瀝青混合料瀝青含量確定技術的發展

熊春龍,李偉雄,,黃志勇,聶 文,虞將苗

1. 廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司,廣東 廣州 510640 2. 華南理工大學 土木與交通學院,廣東 廣州 510640

0 引言

2017年底，全國公路總里程達到477.35萬km，高速公路通車里程為13.65萬km，未來5年，中國高速公路通車總里程將達到15萬km[1]。高速公路大部分為瀝青路面，隨著人們對路面舒適性的追求越來越高，未來新建以及大規模的改擴建公路路面結構類型的首選也都將是瀝青路面。

瀝青含量是瀝青混合料生產和施工質量控制的重要指標，關系到瀝青路面施工和易性、均勻性和路用性能，同時也是養護工程中瀝青路面舊路路用性能的重要技術表征。快速、準確地獲取混合料或路面瀝青含量信息，能夠有效分析瀝青路面混合料的生產質量，進行事前質量控制[2]。對于舊路而言，獲取路面結構材料中的瀝青含量信息，能夠有效評價舊路性能及材料衰減狀況，有利于采取合適養護措施和方案，對路面進行保質[3]。

瀝青含量確定技術是識別、區分瀝青混合料中瀝青與集料質量比例，進而確定瀝青混合料中瀝青用量的技術方法。本文重點介紹瀝青含量確定的主流技術及近年來的新技術，對各種技術的優劣性進行比較，指出未來瀝青含量確定技術的研究思路，以期進一步提高瀝青含量確定技術和路面質量控制水平。

1 瀝青含量確定技術的發展歷史

瀝青含量的確定技術發展大致可分為三類，第一類的代表方法為溶劑萃取法，其對應的最新標準為StandardMethod of Test for Quantitative Extraction of Asphalt Binder from Hot Mix Asphalt AASHTO T 164 -13[4].該方法最大的特點是需要使用化學溶劑,且有效的溶劑基本上都具有較大的環境危害性.1996年美國開始禁止氯化物溶劑的使用,測定瀝青含量的試驗方法受影響較大.為此,新型的生物分解溶劑被研發和使用,但其試驗時間長,且相對于以往使用的溶劑測量精確度不高,試驗產生的殘液陷入難以處理的窘境[5-6].

由于萃取技術的種種缺陷和環保需求,第二類瀝青含量確定技術開始被研究和推廣應用,其代表方法是燃燒爐法,對應的最新標準是Standard Method of Test for Determining the Asphalt Binder Content of Hot Mix Asphalt by the Ignition Method AASHTO T 308-10[7]和ASTM D6307-10 Standard Test Method for Asphalt Content of Hot-Mix Asphalt by Ignition Method ASTM D 6307-10[8].從20世紀90年代初期開始,美國瀝青技術國際研究中心(NCAT )就已開始嘗試采用燃燒爐法來確定瀝青混合料中瀝青的含量.E. R. Brown 教授在1995年初步確定了燃燒試驗的溫度大約在500 ℃;次年,對燃燒法確定瀝青含量技術試驗結果的穩定性進行了充分論證[9-10].中國早期多采用溶劑萃取法(抽提法)來確定瀝青混合料中瀝青的含量.1998年,遼寧省購置1臺EL 45-3790型燃燒爐,并應用于沈山高速公路瀝青路面施工質量和混合料生產質量的控制方面,效果良好.近年來,隨著中國技術水平的不斷提升,經濟實惠型國產品牌燃燒爐研制成功,在一定程度上促使了燃燒爐法在瀝青路面施工中的推廣應用[11-12].

第三類瀝青含量確定技術的代表方法是瀝青含量核子儀法,其對應的標準是Standard Method of Test for Asphalt Binder Content of Asphalt Mixtures by the Nuclear Method AASHTO T 287-06[13]和Standard Test Methods for Asphalt Content of Bituminous Mixtures by the Nuclear Method ASTM D4125 -10[14].較為知名的生產商有美國CPN公司和Troxler公司.中國1983年研制成功第一臺表面核子土基密度儀,隨后十多年時間內,陸續研制成功各型號核子瀝青含量測定儀,其中以湖南省交通科學研究院的RMT5121和RMT51131型核子瀝青含量測定儀為代表[15].近年來,由于不同核子瀝青含量測定儀復現性差,以及結果受環境影響大等技術原因,第三類方法的應用不太被認可,此外核子輻射危害論也進一步限制了該類方法的推廣.

從瀝青含量確定方法的應用歷史來看,方便、快捷、精度高的特點以及技術國產化帶來的經濟優勢,已經使得以燃燒爐法為代表的第二類瀝青含量確定技術獲得普遍推廣,成為目前學術研究、工程應用的主流方法,在部分省份甚至已經成為實驗室的標準配置方法.

2 主要方法及其優劣性比較

2.1 國內規范瀝青含量確定的主要方法

中國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中明確的3種瀝青混合料瀝青含量(油石比)的檢測方法包括射線法、離心分離法及燃燒爐法[18].

2.1.1 射線法

射線法測定瀝青混合料瀝青含量的方法,依據Standard Test Methods for Asphalt Content of Bituminous Mixtures by the Nuclear Method ASTM D4125-10,由放射源向瀝青混合料試件發射高能中子,當高能中子以某一已知速度與瀝青混合料中的氫原子發生碰撞后,高能中子的速度將發生衰減,并由中子探測裝置探測到其速度,由此得知高能中子的速度衰減程度[16-17].可以將高能中子的衰減程度稱為"射線參數".當瀝青含量不同時,高能中子與瀝青氫原子碰撞的頻率不同,瀝青含量越大,高能中子碰撞頻率越高,速度衰減越大,由此可以建立不同瀝青含量與射線參數之間的標準曲線.對實際取樣瀝青混合料進行射線參數的測量;通過標準射線參數曲線計算瀝青混合料瀝青含量.射線法測量瀝青含量較為典型的是瀝青含量核子儀,如圖1所示.

2.1.2 離心分離法

離心分離法的原理是將瀝青混合料用四氧化碳以及三氯乙烯等溶劑浸泡,待瀝青混合料中瀝青材料被充分溶解后,利用離心力將混合料中的瀝青分離出來,通過初步的離心分離,混合料中的礦料和瀝青發生分離,但得到的瀝青分離液中不可避免地含有礦粉,為了進一步精確測定瀝青含量,規范方法提出通過壓力過濾器或燃燒法測定瀝青分離液中礦粉的質量,實現精確測定混合料瀝青含量[18].圖2為瀝青混合料瀝青離心分離器.

圖1 瀝青含量核子儀

圖2 瀝青離心式分離器

2.1.3 燃燒爐法

燃燒爐法的基本原理是將熱拌瀝青混合料試樣放入高溫爐內,使瀝青混合料中的瀝青完全被燃燒,測定瀝青混合料在燃燒前后的質量差,即混合料中的瀝青含量.礦料級配可對燃燒后礦料進行篩分得出[19].圖3為燃燒爐,圖4為燃燒后的瀝青混合料.

燃燒爐分為對流式和直接輻射式.對流式燃燒爐的溫度最高可達538 ℃±5 ℃的穩定高溫.直接輻射式燃燒爐具有一般燃燒模式、低溫燃燒模式和強燒模式.一般燃含量增加而減少.將一定數量的瀝青混合料試樣加入一定體積的苯,當瀝青溶于苯后,取溶液測光電壓,與瀝青含量-光電壓標準曲線比較,確定出瀝青混合料的油石比.圖5為光電比色原理.燒模式適用于大部分瀝青混合料,低溫模式適用于質量損失較大的軟顆粒混合料,強燒模式適用于燃燒不夠充分的混合料.

圖3 燃燒爐

圖4 燃燒后的瀝青混合料

燃燒爐稱量裝置分內置和外置天平,以內置天平為主.外置天平模式在燃燒過程中無法獲知燃燒質量損失率,難以判斷燃燒到質量恒定的時間,因此需要重復多次燃燒、冷卻、稱量的過程,無法自動記錄試驗過程質量變化,完全靠人工控制并計算試驗結果.因此,對于大規模施工過程中的質量控制,宜采用內置天平模式燃燒爐.

2.2 其他瀝青含量確定方法

2.2.1 光電比色計法

依據"Lambert-Beer"定律,對不同瀝青含量、相同厚度的苯溶液用同一光源照射,將透過的光分別照射到同一光電池上,對應產生不同數值的光電壓,其值隨瀝青含量增加而減少。將一定數量的瀝青混合料試樣加入一定體積的苯，當瀝青溶于苯后，取溶液測光電壓，與瀝青含量-光電壓標準曲線比較，確定出瀝青混合料的油石比。圖5為光電比色原理。

圖5 光電比色原理

2.2.2 C C D數字圖像法

近年來,隨著計算機和圖像處理技術的飛速發展,出現了利用數字圖像處理技術確定油石比的方法.其基本原理是,根據灰度圖像中瀝青和集料灰度值分布范圍的不同,分別以瀝青的灰度值范圍和集料的灰度值范圍對灰度圖像中的瀝青和集料進行區分,并分別提取灰度圖像中瀝青的像素數目和集料的像素數目,達到識別瀝青混合料瀝青、集料比例的目的[20-21].一般情況下,高清圖像的采集需要借助高清CCD相機,因此此類方法稱為"CCD法".圖6為典型的瀝青混合料取芯剖面的CCD圖像.圖7為圖6的灰度直方圖.

圖6 典型瀝青混合料取芯剖面的CCD圖像

圖7 CCD圖像直方圖

從圖7可以看出,灰度圖像直方圖中存在明顯的2個峰,分別代表瀝青混合料中瀝青和集料的灰度值分布域.兩峰均近似服從正太分布,可用正態函數分別近似擬合2個峰的外輪廓曲線,以2條曲線交叉點灰度值作為瀝青與集料灰度值范圍的分界值,以2條曲線與橫坐標的交點灰度值分別作為瀝青和集料的灰度值范圍邊界.根據灰度分布范圍從整個瀝青混合料的斷面圖像中分別分離出瀝青和集料的像素點,從而可區分瀝青和集料,并確定混合料的瀝青含量[22-23].

2.2.3 X-r a y C T數字圖像法

基于X-ray CT數字圖像的瀝青含量確定方法是數字圖像處理技術的另一個研究方向.此法相對于CCD數字圖像法的區別在于:該方法采取無損方式獲取試件不同高度位置的斷面圖像,通過不同高度位置圖像的組合,重構瀝青混合料內部集料、瀝青及空氣的三維組合結構,并可直接求算瀝青和集料的體積比例[24-25].圖8為瀝青混合料試件一定高度斷面的CT掃描圖像.圖9為根據不同高度位置的CT掃描斷面圖像中瀝青、集料、孔隙的面積比例重構的集料的三維分布結構.

2.3瀝青含量確定方法的優劣性比較

射線法操作簡單、方便快捷,耗時短,設備價格昂貴;不能確定混合料的級配,測定結果受瀝青來源、集料類型、試件大小、級配和人為誤差等多種因素影響,不同儀器之間的重現性很差,無法獲取級配信息;中子源輻射對人體健康具有一定的危害性.

離心分離法的分離溶劑價格較貴,一般為三氯乙烯,具有毒性和揮發性,使用后難以處理且不安全;使用新型生物分解型溶劑的試驗時間較長,且比三氯乙烯類溶劑試驗的精確度低;每次試驗均需要使用溶劑,試驗成本較高;礦粉的質量損失易造成瀝青含量結果的較大誤差,額外分離需要的時間和成本較多;能夠獲得級配信息[26].

光電比色計法方便、快捷、耗時少,但試驗精度較差,且樣品的代表性不足;無法獲取級配信息;和離心分離法一樣也需要使用具有毒性的溶劑.

燃燒爐法快捷、簡單且精度較高,數據可直接自動打印,能夠得到混合料礦料級配;但設備價格貴,耗電量大,每次試驗成本較高;高溫下碎石中的有機物損失部分易被當成是瀝青質量,造成誤差.

圖8 瀝青混合料取芯斷面的CT掃描圖像

圖9 瀝青混合料中粗集料三維重構成像

數字圖像法包括CCD高清攝像法和X-ray CT斷面掃描法,具有易操作、耗時短的特點,能確定大部分集料的粒徑及其比例,但小于2.36 mm的集料識別難度較大,碎石顏色過深(接近瀝青材料顏色)時,會干擾瀝青、集料的區分[27].測定結果受試件成型的均勻性及混合料的離析程度影響較大,采集剖面位置不同時,瀝青與集料比例關系變異可能很大;因此采集斷面數量越多,測定結果越可靠.CCD法還受采集角度、外部光線的影響,試件成型過程中的軟弱碎石、針片狀碎石折斷也會導致結果的差異.X-ray CT斷面掃描法操作難度相對較大,往往需要專門培訓,輻射危害較大,設備成本和試驗成本昂貴,但X-ray CT斷面掃描法對斷面信息的采集能力更高,避免了集料切割對碎石形狀、粒徑等信息的干擾,測量精度相對較高.需要說明的是,X-ray CT采集圖像過程出現的中間暗淡周邊較亮誤差,可通過改進后的OTSU圖像識別技術進行消除[28].數字圖像技術克服了傳統檢測中耗時長、污染大、主觀性強、誤差大等缺陷,一定程度上提高了測量分析的精度和效率,能及時地對瀝青混合料的配合比作出準確的評價,用于事前指導生產,避免事后控制.基于數字圖像技術的瀝青用量確定技術是一種極具應用前景的技術,符合未來智慧公路建設的大思路[29].

對瀝青含量確定技術進行匯總,如表1所示.燃燒爐法和CCD法的應用價值最大.燃燒爐法已成為目前中國瀝青路面施工混合料質量控制的主流手段,相關標準也早已與國際接軌;但燃燒爐法仍未完全滿足實際需求,難以實現事前控制[30-31].常用瀝青拌合樓拌合一鍋料的時間通常為1 min,要求供料的瀝青拌合站與施工現場的距離不超過20 km,現場攤鋪速度一般為2 m.min-1,加上運輸、攤鋪時間,每鍋料從開始拌合到攤鋪現場的時間不會超過1.5 h,而燃燒爐法的試驗耗時為1～2 h,得到試驗結果時,取樣混合料早已攤鋪碾壓,不利于工程質量和成本的控制.如果采取現場取料方式,則混合料攤鋪至現場的時間更短,試驗結果的滯后性更加明顯.

數字圖像法為瀝青和集料的識別和區分提供了一種全新的思路,特點鮮明:數據處理速度快、處理能力強.X-ray CT斷面掃描法最明顯的特點是設備和測量成本十分昂貴,相當一段時間內仍無法直接指導大面積現場施工.CCD法高清攝像具有成本相對低、設備便攜、測定時間短、精度高和危害性小等特點,指導大面積施工具有較大優勢,但對于粒徑較小的集料難以識別,對集料級配的檢驗能力不如燃燒爐等方法.有學者利用圖像法進一步開展了混合料骨架密實程度判定的研究,是圖像法在級配識別方面的補充[32].未來可能出現智能手機高清攝像取代CCD法攝像的場景,是便攜、快速化、實時化、全過程瀝青含量確定技術的發展方向.

3 瀝青含量測定的誤差及修正

近年來,瀝青含量的確定技術發展,特別是試驗方法和設備的發展并沒有較大的突破,主流的燃燒爐法已使用近30年時間.該方法在實際使用過程中的準確性往往被高估,試驗取樣的均勻性、代表性、拌合樓計量等方面問題往往會造成結果的變異較大.

表2為廣東省粵北某在建高速公路不同取樣位置瀝青混合料燃燒篩分結果,可見出現嚴重兩極化.瀝青含量測定結果的誤差及修正研究已成為共識.瀝青含量測定的誤差主要來源于試驗誤差和級配誤差,即瀝青混合料樣品中瀝青含量與實際瀝青用量的誤差,它與混合料級配離析有關[33].

表1 瀝青含量確定方法匯總

表2 瀝青混合料燃燒篩分結果

3.1 試驗誤差

射線法和光電比色計法的誤差主要來源于標準曲線誤差.實際測量時環境條件、設備型號、操作手法、混合料的拌合方式、溫度、密實程度等均與標定時存在差異,導致測量結果代入標準曲線后得到的瀝青含量結果偏離實際[34].標準曲線的多次重復標定,是解決射線法誤差的有效方法.

離心分離法的最大誤差來源為瀝青溶解液中的礦粉殘余量.泄漏礦粉量不易檢測,雖已明確泄漏礦粉量的標定,但每次試驗泄漏礦粉量受級配、操作等影響大,濾紙、離心機旋轉速度、溶劑數量、清洗遍數、礦粉多少和粗細、離心機密封性、操作、稱量、中間環節容器置換等也會導致結果偏差.

燃燒爐法精度較高,試驗誤差主要是燃燒不充分導致損失過小及過度燃燒使部分碎石有機物損失.這些量應該被修正.

數字圖像法的誤差主要是產生于試驗設備、試驗環境、計算方法等,系統誤差和隨機誤差必然存在.識別和分類算法是產生系統誤差的重要原因,包括:瀝青與集料的灰度值假想分布函數和計算結果與實際灰度分布不一致;瀝青與集料的密度取值方式導致瀝青、集料質量比例值差異;混合料試件斷面選擇的代表性差[35].隨機誤差包括圖像噪聲干擾、外界光線干擾等.值得說明的是,試驗誤差均可以通過選擇合適的標定方法、試驗參數來盡量減少甚至完全消除.在選定試驗方法時,已經基本決定結果的可靠性和精確性,不是誤差分析和修正的重點.

3.2 級配誤差

瀝青混合料的級配離析不可避免,高溫下少量裹附在石頭表面的瀝青會跟隨粗集料遷移,但大部分瀝青因黏度較小難以跟隨粗集料遷移,而會與細集料聚集在一起,因此粗、細集料集中程度不一的混合料,其瀝青含量不同.鑒于此,測定的瀝青含量與標準瀝青用量不同時,并不能說明混合料生產過程中瀝青含量的控制一定存在問題,但很明顯這樣的測定結果也不能用來表征混合料中實際瀝青含量的多少,無法指導施工.

規范認為瀝青含量測定結果準確幾乎來自于混合料取樣的均勻性好和具有代表性,但實際上很難避免混合料在各種環節的離析.工程實際也表明,實驗室瀝青含量的測定結果變化較大,與實際瀝青用量的吻合性也較差.級配誤差修正是瀝青含量確定技術誤差修正的關鍵.陳飚等提出增大取樣數量來減少級配誤差的方法[36].增大取樣數量的方法同樣能夠適用于消除數字圖像法樣品誤差,斷面數量越多,越能減小因試件豎向離析導致的瀝青、集料比例誤差.陳啟宗從間歇式拌合樓的混合料生產穩定性方面入手,發現4.75 mm以下細骨料級配是導致混合料油石比波動的原因,提出依靠級配來控制拌合樓生產穩定性的方法[37].吳文亮等人提出依靠單個篩孔通過率和分形維數指標與瀝青含量的相關關系模型來對瀝青含量測定結果進行修正的方法[38-39].研究混合料級配與瀝青用量的關系并建立基于級配變異特征的瀝青含量修正方法,是未來修正瀝青含量測定結果誤差的發展方向.

4 結語

本文對瀝青混合料瀝青含量確定技術進行了綜合性論述,從瀝青混合料瀝青含量確定技術的發展歷史、現狀、各方法的優劣性比較、發展趨勢及誤差修正方向等方面進行了闡述;明確了瀝青含量確定技術的研究重點在于測定結果的誤差修正,這是保證測定結果準確并有效指導施工的根本保證.在瀝青含量確定試驗方面,燃燒爐法試驗時間對于混合料生產周期而言仍然較長,尚達不到施工質量事前控制的標準.未來瀝青含量確定的試驗技術需向數字化、快速化、批量化方向發展.數字圖像法在未來具有發展潛力,提高2.36 mm以下集料粒徑的識別能力是其突破方向.