冷拌冷鋪瀝青混合料路用性能研究

作者簡介：

張景宏（1984—），工程師，研究方向：公路橋梁。

為對冷拌冷鋪瀝青混合料的路用性能進行研究，文章以凍融循環試驗以及浸水車轍試驗的方式分別對兩種瀝青混合料進行研究，并通過試驗結果分析影響冷拌冷鋪瀝青混合料抗水損害性能的因素。

冷拌冷鋪瀝青混合料;抗水損害性能;凍融循環試驗;浸水車轍試驗

U416.217A240813

0 引言

相對于熱拌瀝青混合料而言，冷拌冷鋪瀝青混合料具有污染低以及修補速度較快等特點，是瀝青混合料未來較為重要的發展趨勢之一。本文選取了乳化型的CMA瀝青混合料，并對其路用性能進行研究。

1 CMA抗水損害性能

松散以及坑洞現象是乳化型CMA瀝青混合料較易發生的病害[1]，其主要原因在于乳化型CMA瀝青混合料的抗水損害性能較低，因此，本文將針對乳化型CMA瀝青混合料的抗水損害性能進行研究。一般采取模擬靜水壓力以及動水壓力的方式對其抗水損害性能進行研究：主要采取凍融劈裂試驗研究乳化型CMA瀝青混合料的靜水壓力，凍融劈裂試驗能模擬瀝青混凝土在水溫變化時內部細觀結構的凍脹行為;主要采用浸水車轍試驗研究動水壓力下瀝青混合料的抗水損害性能。

目前針對瀝青混合料的凍融劈裂試驗類型較多，不同的試驗條件所得的結構無法橫向比較，因此本文對于瀝青混合料抗水損害性能的研究只采用規范所要求的凍融循環試驗。為使試驗結果具有可對比性，本文在進行多次凍融循環以及單次凍融循環時均采取相同的試驗條件，并對比熱拌瀝青混合料。CMA瀝青混合料以及HMA（熱拌瀝青混合料）在多次凍融循環之后的凍融劈裂強度比如圖1所示。

兩種瀝青混合料隨著不斷增加的凍融循環次數，表現為劈裂強度不斷降低[2]。其中在第10次凍融循環時，CMA瀝青混合料的劈裂強度已經基本喪失，HMA瀝青混合料還殘留有41%的劈裂強度。在試驗過程中，隨著凍融循環次數的不斷上升，CMA以及HMA瀝青混合料中不斷有水滲入從而導致水壓力不斷增加，導致其內部結構出現有較多的空隙，使其劈裂強度不斷下降。但相對于HMA瀝青混合料而言，CMA瀝青混合料在養生時隨著不斷蒸發的水分，表現為不斷增加的空隙數量并且較為分散。在凍融循環試驗時，CMA瀝青混合料中不斷積聚的微裂紋導致出現應力集中的現象，從而改變其分裂強度。

在凍融循環反復進行時，CMA瀝青混合料的空隙不斷發展，導致其內部不斷積累損壞。因此要探討CMA瀝青混合料凍融劈裂強度可通過研究其空隙率實現。多次凍融循環下瀝青混合料微觀結構的變化研究過程如圖2所示。

對于CMA內部結構的變化可通過空隙率在視覺上的變化進行反映[3-4]。計算空隙率可通過分割其閾值的方式對其單張掃描圖以分別提取的方式處理空隙像素，從而得出整個試件的像素總和，即為CMA瀝青混合料的三維空隙率。所謂等效直徑即三維連通域等效成為同體積球體時的直徑，之后再將所得直徑進行平均之后即可得出其平均空隙的等效直徑。瀝青混合料的空隙參數指標可通過空隙平均等效直徑對其總體空隙的變化進行衡量，以此把控試塊總體的空隙變化，并研究凍融循環時單個空隙的細觀結構衰變程度。

隨著不斷增加的凍融循環次數，CMA瀝青混合料內部結構首先因單個裂縫的膨脹而出現破壞，然后再因分離開的兩個空隙的聚集導致其出現新空隙[5]。試驗時，通過對其三維模型中的空隙聚集及其所形成的新裂縫進行監測，并結合先前所得的空隙等效直徑，對其空隙的破壞行為進行考察。可采用edge邊緣檢測函數處理空隙的可視化，通過選取檢測算子以及方向得到圖像邊界。具體處理流程為：預處理→背景調整→邊緣檢測→閾值分割→三維整合。

首先在MATLAB軟件中導入由XrayCT掃描所得到的瀝青混合料斷層圖，并通過RGB三色通道圖將其處理成為單通道的灰度圖，拉伸圖像選定邊界的對比度，分割其閥值之后對其空隙以及瀝青混合料進行二值化處理，將所得斷面圖中的斑點去除之后提取所得圖片指定范圍內的空隙像素總數，并將其與該區域內的像素總和相除，從而得到圖像經處理后的空隙率。對比該種方式所得的空隙率與常規物理試驗所得的空隙率，從而驗證該種方式的精確性。有效性的分析結果如表1所示。

從上述試驗結果可知，物理試驗所得空隙率與程序分析所得空隙率間的偏差均<0.1，表明通過程序分析之后所得的試驗值具有較高的精確度。

2 試驗結果分析

單位深度里不同凍融次數下的空隙率分布如圖3所示。

通過圖3可知，隨著不斷增加的凍融循環次數，瀝青混合料的單位空隙率不斷偏移到圖中的上側位置，即其單位厚度空隙率不斷增加。瀝青混合料在經過4次凍融循環之后有較為微小的空隙出現，而在6次凍融循環之后這種空隙不斷減少，在凍融循環8次之后微小空隙數量更少。對于較大的空隙，隨之不斷增加的凍融循環次數表現為不斷在邊緣部分有所增加，主要是因為周圍大空隙融合了小空隙。結合像素大小對空隙進行分級，所得結果如表2所示。

從實驗結果可知，CMA的空隙率隨著不斷增加的凍融循環次數表現出逐漸遞增的趨勢。其中隨著凍融循環次數增加，中等空隙數量及其最小斷面積不斷增大，而其大空隙的彎曲度以及固相部分的分形維數則表現為不斷降低的趨勢，其空隙平均等效直徑則表現出先減小后增大的趨勢;小空隙的數量在凍融循環初期表現為數量不斷增加，但中等空隙數量則趨于穩定，空隙在10次凍融循環之后相互連接在一起，小空隙的數量有所減少，而中等空隙數量不斷增加。空隙的平均等效直徑在前期增加之后有略微減少，并且隨著凍融循環次數的增加，大孔隙深度也不斷增加。同時比起中小空隙，大空隙因融合了周圍空隙而出現的體積增加量較大。

3 浸水車轍試驗

浸水車轍試驗總共有三種方法，因無法對其試驗優劣進行對比[6]，本文對CMA瀝青混合料分別進行了三種浸水車轍試驗，并將其與HMA瀝青混合料的試驗結果進行對比，所得結果如圖4所示。鑒于篇幅所限，本文僅列出部分數據。

根據試驗結果可知，CMA瀝青混合料以及HMA瀝青混合料的位移變化在不同的浸水車轍試驗下均表現出相同的變化趨勢，即三種試驗結果下其位移量均有所增加。分析原因可知，混合料中的瀝青與礦物材料所形成的界面不斷受到應力變化以及水流的影響，使瀝青混合料內部材料的附著力有所降低，進而使瀝青薄膜加速剝落，導致其變形量有較為顯著的增加，使車轍更易出現。當浸水條件相同時，CMA瀝青混合料在溫度升高時表現為瀝青黏度有所降低，使剪切形變更易發生。CMA瀝青混合料相比于HMA瀝青混合料而言具有較小的位移量，即在動水作用下CMA瀝青混合料具有更優的性能。

4 結語

對于CMA乳化型瀝青混合料的路用性能，鑒于篇幅所限，本文僅對其抗水損害性能進行了研究，主要得出以下結論：（1）從凍融循環試驗結果可知，在凍融循環10次之后CMA瀝青混合料的劈裂強度即喪失，并且結合圖像結果可知，CMA空隙率隨著凍融循環次數的增加而有所增加，同時CMA瀝青混合料的空隙率增加幅度與設計空隙率有正相關的關系;（2）隨著溫度的升高，在同等浸水條件下，CMA瀝青混合料的粘結性有所下降，使其剪切形變更易發生;（3）比起HMA瀝青混合料，CMA瀝青混合料具有更優的抗動水損害性能。由于研究時間所限，本文僅對瀝青的抗水損害性能進行研究，未能對其改進措施進行研究。因此，對于類似實驗，可在本文的基礎上進行。

[1]謝偉偉，鄭 全，張萬磊，等.常溫拌和SBR型瀝青混合料在干線公路養護中的應用[J].交通世界，2019（29）：23-26.

[2]鄧吉升.冷補瀝青混合料路用性能評價及其影響因素分析[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[3]徐世法，黃玉穎，蔡碩果，等.冷拌冷鋪瀝青混合料技術進展[J].筑路機械與施工機械化，2018，35（2）：34-36.

[4]李思童，何志敏，蔡碩果，等.乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料室內加速模擬養生條件[J].筑路機械與施工機械化，2018，35（2）：37-42.

[5]黃 杰.冷拌冷鋪瀝青混合料的性能評價指標研究[J].四川建筑，2015，35（3）：266-267.

[6]趙志超.新型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料研究[D].北京：北京建筑大學，2015.