不同拌和方法的沥青混合料路用性能对比

吕若琳，张海涛

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

中国部分公路在使用后易出现车辙、松散、掉粒等各种病害，这种早期破坏是困扰公路建设者的一大难题。沥青混合料的路用性能受集料性质、沥青种类、拌和方法等因素影响[1]。改善沥青混合料的性能可以通过添加沥青改性剂来提高强度，也可以优化沥青混合料拌和方法。在道路建设中的沥青路面大多采用传统的热拌沥青混合料，粗细集料一同搅拌，由于搅拌不均匀，沥青不能很好地包裹在集料表面，产生花白料的情况，导致沥青混合料离析现象，加速了沥青路面的损害情况。在沥青混合料拌和时，拌和温度较高会使沥青老化速度加快，从而影响沥青路面的路用性能，此外持续的高温会产生大量的有害气体，严重危害到施工人员的身体健康[2]。因此，改善沥青混合料拌和方法的研究具有巨大的环保、经济效益。

针对沥青混合料拌和方法的改善，翁士晓等[3]采用延长拌和时间和提高拌和温度可以有效降低花白料现象，但此举也加大拌和过程中沥青烟的形成。郝玉飞[4]对AC型沥青混合料选用梯次拌和工艺提高沥青混合料的质量，降低沥青用量，减少约30%的拌和时间。雷勇等[5]通过改变拌和次序将新粗集料先与沥青拌和，然后依次投放掺加剂、矿粉、新细集料拌和，在其拌和次序下沥青的转移和新、旧沥青的融合程度有所提高，其结构骨架更为稳定。Kok等[6]对AC型沥青混合料的粗集料表面预涂沥青处理，在集料与沥青之间形成黏结层，可以提高沥青混合料路用性能。Kiselev等[7]则通过改变多孔沥青混合料的拌和方式，先在粗骨料上添加20%的改性沥青，再添加剩余的沥青与细骨料、填料混合，可以提高多孔沥青混合料的力学性能，对多孔沥青混合料吸声和排水的效果有所改善。

目前研究仅对单一级配的沥青混合料进行了试验研究，由于沥青混合料的种类很多，因此对不同类型混合料的最佳掺配比有待进一步研究。现选用四种级配，采用两阶段拌和技术，先利用理论计算明确了理论上最佳沥青掺配比，在对试件进行力学性能试验得出试验上最佳掺配比，通过数字图像处理技术获取沥青混合料试件细观结构，对比常规拌和方法，将两阶段拌和的沥青混合料细观结构和力学性能相结合，对其进行分析。研究结果表明两阶段拌和技术提高集料与沥青之间的黏结性能，改善施工的和易性，对两阶段拌和的沥青混合料具有一定的理论与实用价值。

1 试验材料与设计

1.1 沥青

试验采用SBS改性90#沥青，其技术指标如表1所示。

表1 SBS改性90#沥青技术指标

1.2 集料

试验所用的粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，填料为石灰岩矿粉。集料的技术指标如表2所示。

表2 集料的技术指标

1.3 纤维

PAC-13纤维掺量为0.1%，纤维技术指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维技术指标

1.4 沥青混合料配合比设计

试验采用AC-13、AC-20、SUP-16、PAC-13 4种集料级配，集料级配如图1所示。按照马歇尔方法进行配合比设计，确定4种沥青混合料的沥青最佳用量：AC-13为4.5%，AC-20为4.2%，SUP-16为4.3%，PAC-13为4.4%。

图1 集料级配曲线

2 两阶段拌和的最佳掺配比确定

2.1 理论方法

采用两阶段拌和技术，根据不同沥青混合料的沥青表面最佳薄膜厚度来确定最佳掺配比。当沥青混合料在最佳油石比的范围内，可以真实地反映沥青混合料的集料表面沥青膜厚度。沥青有效薄膜厚度的计算公式为

(1)

式(1)中：DA为沥青膜有效厚度，μm；Pbe为沥青混合料中的有效沥青用量，%；Pb为沥青含量，%；γb为沥青的相对密度，25 ℃/25 ℃；SA为集料的比表面积，m2/kg；Pi为集料通过率；FAi为集料表面积系数。

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[8]规定的AC沥青混合料沥青有效薄膜厚度约为7 μm，SUP沥青混合料沥青有效薄膜厚度约为11 μm，PAC沥青混合料沥青有效薄膜厚度约为14 μm[9-11]。因此，通过式(1)理论计算得到两阶段拌和的最佳掺配比结果如表4所示。

表4 沥青混合料两阶段拌和的最佳沥青掺配比

2.2 试验方法

粗集料与最佳沥青用量的部分沥青先拌和，细集料与剩余沥青拌和，制作AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16沥青混合料马歇尔试件，尺寸为101.6 mm×63.5 mm，AC-13、AC-20双面各击实75次，PAC-13双面各击实50次，SUP-16采用旋转压实150次，进行力学性能试验，试验结果如图2所示。通过力学性能分析得到两阶段拌和的最佳掺配比(表4)。

图2(a)、图2(c)中A、B、C、D、E、F组分别为两阶段拌和的15%、20%、25%、30%、35%沥青用量掺配比与常规拌和沥青用量OAC；图2(b)、图2(d)中A、B、C、D组分别为两阶段拌和的30%、40%、50%沥青用量掺配比与常规拌和沥青用量OAC

3 不同拌和方法的力学性能对比分析

按照配合比设计，采用常规和两阶段拌和方法制作AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16试件，拌和温度为160～175 ℃，压实温度为140～150 ℃。马歇尔试件尺寸为101.6 mm×63.5 mm，将试件在空气中放置24 h，然后在25、60 ℃恒温水浴中保温30～40 min，进行马歇尔试验。车辙试件尺寸为长100 mm×宽100 mm×高50 mm，在常温下放置12 h，然后在恒温60 ℃下保温5 h，碾压速度为21次往返/min，测定动稳定度，评价试件的高温性能。利用马歇尔试件测定常温和-10 ℃劈裂强度(试验加载速率为50 mm/min)，评价沥青混合料的低温性能。通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验测定冻融劈裂残留强度比和浸水马歇尔残留稳定度，评价试件的水稳定性。试验结果如图3所示。

从图3(a)中可以看出，采用两阶段拌和的沥青混合料残留稳定度、残留强度比最大。常规和两阶段拌和方法相比，4种级配混合料的残留稳定度值均有所提升，残留强度比略有增强。AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的残留稳定度分别提升了1.4%、2.1%、1.6%、5.61‰，这表明两阶段拌和可以提高沥青混合料的水稳定性。特别是AC-20大粒径沥青混合料的残留稳定度改善较为明显，PAC-13的残留稳定度提升效果较高，这说明两阶段拌和对提升大粒径和大空隙沥青混合料水稳定性具有较好的效果。AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的残留强度比分别提升了2.3‰、3.1‰、5.2‰、2.1‰，其中PAC-13、AC-20提升的幅度最大。这进一步说明两阶段拌和技术在提升沥青混合料水稳定性方面具有较好的效果。

从图3(b)可以看出，SUP-16在常规与两阶段拌和下的动稳定度均为最大，两阶段拌和下的四种级配混合料的动稳定度均为最好，这表明两阶段拌和能够有效提升混合料的动稳定度。两阶段和常规拌和相比，AC-13、AC-20、PAC-13、SUP-16的动稳定度分别提升了15.11%、15.5%、15%、9.5%，这表明两阶段拌和技术的应用可以使沥青混合料的高温稳定性得到增强。

4 两阶段拌和的细观结构特征分析

研究采用最大类间方差值法对全局阈值进行图像分割[12]，阈值分割原理可表示为

(2)

式(2)中：G(x,y)为阈值运算后的图像；F(x,y)为分割前的图像；T为阈值；U为图像总平均灰度；W0为前景图案中有效点数占整体图像有效点数比例；U0为平均灰度；W1为背景图案中有效点数占整体图像有效点数的比例；U1为平均灰度。

当值G=W0(U0-U)+W1(U1-U)为最大时，就是最佳分割图像的最佳阈值。

以 PAC-13试件断面为例进行分析，试件断面图像经MATLAB灰度处理，得到不同拌和方法的PAC-13试件断面细观结构(图4)。通过细观识别断面图可以看出，白色为沥青分布情况、黑色为空隙分布情况、灰色为集料，常规拌和方法的沥青分布不均匀，常出现一侧呈团状分布、另一侧则沥青稀缺，沥青不能将集料较完整的包裹在一起，而两阶段拌和沥青分布较均匀，无聚团稀松情况，沥青可以很好地将石料包裹形成均匀状态的沥青薄膜，两阶段拌和由于集料表面沥青膜分布均匀，沥青、沥青膜与集料表面形成三层体系，减少应力集中，故在力学性能上两阶段拌和的沥青混合料优于常规拌和的。通过孔隙面积计算断面图可以看出，常规拌和方法的空隙分布较为密集连成大片空隙，空隙面积增大，而两阶段拌和的空隙分布较为分散，根据空隙分布情况来看，路面的排水性能两阶段拌和要比常规拌和方法好。

图4 Image Pro Plus处理后的沥青混合料试件断面图

因此，通过Image Pro Plus软件进行统计分析，得到细观结构特征参数如表5所示，可以看出，在不同拌和方法下，两阶段拌和技术的空隙率略大于常规拌和，空隙率的增大可以使单个空隙面积、空隙面积大于10 mm2空隙所占百分率增大，这使得集料间隙变大，使得排水功能增强，与此同时在断面平均沥青膜厚度上常规拌和造成沥青膜过厚(图5)。

表5 试件断面细观结构特征参数获取结果

图5 细观空隙和沥青膜厚度统计结果

由图5可进一步看出，两阶段拌和的空隙长度及其对应空隙面积增大，这进一步说明了两阶段拌和的试件中有效空隙和有效空隙面积的增加。通过图5对比，常规拌和的集料表面沥青膜厚度不均匀，而两阶段拌和的沥青膜厚度分布均匀，这说明两阶段拌和可以使沥青与集料间黏附性变得更好，可以使沥青在集料间发挥有效作用。

5 结论

(1)研究结果表明，两阶段拌和的沥青混合料的力学性能均满足基本路用性能的要求，为新型拌和技术的研究提供前提条件；通过结合试件细观结构对沥青混合料路用性能的研究，更加充分地阐述了两阶段拌和对沥青混合料细观结构的影响。

(2)采用Image Pro Plus和MATLAB获取试件断面细观图像，进而采用统计软件对试件细观特征参数进行统计，获取了面积大于10 mm2的空隙个数、断面平均空隙个数、空隙总面积、断面沥青膜厚度平均值等细观结构参数，是研究试件细观结构特性的有效手段。

(3)两阶段拌和的AC-20和PAC-13的力学性能指标提升明显，水稳性和耐高温性有明显提高。这是由于AC、PAC结构类型的沥青混合料属于大粒径、大空隙型结构，沥青在集料表面裹覆均匀后，粗集料间的嵌挤作用增强，对于PAC结构类型的沥青混合料而言，两阶段拌和的空隙总面积多于常规拌和，对路面排水能力有一定的提高。研究成果对两阶段拌和的沥青混合料应用研究具有一定的参考价值。