及力学性能指标均满足《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30-2003)要求，水、水泥、石料最佳质量比例为7∶20∶60。为保证涂刷面的可比性，试件采用φ100 mm×100 mm尺寸。为降低试件空隙率离散性，使空隙率分布均匀，并最大限度模拟路面工程施工机械设备压实和固结方式，采用振动成型法成型试件。采用传统的静压模具，并按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)要求对试件进行养生。

2.3 沥青混合料对比试件

2.3.1 孔隙率控制及测定方法

沥青混合料设计规范规定沥青路面空隙率为3%～6%，一般要求为4%，一般新建沥青路面的空隙率在6%～7%左右[10]。为减少在现场采用钻孔法大量采集试件时对沥青路面造成破坏，同时保证室内试验最大程度的模拟现场试验，使数据更加接近实际，采用模拟施工现场压实度和固定室内混合料空隙率的方法分别制作空隙率为3%～9%的沥青混合料静压试件，其空隙率测定方法满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求，当试件吸水率小于2%时，采用饱和面干法对多个试件的空隙率进行测定并取平均值；当吸水率大于2%时，采用体积法测定不同沥青混合料空隙率下的平均渗透深度，以表征沥青路面的渗透深度。将沥青混合料静压试件作为预养护剂渗透测量的对比试件。

2.3.2 级配及材料选择

表2 碎石级配中级Tab.2 Median of gravel gradation

图1 碎石级配曲线Fig.1 Gravel gradation curve

对比试件采用AC-13沥青混合料，试件尺寸φ100 mm×100 mm。沥青采用韩国SK90A级道路石油沥青，粗集料采用闪长岩碎石，细集料采用机制砂，填料采用石灰岩磨细矿粉。沥青、集料与矿粉的主要物理及力学性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。沥青混合料最佳油石比为4.9%，矿料级配见图1、表2。

2.4 数字图像处理技术

对于求取不规则面积的平均值，图像处理方法效果较好。PS(Photoshop)和IPP(Image-Pro Plus)都是功能非常强大的图像处理工具，可有效地进行图片、图像编辑处理等工作，并且具有丰富的测量和定制功能。PS与IPP的图像数据处理方法是将微小的像素点转化为距离并采用不规则面积求平均值。基于图像处理过的大样本渗透深度数据，在数学上认定其平均深度即为预养护剂的渗透深度。该方法可精确测定各种不规则图形的面积，降低人工测量的累计误差，因此采用图像处理技术计算得到的养护剂渗透深度是一种非常可行的方法。本研究采用的方法为：用相机为涂刷预养护剂的试件拍照，采用PS软件提高其对比度，勾勒出渗透剂渗透范围并填充颜色，将PS处理后的图片用IPP进行图像尺度的标定并计算渗透面积和渗透深度，将渗透面积单独分离出来，测得渗透面积及其宽度后，即可算出其平均渗透深度。

3 结果与讨论

3.1 预养护剂渗透深度对比分析

在标准试件和对比试件表面涂刷LS预养护剂，并将试件放入恒温箱(20 ℃)中静置24 h，待渗透完成后对试件进行剖切，预养护剂在对比试件和标准试件中的渗透情况见图2。

图2 标准试件与对比试件渗透界面对比 (a)水泥砂浆标准试件; (b)沥青混合料对比试件Fig.2 Penetration interface compared by standard and compared specimen

图3 渗透界面软件处理及渗透深度计算 (a)对比试件渗透界面软件成像; (b)渗透深度软件计算Fig.3 Penetration interface processed by software and penetration depth calculation

由图2可知，预养护剂在标准试件中的渗透深度比较均匀，在对比试件中的渗透深度呈现随机性。由于在标准试件表面涂刷预养护剂时，中部用量多于试件边缘，导致标准试件的渗透面基本呈弧线形分布。同时，标准试件制定的混合料空隙率较大，但渗透深度小于对比试件，主要原因是标准试件采用的0.6 mm～1.18 mm的集料比表面积大，同质量的养护剂在渗透时需要浸润更大的石料面积。而对比试件是由沥青粘结粗细集料，表面构造深度更大，内部空隙率更不均匀，且预养护剂与沥青存在相似相溶，交互作用影响较强，导致预养护剂在对比试件中的渗透路径不一，渗透面不均匀，渗透深度大。

试件在涂刷预养护剂之后，会有明显的颜色区别，对试件切面拍照并进行PS处理之后观察其渗透情况，采用IPP软件对图像进行尺度标定并二值化，最后计算平均渗透深度，具体情况见图3。

如图3所示，标准试件渗透面非常清晰，用数字图像法处理时识别计算得到的数据相比于游标卡尺测量更加准确。通过计算多个试件的渗透深度平均值得出预养护剂在标准试件内的渗透深度数据，见表3。

表3 预养护剂在标准试件内渗透深度Tab.3 Penetration depth of preventive maintenance agent in standard specimen

由表3可知，1400 g下渗透率大于1600 g，这是由于成型条件相同的标准试件采用不同的湿料量，湿料量少则空隙率大。随着预养护剂量的增加，渗透深度几乎呈线性增长，表明标准试件内部空隙率均匀，且由于石料比表面积较大，试件有效空隙率的差异对渗透深度影响就非常小。利用渗透深度成线性增长的关系，将预养护剂在标准试件与沥青混合料中的渗透深度进行关联，能够更好的表征和预测预养护剂的渗透深度，准确的评价预养护剂的渗透性能。

3.2 预养护剂用量对渗透深度的影响分析

由于紫外线射入沥青的深度一般只能达到0.1 mm，但表面老化的沥青分子会向内扩散，加上沥青路面有空隙存在，最终紫外线对沥青面层的影响会达到沥青路面以下1 cm左右深度[11]，因此以渗透深度达到1 cm作为预养护剂能够对于路面进行最佳养护的渗透深度。

试验前，将空隙率为3%～9%的沥青混合料对比试件进行分组，每组分别定量均匀涂刷2 g、4 g和8 g(按面积来算，8 g相当于路面用量为1 kg/m2)预养护剂，并观察其0.5 h、2 h、8 h和24 h的渗透深度，进行数据记录和图像采集。运用PS和IPP软件对图像处理得到渗透深度数据并进行分析，分别绘制不同用量下渗透时间与不同空隙率对比试件中渗透深度关系图，结果见图4、图5。

图4 用量分别为2 g、4 g时各空隙率下的渗透深度(a) 2 g; (b) 4 gFig.4 Penetration interface in different porosity under 2 g and 4 g dosage

图5 用量为8 g时各空隙率下的渗透深度Fig.5 Penetration interface in different porosity under 8 g dosage

由图4可知，随着预养护剂用量增加，预养护剂渗透深度和渗透速率都会显著增加，并且预养护剂会逐渐填充沥青混合料表面空隙和凹槽。当用量为2 g(实际路面用量0.25 kg/m2)时，预养护剂24 h渗透深度在1 cm以下，不能满足激活路面老化沥青的要求，而且预养护剂最终渗透深度不足，路面养护效果较差，因此2 g用量在考虑预养护剂渗透总体趋势时仅作为参考。当用量为4 g(0.5 kg/m2)、8 g(1 kg/m2)时，预养护剂24 h渗透深度能满足激活路表老化沥青的要求。用量为1 kg/m2的预养护剂渗透深度情况见图5。

如图5所示，8 g用量下的预养护剂在涂刷2h时，各空隙率下渗透深度已经达到1 cm左右，满足激活路表老化沥青达到路面养护的要求，在此用量下可更快的开放交通。

由图4和图5可知，预养护剂在涂刷到试件表面后很快渗透，此时预养护剂中的渗透剂成分才刚开始挥发，粘度较小，所以初始渗透深度在整个渗透过程中所占的比例非常大，2 h的平均渗透深度已占到24 h渗透深度的60%以上，8 h后渗透深度达到最终渗透深度的90%左右。

本研究采用的LS预养护剂中溶剂油组分挥发性强，刚涂抹到对比试件表面便迅速挥发，导致预养护剂粘度增加更快，渗透能力受到很大影响。同时沥青混合料表面存在大粒径集料，表面空隙率分布不均，表面构造深度较标准试件大，导致在最开始的0.5 h内，渗透深度非常杂乱没有规律可循。通过上述分析可知，预养护剂用量对渗透深度影响很大，从保证预养护剂效果方面，喷洒过LS预养护剂的路面至少应封闭2 h以上，有条件的路段应该封闭至少8 h再通车。

3.3 预养护剂渗透深度相关性分析

通过上述分析可得，预养护剂用量在4 g时已经可以满足路面预防性养护的要求，在不同用量条件下，对各空隙率下24 h时的渗透深度进行分析，并对数据进行拟合，结果见图6。

图6 用量分别为4 g、8 g时各空隙率下最终渗透深度(a) 4 g; (b) 8 gFig.6 Final penetration depth in different porosity under 4 g and 8 g dosage

由图6可知，预养护剂最终渗透深度数据呈波动上升，这是由于沥青混合料内部空隙分布离散导致，在数据量足够大的理想状态下，数据曲线应该是一条直线，因此对渗透深度曲线做线性趋势线，求得4 g及8 g用量下24 h预养护剂渗透深度相关性公式分别如下：

y=2.819x﹢0.933

(1)

y=5.633x-5.824

(2)

其中：y为对应各空隙率下的渗透深度；x为空隙率×100。

渗透深度相关性公式主要系数见表4。

表4 渗透深度相关性公式主要系数Tab.4 Main coefficient of penetration depth correlation formula

分析各个孔隙率条件下，不同预养护剂用量时的数据曲线，发现预养护剂在空隙率为3%、4%的沥青混合料对比试件与标准试件的中的渗透深度相当，结果见图7。

图7 3%和4%孔隙率下的渗透深度与标准件渗透深度比较(a) 3%; (b) 4%Fig.7 Penetration depth compared by standard and compared specimen in 3% and 4% porosity

由上述分析可知，预养护剂在对比试件中的渗透深度可以用线性趋势线进行拟合。用标准试件可以准确标定预养护剂在3%、4%空隙率沥青混合料中的渗透深度。综合分析两者的数据，沥青混合料对比试件中的最终渗透深度与标准试件结果非常接近且线形变化趋势相似。在相同预养护剂用量条件下，3%和4%空隙率沥青混合料对比试件的最终渗透深度分别为标准试件渗透深度的1倍和1.27倍，可以此估算预养护剂在沥青混合料中的渗透深度。

4 结 论

本研究建立了基于标准试件和数字图像处理技术的预养护剂渗透深度测量方法，较为精确的测量了预养护剂在沥青混合料中的渗透深度。

(1)预养护剂用量对标准试件中的渗透规律并无影响，渗透深度近似呈直线。利用这种线性关系，将预养护剂在标准试件与沥青混合料中的渗透深度进行关联，准确的预测预养护剂渗透情况；

(2)在不同空隙率沥青混合料对比试件中，预养护剂用量对最终渗透深度影响较大。用量为4 g(0.5 kg/m2)的LS预防性养护剂就可以达到足够的预养护深度。从实际养护效果看，喷洒过LS预养护剂的路面至少应封闭2 h以上，有条件的路段应该封闭至少8 h再通车；

(3)对比并拟合分析了标准试件和对比试件中的渗透数据，同时建立4 g和8 g预养护剂用量条件下的渗透性相关公式。等预养护剂用量下，1倍、1.27倍的标准件渗透深度分别可以表示空隙率为3%、4%的沥青混合料对比试件的最终渗透深度。

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Depth of Penetration Testing Methods for Pavement Preventive Maintenance Agent in Asphalt Mixtures

WANGHe1,MABiao1,TIANYu-xiang1,ZHANGWen-jing1,TIAN-Ke2

(1.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China;2.Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300051,China)

To more precisely and conveniently measure the penetration depth of pavement preventive maintenance agent in asphalt mixtures, and to reduce measurement data discrete, a testing method of penetration depth of preventive maintenance agent based on the standard specimens and digital image processing technology is proposed in this paper. Standard specimens of cement mortar were produced by 0.6-1.18 mm single file aggregates. Moreover，penetration of light-shield (called LS) preventive maintenance agent both in the standard specimens and asphalt mixtures was analyzed by using Photoshop-IPP processing technology. The results show: penetration depth of standard specimens is the asphalt mixture specimen which porosity is 3%-4%. The penetration depth of 4 g (0.5 kg/m2) amount of LS preventive maintenance agent fully meets conservation standards. Meanwhile, correlation formula was established under the different dosage. Results also show that this testing method of penetration depth of preventive maintenance agent based on the standard specimens and digital image processing technology is reliable.

road engineering; preventive maintenance agent; penetration depth; digital image processing technology

“十二五”国家科技支撑计划(2014BAG05B04);交通运输部建设科技项目(2013318490010)

王 赫(1992-)，男，硕士研究生.主要从事路面结构与材料方面的研究.

马 骉，工学博士，教授.

TU502

A

1001-1625(2016)08-2568-07