考虑级配离析情况下燃烧炉法测定沥青含量的研究

概述

沥青用量是评价沥青路面施工质量的重要指标，适宜的沥青用量是形成沥青混合料力学强度及避免沥青路面快速老化的重要条件。在沥青路面施工质量评价体系与科学的沥青路面施工支付体系中沥青用量指标占有很大比重。如何准确、快速的测定沥青路面的沥青用量至关重要。

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20－20011中测定沥青含量的方法有:离心式分离法、燃烧法、射线法。离心式分离法溶剂较贵，且对人体有害，矿粉易流失，测试精度不高。射线法测定结果受环境影响很大，且标定程序较复杂。燃烧法测定沥青混合料含量的优点为测试精度高、较为经济、无溶剂污染、无辐射等，因此国内外沥青含量试验普遍采用的检测方法为燃烧法。

燃烧炉法标定方法研究

燃烧炉法测沥青含量的原理:通过在燃烧炉的高温环境(538℃)下沥青混合料中的沥青燃烧，直至连续3min试样质量每分钟损失率小于0.01%，燃烧炉自动停止，燃烧炉自带的称量系统将测得燃烧过程质量的损失，从而计算沥青含量。燃烧法显示的质量损失除了燃烧掉的沥青外，还包括:①燃烧后538℃的高温下测得的物体质量的损失，这是因为同一物体在温度变化时测得重量是不同的;②在高温环境下集料含有的有机物燃烧掉引起的质量损失。其中由于高温下测得的物体质量损失燃烧炉可以通过温度及称量系统测得，显示温度补偿。故标定过程为测矿物燃烧损失。

燃烧法选用的试验设备及材料

试验设备包括:燃烧炉(NCATAsphaltContentTester)、试样篮、刮刀等。

本次研究采用AC－16沥青混合料作为研究对象，集料选用的是玄武岩，填料矿粉为石灰岩。沥青采用SBS(I－D)(PG76－22)改性沥青。经检验所用材料均符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40－2004中的要求。油石比为4.9。

种标定方法的对比

仅燃烧矿料

称取筛分好的矿料2000g置于试样篮中，将其直接放到燃烧炉中燃烧。

加入沥青并在底盘搅拌

在盛有热矿料的底盘上直接倒油石比为4.9%的热沥青，并迅速用铲刀做适当搅拌，然后分剩到试样篮里，最后连同铲刀与底盘一起放到燃烧炉中燃烧，这样整个过程就没有沥青损失。

由于在室温下搅拌，搅拌效果一般，但也相对均匀。其中:q=[c－t(a+b)]/a，即除去高温环境下引起的质量损失。

在试验中观察，仅燃烧矿料的试验中燃烧炉的温度始终保持在538℃。而加入沥青并搅拌的燃烧试验中，由于沥青的燃烧会造成燃烧炉内温度的升高，将使矿料中有机物更充分的燃烧。所以推荐使用加入沥青并在底盘搅拌的方法来标定燃烧法测沥青含量。最后，选定此种混合料的矿料损失误差修正值为0.22%。

燃烧法测沥青含量试验

拌合10kg的上述级配及油石比的沥青混合料，拌合试样前，先用高于目标油石比0.5%的油石比拌制一份混合料以达到洗锅的目的。拌合好后每次称取2000g左右试样进行燃烧试验，同时将剩余混合料置于150℃烘箱内保温。在取样进行燃烧试验时，部分燃烧试验刻意多取粗集料，部分燃烧试验刻意多取细集料，已达到模拟级配离析的效果。

这就是标定的过程，其中P*就是级配离析引起的油石比误差。将燃烧后的矿料再经水洗和筛分，得到燃烧后的矿料级配。

建立油石比偏差与关键筛孔之间的相关关系

用最小二乘法分别建立4.75、2.36、1.18mm共3个筛孔的通过率与油石比偏差之间的相关关系。

①油石比偏差—4.75mm筛孔通过率回归方程:y=0.05154x－3.1061(r2=0.89804);②油石比偏差—2.36mm筛孔通过率回归方程:y=0.08209x－3.9229(r2=0.97934);③油石比偏差—1.18mm筛孔通过率回归方程:y=0.1261x－4.2662(r2=0.97537)。从3个回归方程的相关系数来看，油石比偏差与2.36mm筛孔通过率的相关系数最大，4.75、2.36。因此宜选择2.36mm筛孔作为关键筛孔来考虑级配离析引起的油石比偏差。

建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系

分形理论是定量描述几何形体复杂程度及空间填充能力的一门新兴边缘科学。对于材料学中常出现的粗糙不光滑、凸凹不圆润、破碎不连续的无序系统等传统欧式几何无法准确描述的现象或本质，具有极大的优越性。它的两个基本特性是自相似性和分形维数，分形维数简称为分维，其变化是连续的，它定量描述了分形结构自相似程度、不规则程度或破碎程度。

集料分形维数的计算

集料生产过程中岩石破碎的物理过程十分复杂，呈现一定的随机性和不规则性，但其尺度具有不变性。不论是大的岩石破碎成小的岩石，还是小的岩石破碎成更小的岩石，其动力学机制是一样的，颗粒粒径的分布是分形的，可用分形维数度量。

分形维数D的计算方法为:在lg(r/rmax)和lg(P(r))的双对数坐标图上，利用最小二乘法对级配曲线进行最佳曲线拟合，求得斜率λ，再利用3－D=λ，求得沥青混合料集料粒径分布的分形维数维D。

建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系

用最小二乘法建立油石比偏差与分形维数之间的相关关系。从相关系数及拟合曲线可以看出:油石比偏差与分形维数之间的相关关系也比较好。

考虑级配离析情况下燃烧炉测沥青含量的应用

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20－2011中T0735－2011燃烧炉法试验，允许2.36mm筛孔通过率出现±5%。然而从油石比偏差—2.36筛孔通过率相关关系图中可以看出当2.36mm筛孔通过率超过5%的误差时所测得的油石比误差的约为0.4。可见级配离析产生的油石比误差是比较大的。因此，用燃烧法测沥青含量时，考虑级配离析对沥青含量的影响是非常有必要的。

从前面建立的回归方程及其相关系数显示，油石比偏差与关键筛孔通过率及分形维数的相关性较好，因此用关键筛孔通过率或分形维数来考虑级配离析油石比误差是可行的。

考虑级配离析情况下燃烧炉法测沥青含量的应用:①先进行标定试验，检测矿料在燃烧炉里的损失率;②配置10kg以上的目标油石比的混合料，至少做5组燃烧试验，然后分别建立油石比偏差与关键筛孔及分形维数的相关关系，选出相关系数最好的回归方程;③取路面混合料进行燃烧试验，检测路面沥青混合料的沥青含量，并用①中得到的损失率对显示沥青含量进行修正，最后根据水洗筛分情况及②中建立的回归方程，对油石比进行级配离析修正。经2次修正后的油石比结果能较准确的反映路面沥青混合料真实的沥青用量情况，从而为控制沥青路面施工质量提供依据，进而提高沥青路面施工质量。

结论

②考虑级配离析对燃烧炉测沥青含量的影响。采用关键筛孔通过率及分形维数来对级配离析引起的油石比偏差进行修正。