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CT掃描技術用于澆注式瀝青混合料空隙特征分析研究
2019年08月14日    閱讀量:5267    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

為分析澆注式瀝青混凝土內部空隙特性,以畢都高速公路北盤江大橋鋼橋面鋪裝工程為依托,采用工業計算機層析成像系統掃描、重構澆注式混凝土GA-10試件的內部空隙率。結果表明:GA-10試件空隙率大于2%,其內部空隙體積大部分都是小于0.5mm3的閉口空隙和非連通孔隙,混凝土具有較好的防滲水性能,且內部空隙分布變異性顯著低于常規熱拌熱壓瀝青混凝土AC-10,其中試件中部的空隙率顯著高于試件平均空隙率和試件兩端的空隙率,建議在GA配比設計中引入4%~5%的目標空隙率指標用于級配與最佳瀝青用量等主要配比參數的確定。

關鍵詞

關鍵詞:鋼橋面鋪裝;  澆注式混凝土;  CT掃描;  配合比設計;  目標空隙率

澆注式瀝青混凝土GA(GussAsphalt)具有防滲性好、施工速度快、適應變形能力強等特點瀝青網sinoasphalt.com。施工時澆注式攤鋪,一般不需要碾壓,只需要簡單的攤鋪整平即可完成施工,在鋼橋面鋪裝中廣泛使用[1]。


澆注式瀝青混凝土具有拌和溫度高、礦粉與瀝青含量高等特點[2]。GA中較高的瀝青與細集料含量使粗骨料處于懸浮狀態,該結構特點決定了澆注式混凝土具有密水性好、耐久性優、疲勞抗裂性能和變形能力好、整體性強等優點。但由于澆注式瀝青混凝土采用了較高的瀝青用量及其懸浮密實結構,其高溫穩定能低于常規瀝青混合料[3-5]。


現行澆注式瀝青混凝土設計以經驗指標為主,主要設計指標為評價施工和易性的流動度,而表征高溫穩定性的貫入度與貫入度增量2項指標僅為驗證指標[6]。由于無法采用真空法測定澆注式瀝青混凝土的最大理論密度,因此在其配比設計過程中并無考慮體積特性參數。而作為橋面防水體系的重要部分,體積參數是影響其抗滲透性能的重要評價指標,同時也是確定混合料配比設計是否合理的關鍵參數,因此深入認識并分析GA的空隙特性是確保其配比設計的技術關鍵。為此,本文采用工業計算機層析成像系統ICTS(IndustrialComputerTomographySystem),分析與評價GA-10試件的內部空隙特性,并用于指導GA-10的配合比設計。

原材料設計

試驗采用重慶SK公司生產的高粘改性瀝青,主要技術指標結果如表1所示[7]。


集料篩分試驗結果如表2所示。

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GA-10配合比設計

GA-10生產配合比及混合料級配組成如表3和4所示。級配曲線如圖1所示。

GA-10混合料性能試驗

流動性試驗主要用于測定澆注式瀝青混合料的施工和易性,試驗結果如表5所示。

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貫入度試驗用于測定和評價澆注式瀝青混合料的高溫穩定性,進行混合料的配合比設計和品質管理試驗。成型后的試件裝入試模后,在60℃的水浴中保溫60min,然后以2.5kg的初加荷載貫入10min后調零,接著以50kg的荷載進行試驗,記錄1min、2min、3min、5min、10min、20min、30min和60min時的貫入量。試驗以30min對應的貫入量值作為該試件的貫入度,60min對應的貫入量與30min對應的貫入量之差即為貫入度增量[8]。測試結果如表6所示。

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低溫性能驗證

低溫彎曲試驗主要用于評價澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能[9],根據《鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南》中的-10℃破壞彎曲應變試驗方法進行檢驗,試件尺寸300mm×100mm×50mm,計算跨徑200mm荷載速率50mm/min,結果如表7所示。

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由表7可以看出,油石比為7.3%時澆注式瀝青混凝土的-10℃彎曲應變滿足設計要求。

 CT掃描

基本原理

CT掃描采用X光射線(X-Ray)對試樣進行掃描,X-Ray是利用一陰極射線管產生高能量電子與金屬靶撞擊,在撞擊過程中,因電子突然減速,其損失的動能會以X-Ray形式放出,具有非常短的波長。對于試樣內部難以肉眼觀測的位置,通過紀錄X-Ray穿透其中不同密度物質后光強度的變化,產生的對比效果形成影像即可顯示出待測物內部結構,從而可在不破壞待測物的情況下觀察待測物內部特征。X-RayCT掃描系統如圖2所示。

試驗方法

在北盤江大橋施工現場成型2個GA-10試樣,采用同濟大學Y.CTPrecisionII型工業計算機層析成像系統對現場澆筑得到的GA-10試樣進行掃描,得到其斷面圖像,采用專業軟件分析得到空隙率、空隙分布等體積特征指標。


Y.CTPrecisionII型CT設備電壓210kV,電流0.36mA,圖片為1260像素×1260像素,按照圖2所示放置試件,自上向下,每隔0.2mm掃描一次,得到斷層掃描圖像。采用VGstudioMAX軟件對其空隙特征進行分析。

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掃描結果與分析

空隙率

CT掃描得到試件斷面灰色圖像如圖3(a)所示,采用圖形處理軟件得到其空隙分布情況,如圖3(b)所示。然后三維重構得到試件中空隙分布,如圖4所示;根據圖像像素和試件面積,計算空隙尺寸和空隙率等指標,計算結果如表8所示。


由表8可知,采用CT掃描技術實測的GA-10空隙率為4.38%,顯著高于通常認為的小于2%。同時從圖4中空隙分析狀況可知,GA-10內部富含空隙,但這些空隙基本為不連通空隙,因此雖然具有高達4%的空隙率,GA-10的抗滲透性能仍較好。

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空隙分布

對空隙隨高度變化進行分析,將處理得到空隙的三維分布圖自上而下剖分為4塊,分別分析每塊試樣的空隙率,其空隙率變化如圖5所示。由圖5可以看出,試件中部空隙率均高于試件平均空隙率;同時沿厚度方向,試件空隙率表現為先增加后減小現象,試件中部的空隙率平均高于試件頂部與底部。由于GA-10的自密實成形方式對于試件中部的擾動較小,因此試件中間部分的空隙率為自然密實狀態下的GA-10空隙率,而通過改變級配、瀝青用量、拌和生產溫度,將主要影響這部分位置的空隙率[10-11]。

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MASAD等研究者采用旋轉壓實成型方式得到的常規瀝青混凝土試件內部空隙率沿試件高度的分布情況如圖6(a)所示,田納西大學陳敬松博士采用離散元模擬旋轉壓實成型的瀝青混合料試件內部空隙率沿試件高度的分布情況如圖6(b)所示。可見,采用旋轉壓實成型的瀝青混合料試件其試件中心的空隙率低于試件頂部與底部的空隙率。


對比圖5可知,自密實成型的GA-10其試件內部空隙率分布更加均勻,空隙率的變異性更小,這一點對于橋面鋪裝的施工具有積極意義。首先,橋面鋪裝瀝青混凝土在壓實成型過程中,由于橋梁自振作用會抵消常規壓路機的振動壓實效果,因此橋面鋪裝瀝青混合料不易壓實。而通過CT掃描結果可看出,GA-10在無外界壓實功的條件下,通過自密實效應也可以達到與常規路面壓實狀態一樣的效果,甚至空隙率分布更加穩定,因此從施工角度看,GA-10是一種非常理想的橋面瀝青鋪裝混合料。其次,GA-10試件內部的空隙率分布穩定,基本不離析。常規的瀝青混合料,其在生產、運輸、攤鋪過程中無法避免的會出現級配離析等現象,從而造成了空隙率分布不均勻,局部空隙率較大的地方會造成使用過程中的水損害隱患。而GA由于其內部空隙分布穩定,較好地解決了這一施工過程中碰到的離析問題[12]。

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空隙結構

從斷面掃描圖像(圖3)中可以看出,澆注式瀝青混凝土試樣中空隙基本全是閉口空隙和非連通空隙。試件內部的空隙尺寸分布發如圖7所示。從圖7可以看出,試樣中空隙大多集中在0.5mm^3以內。


結論與建議

1)     運用CT掃描技術對GA-10試件進行了計算機三維內部空隙掃描并重構,發現GA-10空隙率為4.38%,與實際測定的GA-10空隙率4%~6%結果較為吻合。


2)      澆注式瀝青混凝土空隙分布變異性顯著低于常規熱拌熱壓瀝青混凝土。根據取樣成型GA-10試件,本次北盤江大橋鋼橋面鋪裝采用的GA-10內部空隙體積大部分為小于0.5mm^3的閉口空隙和非連通孔隙,GA-10保持了較好的防滲水性能。


3) 與常規熱拌熱壓瀝青混合料不同,GA-10試件中部的空隙率顯著高于試件平均空隙率和試件兩端的空隙率。


4)     建議在GA-10配合比設計中引入目標空隙率指標用于級配與最佳瀝青用量等主要配比參數的確定,其中目標空隙率建議為4%~5%


標簽:技術中心瀝青混凝土
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