沥青混合料中沥青含量及矿料级配试验方法分析

1 概述
 
沥青混合料中的沥青含量对其热稳定性能存在着明显的影响,是沥青混合料配合比设计和施工控制的一个重要指标,如何准确、真实地反映施工生产过程中沥青混合料的沥青含量是每位沥青试验检测人员应尽的责任,沥青含量的准确可靠性也对沥青混合料控制起到了指导的作用。
 
2 测定沥青混合料中沥青含量的方法介绍
 
沥青混合料中沥青含量的检测方法根据试验的原理不同,可以分为射线法、比色法、抽提法和燃烧
 
法四种类型。
 
2. 1 射线法
 
射线法是利用放射性元素测定沥青含量的方法,原理与核子密度仪相同,发射源发生的高能中子与沥青混合料中的氢原子碰撞后被减速慢化,从快中子被慢化的程度按标定的曲线计算混合料中的沥青含量。使用此方法操作简单、方便快捷,只需
 
4min 就可以得出测定结果,且取样较大,代表性强,不存在测定时矿粉损失对结果的影响问题,精度较高,适用于大型沥青拌和站的质量控制。不足之处是它只能测定出沥青含量,不能同时测出矿料级配,而且只适用粘稠石油沥青。由于该方法受环境影响较大,挪动地点**重新标定,放射性元素若未做好防护会对操作人员身体造成伤害,所以该方法目前
 
不被采用。
 
2. 2 光线比色法比色法的理论依据是“朗伯 - 比耳”定律,即
 
“光通过有色液体时,通过光的强度与有色溶剂的溶度成正比。”应用这一原理,将不同沥青含量的苯
 

溶液在相同厚度的情况下,用不同光源照射,将透过的光分别照射到同一光电池上,就会产生不同数值的光电压,其值随沥青含量的增加而减少。因此,对
 
一定数量的沥青含量系列光电压标准进行比较,就
 
可以确定出沥青混合料的油石比。此方法使用方便、快捷,且可自动打印和显示油石比测定结果,测
 
一个结果约需 15min,便于施工沥青含量的控制,但
 
由于此法测出**度较差,未列入 JTJ052 - 2000
 
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。
 
2. 3 抽提法
 
抽提法是将沥青从沥青混合料中溶解分离出来,通过混合料质量差而求算沥青含量,从而可以得到两个重要的参数: 沥青含量和集料级配。抽提法包括冲洗法、离心抽提法、电热抽提法( 回流式沥青抽提仪) 和脂肪抽提器法( 索克斯里抽提仪) ,其中离心抽提法为**常见方法。
 
2. 3. 1 离心式沥青抽提仪
 
我院检测中心使用的离心式沥青抽提仪为北京兰航产 CT - 3 型离心式沥青抽提仪,原理是将 1 ~1. 5kg 沥青混合料置于仪器旋转锅 ( 离心分离器)
 
内,向分离器内注入三氯乙烯,使溶剂浸没试样,记
 
录溶剂用量,将已称重圆环形洁净滤纸垫装在分离器边缘上,加盖坚固,在分离器出口放置回收瓶,上
 
口应注意密封,防止流出,开动离心器,使盛有试样的离心器转速逐渐增** 3000r /min。在离心的作用下,被溶解的沥青与溶剂一起透过滤纸被甩出,然后再加入溶剂,如此反复直**流出的溶液呈清澈的淡黄色为止,一般约需 4 ~ 5 次。该方法的优点是操作相对简单,仪器轻便,不需要配置大功率电源设备。
 

缺点是影响试验精度的环节较多,一部分矿粉被当 做沥青随残液排出,致使所测沥青含量偏高而且数 值不易确定,所测结果与约定真值误差较大; 该方法 使用的溶剂为三氯乙烯,此溶剂是一种化工原料,具 有一定的毒性和挥发性,使用后难以处理,不利于环 境保护和安全生产,另外试验所需时间较长( 大约 需要 2h) ,且仪器不能自动烘干,集料需取出另行烘 干后进行矿料筛分称量,操作较为麻烦。 2. 3. 2 德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器 德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器于今年由 我院科研开发中心引进,该设备由德**赢华泰检测 技术有限公司( infra Test Pruftechnik GmbH) 生产, 按照欧盟委员会机器指示 89 /392 /EEC,附件ⅡA 标 准 ( EC Machinery Directive 89 /392 /EEC,Annex Ⅱ A) 设计制造。该仪器原理是在一个完全密闭的系 统里,利用非易燃溶剂( 三氯乙烯) 提取并确定沥青 混合料中的沥青含量。**先,将混合料称重( 不超 过 3. 5kg) ,装入一个筛筒中,将筛筒放入清洗仓。 随后利用溶剂和超声波进行清洗,清洗周期次数可 根据混合料类型预设。清洗时,矿料仍留在筛筒中, 而沥青、溶剂以及矿粉则被分离到相连的离心机中, 经过离心分离,矿粉留在离心机内的杯状容器中,而 沥青和溶剂则流向另一个还原装置中进行分离,复 原后的溶剂可以重复使用。清洗完成之后,石料和 粉末状充填物将被自动烘干。 该方法的优点: ( 1) 试验所需时间较短,提取所需运转时间( 包 括烘干在内) 大约 35 ~ 45min。 ( 2) 溶剂消耗少,仪器配有自动冷却回收循环 系统,将混合液中的溶剂在蒸馏仓中蒸馏,经冷却装 置冷却回收**仓中,以备下次使用,这样不仅节约了 成本,更避免了溶剂对环境的污染,实践证明,溶剂 的损耗量小于 50ml。 ( 3) 试验精度高,不仅能**地测量混合料中 的沥青含量,还能准确地测量混合料中的矿料掺量。 ( 4) 自动化程度高,将混合料放入仪器后,整个 试验过程由仪器自带程序控制完成,无需工作人员 现场守候。 该设备缺点是操作面板还未汉字化,我**试验 初学者有一定难度。 2. 4  燃烧法 燃烧法测量沥青混合料中沥青含量的方法,是 将预热干燥的沥青混合料放入 538℃ 的燃烧炉中, 沥青被燃烧,沥青烟气排放到燃烧炉外,根据沥青混 合料燃烧前和燃烧后剩余矿物的质量差可以计算出 沥青混合料中的沥青含量,燃烧后剩余的矿料可用 于级配分析。我检测中心所用仪器为 NCAT( 美** 沥青技术中心) 燃烧法沥青含量测试仪,该仪器主 要由燃烧炉、燃烧炉内置电子天平和电脑控制系统 组成,利用沥青可以燃烧、而集料不能燃烧的原理通 过红外线加热,使沥青混合料中的沥青完全燃烧。 燃烧法具有以下几项优点:     ( 1) 自动化程度高。只需将一定质量的沥青混 合料放入燃烧炉内,开启控制系统后,从整个试验过 程的监控到报告打印均可自动完成。     ( 2) 快捷。在炉温达到要求设定温度后,完成 一次试验一般不超过一小时,能够及时有效地指导 施工,适用于施工、监理以及各级质检机构做仲裁检 验。     ( 3) 精密度、准确度高。由于实验设备自动化 程度高,人为影响因素少,因此实验结果精密度高, 离散性小; 试验环节中主要影响因素是集料的烧失 量,对于同一种材质相同级配的混合料,其烧失量在 相同温度下可看做一常数,做为修正系数使用。 ( 4) 有利于环境保护。燃烧法不需要使用三氯 乙烯溶剂,有利于社会环境的保护和操作人员身体 健康,同时也节约了处理危险溶剂的相关费用。 ( 5) 方便后续工作。采用该方法试验后剩余矿 料级配没有明显变化,燃烧试验后剩余矿料可以直 接用于沥青混合料的级配分析。     设备较为昂贵,检验成本高和耗电量大,需要有 相应的配电能力是燃烧法的主要缺点。     3  试验分析比较     就常用的离心式沥青抽提仪、燃烧法沥青含量 测试仪以及我院刚引进的德** 20 - 1100 型沥青混 合料分析器三种设备针对三种级配类型的沥青混合 料进行试验分析。     3. 1  级配类型及原材料掺配比例的确定     结合我省高速公路常用的级配类型,本次试验 采用 ATB25、LAC25、SMA - 13L 三种级配类型作为 研究对象。试验所用的原材料各种试验参数均符合 JTG F40 - 2004《公路沥青路面施工技术规范》中对 其各自的要求,在此不再说明。所用原材料产地以 及掺入比例详见表 1、表 2。按照表 1、表 2 中各种原 材料比例进行掺配,所得到的三种级配类型的合成 级配详见表 3。     3. 2  沥青混合料的拌和     按照上述表中提供的矿料级配及沥青用量,在
室内采用小型拌和锅进行沥青混合料拌制,**先将干燥的矿料每一粒级以表 3 的级配要求准确称量
 
( 准确** 1g) 加热拌和,依次加入沥青和矿粉,对于
 
SMA - 13L 级配预先将纤维和集料一起提前拌和均
 
匀,拌制方法严格按照 T0702 - 2000 规定的粘稠石油沥青或煤沥青混合料拌和方法进行。同时,为不使校准试样沥青含量产生偏差,按设计的沥青含量搅拌 1 ~ 2 锅沥青混合料并将其倒掉,之后拌制的混合料用于试验。每个级配按照相同的沥青含量拌制
 
9 个试样,每种仪器采用 3 个试样进行沥青混合料沥青含量抽提试验。
 
3. 3 试验数据结果分别采用北京兰航产 CT - 3 型离心式沥青抽
 
提仪、德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器、NCAT
 
( 美**沥青技术中心) 燃烧法沥青含量测试仪( 表 4
 
和表 5 中将此三种仪器分别简写成离心式沥青抽提仪、混合料分析器、混合料燃烧仪) 将拌制好的沥青混合料进行沥青含量抽提试验,试验结果见表 4、表
 
5 所示。
 
3. 4 试验结果分析
 
3. 4. 1 沥青含量误差分析
 
由表 4 可看出 3 种仪器的试验误差分别为: 北
 
京兰航产 CT - 3 型离心式沥青抽提仪试验误差为
 
0. 26% ~ 0. 43% 、德** 20 - 1100 型沥青混合料分析
器试验误差为 - 0. 07% ~ - 0. 12% 、NCAT( 美**沥青技术中心) 燃烧法沥青含量测试仪试验误差为
 
0. 19 ~ 0. 28% ,可以明显看出采用德** 20 - 1100 型
 
沥青混合料分析器进行沥青混合料沥青含量抽提试验所得结果,与试验前混合料沥青含量**为接近,误
 
差**小,精度**高,根据 JTG F40 - 2004《公路沥青路面施工技术规范》中表 11. 4. 4( 热拌沥青混合料的频度和质量要求表) 对热拌沥青混合料沥青用量
 
允许偏差的要求“采用抽提试验方法检测沥青混合料沥青用量时,高速公路、一级公路用沥青含量允许偏差为 ± 0. 3% ,其他等级公路为 ± 0. 4% ”的要求,可见德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器能够更好地满足高速公路沥青混合料沥青含量试验检测的需
 
要。
 
3. 4. 2 矿料级配误差分析
 
通过表 5 可以看出,采用此三种仪器进行试验,所得到的矿料级配误差影响主要集中在矿粉比例上,即从 0. 075mm 筛孔通过量可看出三种仪器设备试验后与试验前级配误差大小依次为北京兰航产
 
CT - 3 型离心式沥青抽提仪 > NCAT( 美**沥青技术中心) 燃烧法沥青含量测试仪 > 德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器,试验对比后可见,德** 20 - 1100
 
型沥青混合料分析器对矿料级配影响不大。
 
3. 4. 3 综合分析
 
采用北京兰航产 CT - 3 型离心式沥青抽提仪进行试验所产生的误差**大,主要是由于试验过程中试验设备及人为操作影响误差决定,试验过程中肯定会有部分矿粉流入混合液中,而沥青含量是由混合料质量差求算得到,集料和矿粉总质量减少,从
 
而导致沥青含量的增加,试验结果也同时证实了这一点。德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器之所以具有高精度标准,主要是由于自身的工作原理决定的,整个试验过程在一个密闭的空间中进行,溶剂、沥青和矿粉经过分离后直接进入离心杯中,离心杯没有空隙,沥青混合液经过离心作用,只能通过杯口进入循环系统,而矿粉留在了离心杯中,我院所采购的该设备是标准配置,**多可容纳矿粉 200g,此规定就是为了防止过多矿粉流入沥青混合液,被计入沥青含量,从而增加了沥青含量。该设备所产生的误差是: 试验过程中沥青混合液是否清澈透明是由

人为主观感觉所判断,这样会使微量沥青留在矿料中,导致矿料含量增加,从试验数据可以看出,沥青含量误差均在 - 0. 1% ,而矿料级配中 0. 3mm、 0. 15mm、0. 075mm 筛孔通过率均略有增加。NCAT
 
( 美**沥青技术中心) 燃烧法沥青含量测试仪主要误差还是集料的烧失量( 对于 SMA - 13L 级配所加入的木质纤维素肯定也在高温情况下被烧尽) ,该
 
误差已被计入系统误差,对于同一级配类型同一种材质的沥青混合料,该烧失量均作为沥青含量修正
 
系数看待。
 
4 结论
 
本文详细介绍了求取沥青混合料中沥青含量及矿料级配的几种试验方法,就普遍采用的离心式沥
 
青抽提仪、燃烧法沥青含量测试仪及新引进的德**
 
20 - 1100 型沥青混合料分析器三种试验仪器,对三种级配类型沥青混合料进行试验分析比较,结果证明德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器较其他两种试验仪器具有较高的**度。目前由于试验误差较大,试验过程中使用有机溶剂不利于环境保护和安全生产,离心式沥青抽提仪在我省的高速公路建设过程中应用较少; 燃烧法沥青含量测试仪,因其方便快捷、**度较高等优点,被普遍应用于生产过程中,而德** 20 - 1100 型沥青混合料分析器刚刚被引进,主要用于科学研究,其智能化、高**度等优点有望得到广泛认可和大力推广。