礦料級配對瀝青含量檢測結果的影響

吳文亮，黃士桐，趙 超，陳立坤，郭超海

0 引言

在中國的瀝青路面施工質量控制體系中，瀝青含量對路面的使用性能有重要影響，將瀝青含量控制在最佳范圍內是減少路面早期病害、提高路面服務能力及耐久性的前提［1-2］。

同一瀝青混合料瀝青含量的檢測結果受取樣情況的影響，若所取試樣中細集料偏多，則試驗測得的瀝青含量會偏高;若所取試樣中粗集料偏多，則試驗測得的瀝青含量偏低［3-5］。這是由于大顆徑礦料比表面積小，能裹覆的瀝青少;小顆粒比表面積大，能裹覆的瀝青多。目前國內對檢測瀝青含量時瀝青混合料的取樣有較嚴格要求，需對所取的瀝青混合料采用四分法分料，要求取樣相對均勻［6-7］。然而，取樣離析是不可避免的，規范允許的礦料級配偏差較大，因此瀝青含量檢測結果不能真實地反應實際情況。

本文通過在室內模擬級配離析取樣的燃燒試驗，建立同一瀝青混合料的瀝青含量與礦料級配的相關關系，從而提出檢測瀝青混合料實際瀝青含量的方法。

1 燃燒爐法檢測瀝青含量

1.1 標定試驗

燃燒爐法是目前檢測瀝青含量的普遍方法，具有操作簡單、試驗時間短、精確度高、無污染等優點［8-10］，且燃燒后剩余的礦料經水洗篩分可以用來評價瀝青混合料的級配。燃燒爐測瀝青含量除顯示瀝青燃燒損失外，還包括以下兩類非瀝青質量損失:試樣籃因高溫引起的質量損失、礦料的質量損失。其中，礦料的質量損失包括礦料因高溫引起的質量損失以及礦料的燒失質量［11］。

首先，通過試驗確定試樣籃因高溫引起的質量損失，具體做法為:在空的試樣籃中加入一定量的瀝青，將試樣籃放入已預熱的燃燒爐中燃燒，直至試驗停止。經2次試驗發現，試樣籃的質量損失較為穩定，均為1.3 g。因此下面僅需考慮礦料的質量損失。

本文以AC-20瀝青混合料為研究對象，礦料選用輝綠巖，油石比為4.5%，礦料級配如表1所示。

表1 AC-20瀝青混合料礦料級配

試驗采用改進的燃燒爐標定法，按油石比4.5%在盛有熱礦料的底盤上直接倒熱瀝青，并迅速用鏟刀攪拌，然后分盛到試樣籃里，最后連同鏟刀與底盤一起放到燃燒爐中燃燒。根據表1中的級配配制4份礦料，并分別用改進標定法進行燃燒試驗，結果如表2所示。

表2 改進標定法試驗結果

由表2可知，AC-20瀝青混合料燃燒過程中礦料的質量損失率為0.21%。

1.2 燃燒前后礦料級配的變化

瀝青混合料中的礦料在高溫下會有一定的質量損失，質量較差的礦物甚至可能出現崩解破碎的現象，加上水洗篩分過程也存在一定的人為誤差，將使瀝青混合料礦料級配在燃燒后發生變化。因此，為了研究瀝青混合料礦料級配與油石比的關系，有必要研究瀝青混合料燃燒后的礦料級配變化。

將標定試驗的剩余礦料分別進行水洗篩分，計算燃燒后礦料各篩孔通過率，篩分時為減少計算誤差，均采用累加的方法記錄篩分結果，然后根據配料時的初始級配計算燃燒前后礦料級配的變化，燃燒前后各篩孔通過率的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，燃燒前后礦料級配變化較小，且呈現一定的規律。

圖1 燃燒前后礦料級配的變化

(1)礦料級配中通過率變化較大的篩孔為9.5、13.2、16 mm，這可能是由于粗大集料在燃燒過程中存在一定程度的崩解破碎而變小。

(2)2.36、4.75 mm 篩孔的通過率變化較小，均在0.2%范圍以內，這是由于粗大集料崩解后的顆粒又落在了 2.36、4.75 mm 篩上。

(3)從9.5 mm篩孔開始向下篩孔的大小逐一縮小1倍，各篩孔之間顆粒的大小偏差將更大，燃燒前后顆粒掉到下一篩孔的可能性變小。

因此，用燃燒法測瀝青含量時對剩余的礦料做水洗篩分能較好地反映所取混合料的級配情況，在后面的研究中可以考慮用燃燒后的礦料篩分結果，尤其是2.36、4.75 mm 篩孔通過率，來考慮級配離析對瀝青含量的影響。

2 瀝青含量與礦料級配的關系

2.1 以礦料級配估算油石比

對于同一瀝青混合料，計算不同礦料級配的比表面積，就可以根據瀝青膜厚度估算不同礦料級配的油石比［12-14］。瀝青比表面積的計算采用《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中的AI法，集料的表面積系數見表3。

表3 集料的表面積系數

高速公路礦料級配的各篩孔通過率的允許偏差如表4 所示［14］。

表4 各篩孔通過率的允許偏差

根據表3中的集料表面積系數分別計算AC-20瀝青混合料標準級配、最大正偏差級配、最大負偏差級配的比表面積。用式(1)、(2)估算規范允許范圍內的最大正偏差及最大負偏差級配的油石比，計算結果如表5所示。

集料的比表面積

瀝青膜有效厚度

式中:Pi為礦料各篩孔(i)通過率;FAi為相對于各篩孔的集料表面積系數;Pbe為有效瀝青含量;γb為瀝青的相對密度。

表5 估算允許偏差范圍內級配的油石比

從表5可知，用比表面積來估算，則AC-20瀝青混合料在允許級配偏差范圍內油石比的變化范圍為3.13% ～5.90%。通過比表面積估算的油石比受礦料級配的影響很大，當然在實際取瀝青混合料進行試驗時，不太可能出現規范允許級配偏差范圍內的這種極端情況，下面將通過模擬級配離析取樣試驗研究瀝青含量與礦料級配的關系。

2.2 室內模擬級配離析試驗

采用室內模擬級配離析取樣的方法檢測同一瀝青混合料的油石比，基本思路為:在實驗室以目標級配與目標油石比拌合瀝青混合料;然后模擬級配離析取一定質量的瀝青混合料進行燃燒試驗，即部分試樣多取粗集料，部分試樣多取細集料;同時對燃燒后的礦料水洗篩分，計算所取試樣的級配。通過模擬級配離析取樣的燃燒試驗研究同一瀝青混合料油石比與礦料級配的關系。

用拌合鍋拌制AC-20瀝青混合料13 kg。為減少拌合過程中拌合鍋粘料的影響，在拌制目標油石比瀝青混合料前，先用該拌合鍋拌制高于目標油石比0.3%左右的瀝青混合料來洗鍋，以保證所拌制的目標瀝青混合料油石比的準確性。通過模擬級配離析取樣分別進行燃燒試驗，每次取樣2 kg左右，共取6次。瀝青混合料燃燒試驗結果如表6所示。

表6 AC-20C模擬級配離析燃燒試驗的油石比結果

將各次取樣燃燒后剩余的礦料水洗篩分，得到每次取樣瀝青混合料的礦料級配結果，見表7。

在AC-20瀝青混合料模擬級配離析燃燒試驗中，試驗序號為3、4、5礦料水洗篩分后的各篩孔通過率均在規范允許范圍內，相應的油石比變化范圍為4.35% ～4.77%，極差為0.42%。對于同一瀝青混合料，其油石比的檢測結果與取樣有很大關系，由于目前規范允許的級配偏差范圍較大，造成油石比的變化范圍也較大。因此，在檢測瀝青混合料瀝青含量時考慮級配離析的影響是十分必要的。

2.3 建立瀝青含量與礦料級配的關系

根據模擬級配離析取樣檢測瀝青含量的試驗結果，尋找表征級配離析程度的指標，建立其與油石比的相關關系。將瀝青混合料模擬級配離析燃燒試驗的2.36、4.75 mm篩孔通過率及油石比分別建立在同一坐標系中，如圖2所示。

從圖2中可以看出，瀝青混合料的油石比變化趨勢與2.36 mm及4.75 mm篩孔通過率的變化趨勢非常相似。因此可以考慮建立關鍵篩孔通過率與油石比的關系。

表7 AC-20模擬級配離析燃燒試驗的礦料級配結果 %

圖2 AC-20瀝青混合料篩孔通過率以及油石比的變化

2.3.1 關鍵篩孔通過率與油石比的關系

應用最小二乘法分別建立AC-20瀝青混合料9.5、4.75、2.36、1.18 mm 篩孔通過率與油石比的關系，如圖3所示。

圖3 AC-20瀝青混合料篩孔通過率與油石比的關系

(1)9.5 mm篩孔通過率(x)與油石比(y)的線性擬合公式為

式中:R2為相關系數，相關系數越大表示兩者之間的線性相關性越好。

(2)4.75 mm篩孔通過率(x)與油石比(y)的線性擬合公式為

(3)2.36 mm篩孔通過率(x)與油石比(y)的線性擬合公式為

(4)1.18 mm篩孔通過率(x)與油石比(y)的線性擬合公式為

從圖3中可以看出，瀝青混合料的油石比與2.36、4.75 mm篩孔的通過率均具有良好的線性相關關系，相關系數均超過0.9。這是由于4.75、2.36 mm篩孔通過率能較好地反映所取混合料的離析程度，而且2.36、4.75 mm 篩孔通過率在燃燒前后的變化較小。

2.3.2 兩個篩孔通過率與油石比的關系

為更好地研究級配離析的影響，考慮用一個多項式來表示級配離析，最直接的一個指標應該是礦料的比表面積，但比表面積難以確定，尤其是細集料對比表面積的影響非常大，不能準確計算，因此擬通過2個篩孔(13.2 mm篩孔與4.75 mm篩孔或2.36 mm篩孔的組合)通過率來考慮級配離析的影響。下面采用Origin數據處理軟件對實驗室模擬級配離析試驗結果進行擬合。

AC-20C瀝青混合料13.2、4.75 mm篩孔組合的擬合公式為z=0.003 58x+0.070 43y+1.838 74 R2=0.985 5(7)式中:x代表13.2 mm篩孔通過率;y代表2.36 mm篩孔通過率;z代表油石比;R2為調整后的相關系數。

AC-20C瀝青混合料13.2 mm與2.36 mm篩孔組合的擬合公式為式中:x代表4.75 mm篩孔通過率;y代表2.36 mm篩孔通過率;z代表油石比;R2為調整后的相關系數。

將AC-20瀝青混合料各個試樣的相應篩孔通過率分別代入式(7)和式(8)，計算每個試樣的預測油石比，結果見表8;同時建立預測油石比與實測油石比的關系，如圖4所示。從圖4中可知，瀝青混合料的油石比與2.36 mm和13.2 mm篩孔組合、4.75 mm和13.2 mm篩孔組合的通過率都具有良好的線性相關關系。

表8 AC-20C瀝青混合料預測油石比

2.3.3 通過目標級配計算油石比

圖4 AC-20瀝青混合料實測油石比與預測油石比的關系

用擬合出來的關鍵篩孔4.75、2.36 mm通過率與油石比關系的擬合公式來驗證目標級配與目標油石比是否準確，即用目標級配的 4.75、2.36、13.2 mm篩孔通過率代入相對應的擬合曲線公式中，得到計算油石比;比較目標油石比與計算油石比的偏差，結果見表9。

由表9可知，通過目標級配篩孔通過率反算得到的計算油石比與目標油石比的偏差較小，最大偏差僅為0.06%。因此，可以考慮通過4.75 mm篩孔、2.36 mm 篩孔、13.2 mm 與 4.75 mm 篩孔組合、13.2 mm與2.36 mm篩孔組合的通過率來考慮級配離析對瀝青混合料油石比的影響。

表9 計算油石比結果

3 檢測瀝青混合料的實際瀝青含量

(1)檢測該批次瀝青混合料的生產級配。取生產某批次瀝青混合料的各熱料倉礦料，并將各檔礦料分別水洗篩分，根據篩分結果計算該批次瀝青混合料實際的礦料級配，用這個礦料級配作為計算瀝青含量的基本依據。

(2)建立關鍵篩孔通過率與油石比的線性相關關系。取對應生產批次的瀝青混合料進行燃燒試驗，需要模擬級配離析取樣，且至少進行6次燃燒試驗;對燃燒剩余的礦料水洗篩分，得到每次所取瀝青混合料的級配;最后建立關鍵篩孔通過率與油石比的線性相關關系。

(3)計算該批次瀝青混合料的瀝青含量。把式(2)中的關鍵篩孔通過率代入式(1)，計算瀝青混合料的實際油石比。

該方法不僅能夠用于檢測瀝青混合料的瀝青含量，還可以在已知瀝青含量的情況下檢測該批次瀝青混合料關鍵篩孔的通過率。

4 結語

(1)用燃燒爐法檢測瀝青含量，燃燒前后瀝青混合料的礦料級配變化較小，剩余礦料的水洗篩分結果可以用來評價瀝青混合料的級配。

(2)對于同一瀝青混合料，在規范允許的偏差范圍內油石比的變化較大，因而檢測瀝青混合料瀝青含量時考慮級配離析的影響是有必要的。

(3)通過室內模擬級配離析取樣的燃燒試驗發現，瀝青混合料的油石比與2.36、4.75 mm篩孔以及2.36 mm 與13.2 mm 組合篩孔、4.75 mm 與 13.2 mm組合篩孔的通過率都具有良好的線性相關關系，且通過目標級配計算的油石比與目標油石比接近。

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