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CT扫描技术用于浇注式沥青混合料空隙特征分析研究

摘 要

为分析浇注式沥青混凝土内部空隙特性,以?#38553;?#39640;速公路北盘江大桥钢桥面铺装工程为依托,采用工?#23548;?#31639;机层析成像系统扫描、重构浇注?#20132;?#20957;土GA-10试件的内部空隙率。结果表明:GA-10试件空隙率大于2%,其内部空隙体积大部分都是小于0.5mm3的闭口空隙?#22836;?#36830;通孔隙,混凝土具有较好的防渗水?#38405;埽?#19988;内部空隙分布变异性显著低于常规热拌热压沥青混凝土AC-10,其中试件中部的空隙率显著高于试件平均空隙率和试件两端的空隙率,建议在GA配比设计中引入4%~5%的目标空隙率指标用于级配与最佳沥青用量等主要配比?#38382;?#30340;确定。

关键词

关键词:钢桥面铺装;  浇注?#20132;?#20957;土;  CT扫描;  配合比设计;  目标空隙率

浇注式沥青混凝土GA(GussAsphalt)具有防渗性好、施工速度快、适应变?#25991;?#21147;强等特点沥青网sinoasphalt.com。施工时浇注式摊铺,一般不需要碾压,只需要简单的摊铺整平即可完成施工,在钢桥面铺装中广泛使用[1]。


浇注式沥青混凝土具有拌和温度高、矿粉与沥青含量高等特点[2]。GA中较高的沥青与细集料含量使粗骨料处于悬浮状态,该结构特点决定了浇注?#20132;?#20957;土具有密水性好、耐久性优、疲劳抗?#30740;阅?#21644;变?#25991;?#21147;好、整体性强等优点。但由于浇注式沥青混凝土采用了较高的沥青用量及其悬浮密实结构,其高温稳定能低于常规沥青混合料[3-5]。


现行浇注式沥青混凝土设计以经验指标为主,主要设计指标为评价施工和易性的流动度,而表征高温稳定性的贯入度与贯入度增量2项指标仅为验证指标[6]。由于无法采用真空法测定浇注式沥青混凝土的最大理论密度,因此在其配比设计过程中并无考虑体积特性?#38382;?#32780;作为桥面防水体系的重要部分,体积?#38382;?#26159;影响其抗渗透?#38405;?#30340;重要评价指标,同时也是确定混合料配比设计是否合理的关键?#38382;?#22240;此深入认识并分析GA的空隙特性是确保其配比设计的技术关键。为此,本文采用工业计算机层析成像系统ICTS(IndustrialComputerTomographySystem),分析与评价GA-10试件的内部空隙特性,并用于指导GA-10的配合比设计。

原材料设计

试验采用重庆SK公司生产的高粘改性沥青,主要技术指标结果如表1所示[7]。


集料筛分试验结果如表2所示。

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GA-10配合比设计

GA-10生产配合比及混合料级配组成如表3和4所示。级配曲线如图1所示。

GA-10混合料?#38405;?#35797;验

流动性试验主要用于测定浇注式沥青混合料的施工和易性,试验结果如表5所示。

CT扫描技术用于浇注式沥青混合料空隙特征分析研究 沥青网,sinoasphalt.com
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贯入度试验用于测定和评价浇注式沥青混合料的高温稳定性,进行混合料的配合比设计和?#20998;使?#29702;试验。成型后的试件装入?#38405;?#21518;,在60℃的水浴中保温60min,然后以2.5kg的初加荷载贯入10min后调零,接着以50kg的荷载进行试验,记录1min、2min、3min、5min、10min、20min、30min和60min时的贯入量。试验以30min对应的贯入量值作为该试件的贯入度,60min对应的贯入量与30min对应的贯入量之差即为贯入度增量[8]。测试结果如表6所示。

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低温?#38405;?#39564;证

低温弯曲试验主要用于评价浇注式沥青混合料的低温抗?#30740;阅埽?],根据《钢箱梁桥面铺装设计与施工技术?#25913;稀?#20013;的-10℃破?#20302;?#26354;应变试验方法进行检验,试件尺寸300mm×100mm×50mm,计算跨径200mm荷载速率50mm/min,结果如表7所示。

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由表7可以看出,油石比为7.3%时浇注式沥青混凝土的-10℃弯曲应变满足设计要求。

 CT扫描

基本原理

CT扫描采用X光射线(X-Ray)对试样进行扫描,X-Ray是利用一阴极射线管产生高能量电子与金属靶?#19981;鰨?#22312;?#19981;?#36807;程中,因电?#27833;?#28982;减速,其损失的动能会以X-Ray?#38382;?#25918;出,具有非常短的波长。对于试样内部难以肉眼观测的位置,通过纪录X-Ray穿透其中不同密度物质后光强度的变化,产生的对比效果形成影像即可显示出待测物内部结构,从而可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部特征。X-RayCT扫描系统如图2所示。

试验方法

在北盘江大桥施工现场成型2个GA-10试样,采用同济大学Y.CTPrecisionII型工?#23548;?#31639;机层析成像系统对现场浇筑得到的GA-10试样进行扫描,得到其断面图像,采用专业软件分析得到空隙率、空隙分布等体积特征指标。


Y.CTPrecisionII型CT设备电压210kV,电流0.36mA,?#35745;?#20026;1260像素×1260像素,按照图2所示放置试件,自上向下,每隔0.2mm扫描一次,得到断层扫描图像。采用VGstudioMAX软件对其空隙特征进行分析。

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扫描结果与分析

空隙率

CT扫描得到试件断面灰色图像如图3(a)所示,采用图形处理软件得到其空隙分布情况,如图3(b)所示。然后三维重构得到试件中空隙分布,如图4所示;根据图像像素和试件面积,计算空隙尺寸和空隙率等指标,计算结果如表8所示。


由表8可知,采用CT扫描技术实测的GA-10空隙率为4.38%,显著高于通常认为的小于2%。同时?#27833;?中空隙分析状况可知,GA-10内部富含空隙,但这些空隙基本为不连通空隙,因此虽然具有高达4%的空隙率,GA-10的抗渗透?#38405;?#20173;较好。

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空隙分布

对空?#31471;?#39640;度变化进行分析,将处理得到空隙的三维分布图自?#38553;?#19979;剖分为4块,分别分析每块试样的空隙率,其空隙率变化如图5所示。由图5可以看出,试件中部空隙率均高于试件平均空隙率;同时沿厚度方向,试件空隙率表现为先增加后减小现象,试件中部的空隙?#21183;?#22343;高于试件顶部与底部。由于GA-10的自密实成形方式对于试件中部的扰动较小,因此试件中间部分的空隙率为自然密实状态下的GA-10空隙率,而通过改变级配、沥青用量、拌和生产温度,将主要影响这部分位置的空隙率[10-11]。

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MASAD等研?#31354;?#37319;用旋转压实成型方式得到的常规沥青混凝土试件内部空隙率沿试件高度的分布情况如图6(a)所示,田纳西大学陈?#27492;?#21338;士采用离散元模拟旋转压实成型的沥青混合料试件内部空隙率沿试件高度的分布情况如图6(b)所示。可见,采用旋转压实成型的沥青混合料试件其试件?#34892;?#30340;空隙率低于试件顶部与底部的空隙率。


对比图5可知,自密实成型的GA-10其试件内部空隙率分布更加均匀,空隙率的变异性更小,这一点对于桥面铺装的施工具有积极意义。首先,桥面铺装沥青混凝土在压实成型过程中,由于桥梁自振作用会抵消常规压路机的振动压实效果,因此桥面铺装沥青混合料不易压实。而通过CT扫描结果可看出,GA-10在无外界压实功的条件下,通过自密实效应?#37096;梢源?#21040;与常规?#35775;?#21387;实状态一样的效果,甚?#37327;?#38553;率分布更加稳定,因此从施工角度看,GA-10是一种非常理想的桥面沥青铺装混合料。其次,GA-10试件内部的空隙率分布稳定,基本不离析。常规的沥青混合料,其在生产、运输、摊铺过程中无法避免的会出现级配离析?#35748;?#35937;,从而造成了空隙率分布不均匀,局部空隙?#24335;?#22823;的地?#20132;?#36896;成使用过程中的水损害隐患。而GA由于其内部空隙分布稳定,较好地解决了这一施工过程?#20449;?#21040;的离析问题[12]。

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空隙结构

从断面扫描图像(图3)中可以看出,浇注式沥青混凝土试样中空隙基本全是闭口空隙?#22836;?#36830;通空隙。试件内部的空隙尺寸分布发如图7所示。?#27833;?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important; letter-spacing: 0px;">7可以看出,试样中空隙大多集中在0.5mm^3以内。


结论与建议

1)     运用CT扫描技术对GA-10试件进行了计算机三维内部空隙扫描并重构,发现GA-10空隙率为4.38%,与?#23548;?#27979;定的GA-10空隙率4%~6%结果较为吻合。


2)      浇注式沥青混凝?#37327;?#38553;分布变异性显著低于常规热拌热压沥青混凝土。根据取样成型GA-10试件,本次北盘江大桥钢桥面铺装采用的GA-10内部空隙体积大部分为小于0.5mm^3的闭口空隙?#22836;?#36830;通孔隙,GA-10保持了较好的防渗水?#38405;堋?/span>


3) 与常规热拌热压沥青混合料不同,GA-10试件中部的空隙率显著高于试件平均空隙率和试件两端的空隙率。


4)     建议在GA-10配合比设计中引入目标空隙率指标用于级配与最佳沥青用量等主要配比?#38382;?#30340;确定,其中目标空隙率建议为4%~5%


标签:技术?#34892;?/a>,沥青混凝土
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