概述
瀝青用量是評價瀝青路面施工質(zhì)量的重要指標,適宜的瀝青用量是形成瀝青混合料力學(xué)強度及避免瀝青路面快速老化的重要條件。在瀝青路面施工質(zhì)量評價體系與科學(xué)的瀝青路面施工支付體系中瀝青用量指標占有很大比重。如何準確、快速的測定瀝青路面的瀝青用量至關(guān)重要。
《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTGE20-20011中測定瀝青含量的方法有:離心式分離法、燃燒法、射線法。離心式分離法溶劑較貴,且對人體有害,礦粉易流失,測試精度不高。射線法測定結(jié)果受環(huán)境影響很大,且標定程序較復(fù)雜。燃燒法測定瀝青混合料含量的優(yōu)點為測試精度高、較為經(jīng)濟、無溶劑污染、無輻射等,因此國內(nèi)外瀝青含量試驗普遍采用的檢測方法為燃燒法。
目前燃燒法測定瀝青含量的也存在一些問題。燃燒法顯示結(jié)果的誤差主要有溫度誤差及礦料損失誤差,因此需要標定過程。目前規(guī)范中的標定過程受瀝青混合料制拌過程中瀝青的損失等的影響,標定結(jié)果不夠準確。試驗檢測過程存在現(xiàn)場取料及燃燒取料時級配離析的影響,在瀝青混合料取樣時,若細集料偏多,則檢測瀝青含量數(shù)據(jù)會偏高,若粗集料偏多,則測定瀝青含量數(shù)據(jù)偏小。本文將通過試驗尋找更合理的燃燒法標定過程,同時分別建立關(guān)鍵篩孔和分形維數(shù)與試驗結(jié)果的相關(guān)關(guān)系,從而進行考慮離析情況下燃燒法測定瀝青含量的研究。
燃燒爐法標定方法研究
燃燒爐法測瀝青含量的原理:通過在燃燒爐的高溫環(huán)境(538℃)下瀝青混合料中的瀝青燃燒,直至連續(xù)3min試樣質(zhì)量每分鐘損失率小于0.01%,燃燒爐自動停止,燃燒爐自帶的稱量系統(tǒng)將測得燃燒過程質(zhì)量的損失,從而計算瀝青含量。燃燒法顯示的質(zhì)量損失除了燃燒掉的瀝青外,還包括:①燃燒后538℃的高溫下測得的物體質(zhì)量的損失,這是因為同一物體在溫度變化時測得重量是不同的;②在高溫環(huán)境下集料含有的有機物燃燒掉引起的質(zhì)量損失。其中由于高溫下測得的物體質(zhì)量損失燃燒爐可以通過溫度及稱量系統(tǒng)測得,顯示溫度補償。故標定過程為測礦物燃燒損失。
2003年毛菊良等研究了燃燒法測瀝青含量標定過程,建立了顯示油石比與真實油石比的線性相關(guān)關(guān)系,從而降低了攪拌過程瀝青損失。本文將研究兩種新的燃燒法標定方法:①僅燃燒礦料;②在底盤上拌合瀝青與礦料,再分裝到試樣籃。這2種方法直接避免了攪拌過程中瀝青的損失。
燃燒法選用的試驗設(shè)備及材料
試驗設(shè)備包括:燃燒爐(NCATAsphaltContentTester)、試樣籃、刮刀等。本次研究采用AC-16瀝青混合料作為研究對象,集料選用的是玄武巖,填料礦粉為石灰?guī)r。瀝青采用SBS(I-D)(PG76-22)改性瀝青。經(jīng)檢驗所用材料均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004中的要求。油石比為4.9。
僅燃燒礦料。稱取篩分好的礦料2000g置于試樣籃中,將其直接放到燃燒爐中燃燒。
加入瀝青并在底盤攪拌。在盛有熱礦料的底盤上直接倒油石比為4.9%的熱瀝青,并迅速用鏟刀做適當攪拌,然后分剩到試樣籃里,最后連同鏟刀與底盤一起放到燃燒爐中燃燒,這樣整個過程就沒有瀝青損失。
由于在室溫下攪拌,攪拌效果一般,但也相對均勻。其中:q=[c-t(a+b)]/a,即除去高溫環(huán)境下引起的質(zhì)量損失。
在試驗中觀察,僅燃燒礦料的試驗中燃燒爐的溫度始終保持在538℃。而加入瀝青并攪拌的燃燒試驗中,由于瀝青的燃燒會造成燃燒爐內(nèi)溫度的升高,將使礦料中有機物更充分的燃燒。所以推薦使用加入瀝青并在底盤攪拌的方法來標定燃燒法測瀝青含量。最后,選定此種混合料的礦料損失誤差修正值為0.22%。
燃燒法測瀝青含量試驗
拌合10kg的上述級配及油石比的瀝青混合料,拌合試樣前,先用高于目標油石比0.5%的油石比拌制一份混合料以達到洗鍋的目的。拌合好后每次稱取2000g左右試樣進行燃燒試驗,同時將剩余混合料置于150℃烘箱內(nèi)保溫。在取樣進行燃燒試驗時,部分燃燒試驗刻意多取粗集料,部分燃燒試驗刻意多取細集料,已達到模擬級配離析的效果。
這就是標定的過程,其中P*就是級配離析引起的油石比誤差。將燃燒后的礦料再經(jīng)水洗和篩分,得到燃燒后的礦料級配。
建立油石比偏差與關(guān)鍵篩孔之間的相關(guān)關(guān)系
用最小二乘法分別建立4.75、2.36、1.18mm共3個篩孔的通過率與油石比偏差之間的相關(guān)關(guān)系。
①油石比偏差—4.75mm篩孔通過率回歸方程:y=0.05154x-3.1061(r2=0.89804);②油石比偏差—2.36mm篩孔通過率回歸方程:y=0.08209x-3.9229(r2=0.97934);③油石比偏差—1.18mm篩孔通過率回歸方程:y=0.1261x-4.2662(r2=0.97537)。從3個回歸方程的相關(guān)系數(shù)來看,油石比偏差與2.36mm篩孔通過率的相關(guān)系數(shù)最大,4.75、2.36。因此宜選擇2.36mm篩孔作為關(guān)鍵篩孔來考慮級配離析引起的油石比偏差。
建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系
分形理論是定量描述幾何形體復(fù)雜程度及空間填充能力的一門新興邊緣科學(xué)。對于材料學(xué)中常出現(xiàn)的粗糙不光滑、凸凹不圓潤、破碎不連續(xù)的無序系統(tǒng)等傳統(tǒng)歐式幾何無法準確描述的現(xiàn)象或本質(zhì),具有極大的優(yōu)越性。它的兩個基本特性是自相似性和分形維數(shù),分形維數(shù)簡稱為分維,其變化是連續(xù)的,它定量描述了分形結(jié)構(gòu)自相似程度、不規(guī)則程度或破碎程度。
集料分形維數(shù)的計算
集料生產(chǎn)過程中巖石破碎的物理過程十分復(fù)雜,呈現(xiàn)一定的隨機性和不規(guī)則性,但其尺度具有不變性。不論是大的巖石破碎成小的巖石,還是小的巖石破碎成更小的巖石,其動力學(xué)機制是一樣的,顆粒粒徑的分布是分形的,可用分形維數(shù)度量。
分形維數(shù)D的計算方法為:在lg(r/rmax)和lg(P(r))的雙對數(shù)坐標圖上,利用最小二乘法對級配曲線進行最佳曲線擬合,求得斜率λ,再利用3-D=λ,求得瀝青混合料集料粒徑分布的分形維數(shù)維D。
建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系
用最小二乘法建立油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)及擬合曲線可以看出:油石比偏差與分形維數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系也比較好。
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