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瀝青混合料中瀝青含量及礦料級配試驗方法分析

1 概述
 
瀝青混合料中的瀝青含量對其熱穩定性能存在著明顯的影響,是瀝青混合料配合比設計和施工控制的一個重要指標,如何準確、真實地反映施工生產過程中瀝青混合料的瀝青含量是每位瀝青試驗檢測人員應盡的責任,瀝青含量的準確可靠性也對瀝青混合料控制起到了指導的作用。
 
2 測定瀝青混合料中瀝青含量的方法介紹
 
瀝青混合料中瀝青含量的檢測方法根據試驗的原理不同,可以分為射線法、比色法、抽提法和燃燒
 
法四種類型。
 
2. 1 射線法
 
射線法是利用放射性元素測定瀝青含量的方法,原理與核子密度儀相同,發射源發生的高能中子與瀝青混合料中的氫原子碰撞后被減速慢化,從快中子被慢化的程度按標定的曲線計算混合料中的瀝青含量。使用此方法操作簡單、方便快捷,只需
 
4min 就可以得出測定結果,且取樣較大,代表性強,不存在測定時礦粉損失對結果的影響問題,精度較高,適用于大型瀝青拌和站的質量控制。不足之處是它只能測定出瀝青含量,不能同時測出礦料級配,而且只適用粘稠石油瀝青。由于該方法受環境影響較大,挪動地點必須重新標定,放射性元素若未做好防護會對操作人員身體造成傷害,所以該方法目前
 
不被采用。
 
2. 2 光線比色法比色法的理論依據是“朗伯 - 比耳”定律,即
 
“光通過有色液體時,通過光的強度與有色溶劑的溶度成正比。”應用這一原理,將不同瀝青含量的苯
 

溶液在相同厚度的情況下,用不同光源照射,將透過的光分別照射到同一光電池上,就會產生不同數值的光電壓,其值隨瀝青含量的增加而減少。因此,對
 
一定數量的瀝青含量系列光電壓標準進行比較,就
 
可以確定出瀝青混合料的油石比。此方法使用方便、快捷,且可自動打印和顯示油石比測定結果,測
 
一個結果約需 15min,便于施工瀝青含量的控制,但
 
由于此法測出精確度較差,未列入 JTJ052 - 2000
 
《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》。
 
2. 3 抽提法
 
抽提法是將瀝青從瀝青混合料中溶解分離出來,通過混合料質量差而求算瀝青含量,從而可以得到兩個重要的參數: 瀝青含量和集料級配。抽提法包括沖洗法、離心抽提法、電熱抽提法( 回流式瀝青抽提儀) 和脂肪抽提器法( 索克斯里抽提儀) ,其中離心抽提法為**常見方法。
 
2. 3. 1 離心式瀝青抽提儀
 
我院檢測中心使用的離心式瀝青抽提儀為北京蘭航產 CT - 3 型離心式瀝青抽提儀,原理是將 1 ~1. 5kg 瀝青混合料置于儀器旋轉鍋 ( 離心分離器)
 
內,向分離器內注入三氯乙烯,使溶劑浸沒試樣,記
 
錄溶劑用量,將已稱重圓環形潔凈濾紙墊裝在分離器邊緣上,加蓋堅固,在分離器出口放置回收瓶,上
 
口應注意密封,防止流出,開動離心器,使盛有試樣的離心器轉速逐漸增** 3000r /min。在離心的作用下,被溶解的瀝青與溶劑一起透過濾紙被甩出,然后再加入溶劑,如此反復直**流出的溶液呈清澈的淡黃色為止,一般約需 4 ~ 5 次。該方法的優點是操作相對簡單,儀器輕便,不需要配置大功率電源設備。
 

缺點是影響試驗精度的環節較多,一部分礦粉被當 做瀝青隨殘液排出,致使所測瀝青含量偏高而且數 值不易確定,所測結果與約定真值誤差較大; 該方法 使用的溶劑為三氯乙烯,此溶劑是一種化工原料,具 有一定的毒性和揮發性,使用后難以處理,不利于環 境保護和安全生產,另外試驗所需時間較長( 大約 需要 2h) ,且儀器不能自動烘干,集料需取出另行烘 干后進行礦料篩分稱量,操作較為麻煩。 2. 3. 2 德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器 德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器于今年由 我院科研開發中心引進,該設備由德國贏華泰檢測 技術有限公司( infra Test Pruftechnik GmbH) 生產, 按照歐盟委員會機器指示 89 /392 /EEC,附件ⅡA 標 準 ( EC Machinery Directive 89 /392 /EEC,Annex Ⅱ A) 設計制造。該儀器原理是在一個完全密閉的系 統里,利用非易燃溶劑( 三氯乙烯) 提取并確定瀝青 混合料中的瀝青含量。首先,將混合料稱重( 不超 過 3. 5kg) ,裝入一個篩筒中,將篩筒放入清洗倉。 隨后利用溶劑和超聲波進行清洗,清洗周期次數可 根據混合料類型預設。清洗時,礦料仍留在篩筒中, 而瀝青、溶劑以及礦粉則被分離到相連的離心機中, 經過離心分離,礦粉留在離心機內的杯狀容器中,而 瀝青和溶劑則流向另一個還原裝置中進行分離,復 原后的溶劑可以重復使用。清洗完成之后,石料和 粉末狀充填物將被自動烘干。 該方法的優點: ( 1) 試驗所需時間較短,提取所需運轉時間( 包 括烘干在內) 大約 35 ~ 45min。 ( 2) 溶劑消耗少,儀器配有自動冷卻回收循環 系統,將混合液中的溶劑在蒸餾倉中蒸餾,經冷卻裝 置冷卻回收**倉中,以備下次使用,這樣不僅節約了 成本,更避免了溶劑對環境的污染,實踐證明,溶劑 的損耗量小于 50ml。 ( 3) 試驗精度高,不僅能精確地測量混合料中 的瀝青含量,還能準確地測量混合料中的礦料摻量。 ( 4) 自動化程度高,將混合料放入儀器后,整個 試驗過程由儀器自帶程序控制完成,無需工作人員 現場守候。 該設備缺點是操作面板還未漢字化,我國試驗 初學者有一定難度。 2. 4  燃燒法 燃燒法測量瀝青混合料中瀝青含量的方法,是 將預熱干燥的瀝青混合料放入 538℃ 的燃燒爐中, 瀝青被燃燒,瀝青煙氣排放到燃燒爐外,根據瀝青混 合料燃燒前和燃燒后剩余礦物的質量差可以計算出 瀝青混合料中的瀝青含量,燃燒后剩余的礦料可用 于級配分析。我檢測中心所用儀器為 NCAT( 美國 瀝青技術中心) 燃燒法瀝青含量測試儀,該儀器主 要由燃燒爐、燃燒爐內置電子天平和電腦控制系統 組成,利用瀝青可以燃燒、而集料不能燃燒的原理通 過紅外線加熱,使瀝青混合料中的瀝青完全燃燒。 燃燒法具有以下幾項優點:     ( 1) 自動化程度高。只需將一定質量的瀝青混 合料放入燃燒爐內,開啟控制系統后,從整個試驗過 程的監控到報告打印均可自動完成。     ( 2) 快捷。在爐溫達到要求設定溫度后,完成 一次試驗一般不超過一小時,能夠及時有效地指導 施工,適用于施工、監理以及各級質檢機構做仲裁檢 驗。     ( 3) 精密度、準確度高。由于實驗設備自動化 程度高,人為影響因素少,因此實驗結果精密度高, 離散性小; 試驗環節中主要影響因素是集料的燒失 量,對于同一種材質相同級配的混合料,其燒失量在 相同溫度下可看做一常數,做為修正系數使用。 ( 4) 有利于環境保護。燃燒法不需要使用三氯 乙烯溶劑,有利于社會環境的保護和操作人員身體 健康,同時也節約了處理危險溶劑的相關費用。 ( 5) 方便后續工作。采用該方法試驗后剩余礦 料級配沒有明顯變化,燃燒試驗后剩余礦料可以直 接用于瀝青混合料的級配分析。     設備較為昂貴,檢驗成本高和耗電量大,需要有 相應的配電能力是燃燒法的主要缺點。     3  試驗分析比較     就常用的離心式瀝青抽提儀、燃燒法瀝青含量 測試儀以及我院剛引進的德國 20 - 1100 型瀝青混 合料分析器三種設備針對三種級配類型的瀝青混合 料進行試驗分析。     3. 1  級配類型及原材料摻配比例的確定     結合我省高速公路常用的級配類型,本次試驗 采用 ATB25、LAC25、SMA - 13L 三種級配類型作為 研究對象。試驗所用的原材料各種試驗參數均符合 JTG F40 - 2004《公路瀝青路面施工技術規范》中對 其各自的要求,在此不再說明。所用原材料產地以 及摻入比例詳見表 1、表 2。按照表 1、表 2 中各種原 材料比例進行摻配,所得到的三種級配類型的合成 級配詳見表 3。     3. 2  瀝青混合料的拌和     按照上述表中提供的礦料級配及瀝青用量,在
室內采用小型拌和鍋進行瀝青混合料拌制,首先將干燥的礦料每一粒級以表 3 的級配要求準確稱量
 
( 準確** 1g) 加熱拌和,依次加入瀝青和礦粉,對于
 
SMA - 13L 級配預先將纖維和集料一起提前拌和均
 
勻,拌制方法嚴格按照 T0702 - 2000 規定的粘稠石油瀝青或煤瀝青混合料拌和方法進行。同時,為不使校準試樣瀝青含量產生偏差,按設計的瀝青含量攪拌 1 ~ 2 鍋瀝青混合料并將其倒掉,之后拌制的混合料用于試驗。每個級配按照相同的瀝青含量拌制
 
9 個試樣,每種儀器采用 3 個試樣進行瀝青混合料瀝青含量抽提試驗。
 
3. 3 試驗數據結果分別采用北京蘭航產 CT - 3 型離心式瀝青抽
 
提儀、德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器、NCAT
 
( 美國瀝青技術中心) 燃燒法瀝青含量測試儀( 表 4
 
和表 5 中將此三種儀器分別簡寫成離心式瀝青抽提儀、混合料分析器、混合料燃燒儀) 將拌制好的瀝青混合料進行瀝青含量抽提試驗,試驗結果見表 4、表
 
5 所示。
 
3. 4 試驗結果分析
 
3. 4. 1 瀝青含量誤差分析
 
由表 4 可看出 3 種儀器的試驗誤差分別為: 北
 
京蘭航產 CT - 3 型離心式瀝青抽提儀試驗誤差為
 
0. 26% ~ 0. 43% 、德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析
器試驗誤差為 - 0. 07% ~ - 0. 12% 、NCAT( 美國瀝青技術中心) 燃燒法瀝青含量測試儀試驗誤差為
 
0. 19 ~ 0. 28% ,可以明顯看出采用德國 20 - 1100 型
 
瀝青混合料分析器進行瀝青混合料瀝青含量抽提試驗所得結果,與試驗前混合料瀝青含量**為接近,誤
 
差**小,精度**高,根據 JTG F40 - 2004《公路瀝青路面施工技術規范》中表 11. 4. 4( 熱拌瀝青混合料的頻度和質量要求表) 對熱拌瀝青混合料瀝青用量
 
允許偏差的要求“采用抽提試驗方法檢測瀝青混合料瀝青用量時,高速公路、一級公路用瀝青含量允許偏差為 ± 0. 3% ,其他等級公路為 ± 0. 4% ”的要求,可見德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器能夠更好地滿足高速公路瀝青混合料瀝青含量試驗檢測的需
 
要。
 
3. 4. 2 礦料級配誤差分析
 
通過表 5 可以看出,采用此三種儀器進行試驗,所得到的礦料級配誤差影響主要集中在礦粉比例上,即從 0. 075mm 篩孔通過量可看出三種儀器設備試驗后與試驗前級配誤差大小依次為北京蘭航產
 
CT - 3 型離心式瀝青抽提儀 > NCAT( 美國瀝青技術中心) 燃燒法瀝青含量測試儀 > 德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器,試驗對比后可見,德國 20 - 1100
 
型瀝青混合料分析器對礦料級配影響不大。
 
3. 4. 3 綜合分析
 
采用北京蘭航產 CT - 3 型離心式瀝青抽提儀進行試驗所產生的誤差**大,主要是由于試驗過程中試驗設備及人為操作影響誤差決定,試驗過程中肯定會有部分礦粉流入混合液中,而瀝青含量是由混合料質量差求算得到,集料和礦粉總質量減少,從
 
而導致瀝青含量的增加,試驗結果也同時證實了這一點。德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器之所以具有高精度標準,主要是由于自身的工作原理決定的,整個試驗過程在一個密閉的空間中進行,溶劑、瀝青和礦粉經過分離后直接進入離心杯中,離心杯沒有空隙,瀝青混合液經過離心作用,只能通過杯口進入循環系統,而礦粉留在了離心杯中,我院所采購的該設備是標準配置,**多可容納礦粉 200g,此規定就是為了防止過多礦粉流入瀝青混合液,被計入瀝青含量,從而增加了瀝青含量。該設備所產生的誤差是: 試驗過程中瀝青混合液是否清澈透明是由

人為主觀感覺所判斷,這樣會使微量瀝青留在礦料中,導致礦料含量增加,從試驗數據可以看出,瀝青含量誤差均在 - 0. 1% ,而礦料級配中 0. 3mm、 0. 15mm、0. 075mm 篩孔通過率均略有增加。NCAT
 
( 美國瀝青技術中心) 燃燒法瀝青含量測試儀主要誤差還是集料的燒失量( 對于 SMA - 13L 級配所加入的木質纖維素肯定也在高溫情況下被燒盡) ,該
 
誤差已被計入系統誤差,對于同一級配類型同一種材質的瀝青混合料,該燒失量均作為瀝青含量修正
 
系數看待。
 
4 結論
 
本文詳細介紹了求取瀝青混合料中瀝青含量及礦料級配的幾種試驗方法,就普遍采用的離心式瀝
 
青抽提儀、燃燒法瀝青含量測試儀及新引進的德國
 
20 - 1100 型瀝青混合料分析器三種試驗儀器,對三種級配類型瀝青混合料進行試驗分析比較,結果證明德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器較其他兩種試驗儀器具有較高的精確度。目前由于試驗誤差較大,試驗過程中使用有機溶劑不利于環境保護和安全生產,離心式瀝青抽提儀在我省的高速公路建設過程中應用較少; 燃燒法瀝青含量測試儀,因其方便快捷、精確度較高等優點,被普遍應用于生產過程中,而德國 20 - 1100 型瀝青混合料分析器剛剛被引進,主要用于科學研究,其智能化、高精確度等優點有望得到廣泛認可和大力推廣。
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