盛三湘 陳宇亮 王巍偉

摘要：為了提升就地熱再生瀝青混合料的路用性能，以數(shù)字圖像處理技術進行集料識別為基礎，采用均勻性評價確定再生混合料的集料分布不均勻系數(shù)D、新集料分布不均勻系數(shù)H、孔隙分布不均勻系數(shù)K和試件的孔隙率V，通過正交試驗討論了RAP加熱溫度、RAP拌和時間、新瀝青混合料拌和溫度及新舊料混合時間對就地熱再生瀝青混合料均勻性的影響，對結果進行了極差分析和方差分析。結果表明：1）RAP加熱溫度和新舊料混合時間對試件均勻性和孔隙率大小的影響都極為顯著，宜控制在120～130 ℃;2）RAP拌和時間對試件均勻性影響較小，試件孔隙率隨RAP拌和時間的增加逐漸降低，可控制在90 s左右;3）新瀝青混合料溫度對瀝青混合料均勻性影響較小，而新舊料混合時間對瀝青混合料均勻性影響較大，新舊料混合時間應不小于90 s。研究成果可為瀝青路面就地熱再生技術的優(yōu)化提供參考。

關鍵詞：特種建筑材料;瀝青路面;就地熱再生;均勻性;加熱溫度;拌合時間

中圖分類號：U414文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03011

Abstract：In order to improve the performance of hot in-place recycling asphalt mixtures， based on the aggregate recognition of digital image processing technology， the coefficient D of non-uniformity of aggregate distribution of recycled aggregate mixtures， the coefficient H of non-uniformity of new aggregate distribution， the coefficient K of non-uniformity of void distribution and the voidage V of specimen were determined by uniformity evaluation， and the influence of the RAP heating temperature， RAP mixing time， mixing temperature of new asphalt mixtures and mixing time of recycling mixtures on the uniformity of geothermal reclaimed asphalt mixtures were discussed by orthogonal experiment. The results are analyzed by range analysis and variance analysis. The results show that： 1） RAP heating temperature has significant effects on the uniformity and voidage of specimens as well as the mixing time of new and used mixtures， which should be controlled within 120～130 ℃; 2） the RAP mixing time has little effect on the uniformity of the specimens， and the voidage of the specimen decreases gradually with the increase of RAP mixing time which can be controlled at about 90 s ; 3） the temperature of new asphalt mixture has little influence on the uniformity of asphalt mixtures， while the mixing time of new and used materials has great influence on the uniformity of asphalt mixtures. The mixing time of new and used materials should not be less than 90 s. The research results provide a reference for the optimization of geothermal regeneration technology of asphalt pavement.

Keywords：special building materials; asphalt pavement; hot in-place recycling; uniformity; heating temperature; mixing time

作為高速路面的主要形式，瀝青路面服役周期大約為10年，即每10年高速瀝青路面就要經歷一次大修[1]。常用的維修方法為銑刨重鋪，銑刨產生的大量廢棄瀝青混合料基本上是堆放處理，不僅占用土地，而且污染環(huán)境[2]。瀝青路面就地熱再生技術作為一種路面材料再生技術應運而生[3-6]，然而在應用過程中再生瀝青混合料的均勻性問題是較難解決的問題[7]。程培峰等[8]從混合料配比方面研究了細集料摻量對再生瀝青混合料均勻性及路用性能的影響，結果表明，細RAP比例為13%時，新混合料均勻性達到最佳;曾俐豪[9]針對混合料材料及配比，研究了舊瀝青老化時間和瀝青種類對新混合料的均勻性影響，并且從施工方面研究了不同的干拌時間對新混合料均勻性和路用性能的影響，得出各因素影響程度排序為舊瀝青老化時間>施工階段>瀝青種類;莊旭青[10]通過調整新料添加比例、拌和溫度、拌和時間和再生劑添加量等因素，研究了不同因素對新舊瀝青混溶效果的影響，結果表明，新混合料的添加比例對新舊瀝青的混溶度影響不大，拌和溫度對新舊瀝青的混溶度影響明顯，再生劑的添加和拌和時間的增加能有效提高新舊瀝青的混溶度。

影響瀝青混合料均勻性的因素很多，在設計階段，有混合料的類型、級配、最大公稱粒徑和油石比;在施工階段，有拌和時間、拌合方式、運輸方式、攤鋪溫度和壓實功[11-16]。目前，加熱溫度、拌和時間以及是否使用再生劑是影響就地熱再生瀝青混合料均勻性的關鍵因素。筆者通過室內試驗模擬現(xiàn)場施工條件，在成型馬歇爾試件時，控制RAP加熱溫度、RAP拌和時間、新瀝青混合料拌和溫度以及新舊料混合時間等4個因素，設計了簡單可行的正交試驗，以均勻性指標作為研究對象，定量分析就地熱再生瀝青混合料均勻性的影響因素。第3期盛三湘，等：就地熱再生瀝青混合料均勻性的影響因素研究河北工業(yè)科技第38卷

1均勻性評價指標

為分析就地熱再生瀝青混合料的二維結構特征，對瀝青混凝土的二維數(shù)字圖像進行識別分割。對再生混合料組成進行了簡化，如圖1所示。

1）集料再生瀝青混合料中能夠被DIP技術區(qū)分識別的集料，包括RAP中的集料，新加入的輝綠石集料，以及RAP中部分顆粒粒徑較大的細集料。

2）輝綠石集料新加入的輝綠巖集料，顆粒粒徑為4.75～13.2 mm。

3）孔隙未被集料和瀝青砂漿填充的部分。

4）瀝青砂漿除去上述3種組分后的部分，包括瀝青、填料和部分顆粒粒徑較細的集料。

集料識別通過數(shù)字圖像處理技術，首先對混合料界面進行圖像修剪和灰度化預處理;其次進行圖像分割，如圖2所示;最后進行圖像后處理，主要是對空洞進行填充，繼而進行形態(tài)學處理，確保完成均勻性評價的準備工作。

評價再生瀝青混合料均勻性的指標主要有集料分布均勻性、新舊料混合均勻性以及孔隙率均勻程度。試件的均勻性應該由試件的每一個截面均勻性決定，用各截面均勻性指標的均值反映。截面均勻性Dj，Hj和Kj通過Matlab對圖像的處理及計算得到。計算原理如圖1所示，將試件截面劃分成36個區(qū)域，可以獲取各個區(qū)域集料的像素個數(shù)，即集料所占據的面積，再計算劃分區(qū)域的像素面積，兩者相除可得各個區(qū)域的顆粒面積比Fij，對36個區(qū)域的Fij進行統(tǒng)計分析，計算Fij的標準差S。各個區(qū)域Fij的標準差S反映區(qū)域特性的離散程度，即集料的均勻程度。因此，可以把標準差S作為評價截面上集料的均勻性指標Dj，計算過程如下：

2試驗方案設計

考慮到影響因素較多，采用正交試驗，從中挑選有代表性的點進行試驗。通過室內試驗模擬現(xiàn)場施工條件，采用L9（34）正交表，做9次試驗，觀察4個因素的3個水平，如表1所示。

按照表1所示的正交試驗方案分別進行瀝青混合料的制備，并采用標準馬歇爾試驗進行試件成型，然后，對不同試件進行切割，拍照獲取界面圖像，通過Matlab圖像處理技術對成型試件進行處理分析，結合均勻性指標計算理論、Matlab識別和計算技術計算再生混合料的集料分布不均勻系數(shù)D、新集料分布不均勻系數(shù)H、孔隙分布不均勻系數(shù)K。同時，計算試件截面孔隙率Vj的平均值，以此作為試件的孔隙率V分析不同的試驗因素對試件孔隙率的影響。

3試驗結果分析

表2為正交試驗中9組試驗條件下制備、成型的再生瀝青混合料通過數(shù)字圖像處理技術和均勻性理論計算得到的不均勻系數(shù)D，H，K和孔隙率V。

3.1集料分布均勻性的影響因素分析

通過表2中的試件集料分布不均勻系數(shù)D，分析RAP加熱溫度、RAP拌和時間、新瀝青混合料溫度、新舊料混合時間對就地熱再生瀝青混合料集料均勻性的影響。

3.1.1極差分析

根據表1中正交試驗方案和表2的正交試驗結果中的不均勻系數(shù)D，計算不同條件下試件各因素的不均勻系數(shù)和極差，計算結果如表3所示。

從表3可知，RAP加熱溫度的極差最大，新瀝青混合料溫度的極差次之，RAP拌和時間極差最小。這說明RAP加熱溫度對不均勻系數(shù)D的影響最為顯著，新瀝青混合料溫度和新舊料混合時間對不均勻系數(shù)D的影響次之，RAP拌和時間對試件的集料不均勻系數(shù)D影響最小。

3.1.2因素指標分析

不均勻系數(shù)D隨RAP加熱溫度、RAP拌和時間、新瀝青混合料溫度和新舊料混合時間變化的效益指標如圖3所示。不均勻系數(shù)D越大，代表均勻性越差。因此，從圖3中可以看出，RAP加熱溫度越高，試件均勻性越好。RAP拌和時間在90 s以內時，時間越長，試件均勻性越好;拌和時間超過90 s后，拌和時間的增加對試件均勻性的提高沒有顯著效果。

3.1.3方差分析

不均勻系數(shù)D的方差分析如表4所示。

由表4可知，當檢驗水平α=0.1時，因素RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的統(tǒng)計量F大于F0.1。說明這2個因素對不均勻系數(shù)D的影響是顯著的，而RAP拌和時間和新舊料混合時間對混合料均勻性的影響較小。4個因素對不均勻系數(shù)D影響的次序是：RAP加熱溫度>新瀝青混合料溫度>新舊料混合時間>RAP拌和時間。

3.2新舊集料混合均勻性的影響因素分析

3.2.1極差分析

影響新舊集料混合均勻性因素的極差分析如表5所示。

由表5可知，在所有因素中，RAP加熱溫度的極差最大，新舊料混合時間次之，而RAP拌和時間和新瀝青混合料溫度因素的極差較小且沒有明顯差別。說明RAP加熱溫度對試件的不均勻系數(shù)H影響最為顯著，新舊料混合時間對試件的不均勻系數(shù)H影響次之，RAP拌和時間、新瀝青混合料溫度對試件的不均勻系數(shù)H幾乎沒有影響。

3.2.2因素指標分析

不均勻系數(shù)H的效益指標如圖4所示。隨著RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的升高、RAP拌和時間和新舊料混合時間的增長，不均勻系數(shù)H越來越小。不均勻系數(shù)H越小，表明新舊料混合越均勻，因此新舊料混合均勻性會隨著RAP加熱溫度和新瀝青混合料溫度的升高、RAP拌和時間和新舊料混合時間的增長而越來越好。

3.2.3方差分析

不均勻系數(shù)H的方差分析如表6所示。

由表6可知，當檢驗水平α=0.1時，因素RAP加熱溫度和新舊料混合時間的統(tǒng)計量F>F0.1，說明這2個因素對不均勻系數(shù)H的影響是顯著的，其他因素的影響不顯著，并且RAP加熱溫度的影響大于新舊料混合時間的影響。當檢驗水平α=0.05時，4個影響因素中只有RAP加熱溫度對不均勻系數(shù)H的影響是顯著的，其他因素的影響不顯著。

3.3孔隙分布的影響因素研究

3.3.1孔隙分布均勻性的影響因素研究

1）極差分析

影響孔隙分布因素的極差分析如表7所示。

通過表7可知，4個因素的極差大小非常接近，因此，4個因素對孔隙分布均勻性的影響程度比較接近，無法區(qū)分哪一個因素占主導地位。

2）因素指標分析

不均勻系數(shù)K的效益指標如圖5所示。

從圖5中可知，隨著RAP加熱溫度升高，不均勻系數(shù)K增大，其他因素的曲線不單調。不均勻系數(shù)K越大，代表均勻性越差，由因素指標分析得出結論：隨著RAP加熱溫度的升高，試件孔隙分布越不均勻。這和通常的理解是不一樣的，初步考慮是誤差的原因，進一步對不均勻系數(shù)K進行方差分析，以綜合考慮。

3）方差分析

不均勻系數(shù)K的方差分析如表8所示。

由表8可知，不管檢驗水平α多大，4個因素的統(tǒng)計量F都小于Fα，方差分析結果表明4個因素對不均勻系數(shù)K沒有顯著影響。

3.3.2孔隙率的影響因素研究

1）極差分析

影響孔隙率因素的極差分析如表9所示。

由表9可知，RAP加熱溫度的極差最大，RAP拌和時間的極差次之，其余因素的極差較小。說明RAP加熱溫度對試件孔隙率的影響最為顯著，RAP拌和時間對試件孔隙率的影響次之，而新瀝青混合料溫度、新舊料混合時間對試件孔隙率影響不大。

2）因素指標分析

分析因素指標能夠研究每種因素是如何影響指標的。試件孔隙率V的效益指標如圖6所示。

從圖6中可知，隨著RAP加熱溫度升高，RAP拌和時間的增長，孔隙率V越來越小。理論上分析，由于新料比例為20%，占比較少，試件孔隙主要由RAP決定，而RAP的分散效果尤為關鍵，RAP溫度過低，拌和時間較短，容易產生很多未分散的RAP團，并且RAP溫度過低也會影響最終再生混合料的溫度，導致?lián)魧嵭Ч患?，產生了較多的孔隙。

3）方差分析

試件孔隙率V的方差分析如表10所示。

由表10可知，當檢驗水平α=0.05時，RAP加熱溫度、RAP拌和時間的統(tǒng)計量F>Fα，說明這2個因素對試件孔隙率V的影響顯著，且RAP加熱溫度影響最大，拌和時間次之。其余因素對孔隙率的因素影響不顯著，誤差較大。

4結論

瀝青路面就地熱再生技術因可以減少環(huán)境污染、延長原有瀝青路面壽命、降低維修成本而被廣泛關注和使用，隨之而來的再生瀝青混合料的均勻性問題成為相關領域研究熱點。本文選取RAP加熱溫度、RAP拌和時間、新瀝青混合料溫度和新舊料混合時間4個因素進行正交試驗，通過對不均勻系數(shù)D，H，K和試件孔隙率V等性能指標的分析評價，得到如下結論。

1）RAP加熱溫度對試件集料分布均勻性、新舊料混合均勻性以及孔隙率的影響都極為顯著，對孔隙分布均勻性影響較小。隨著RAP加熱溫度升高，就地熱再生混合料集料分布越來越均勻，新舊料混合越來越均勻，孔隙率也越來越低，綜合試驗結果，RAP加熱溫度宜控制在120～130 ℃。

2）試件孔隙率隨著RAP拌和時間的增加逐漸降低，試件均勻性變化不大，通過試驗，建議RAP拌和時間控制在90 s左右。

3）新瀝青混合料溫度宜控制在160 ℃，此時集料分布均勻性較好，孔隙率達到最小值，新瀝青混合料溫度對新舊料混合均勻性、孔隙分布均勻性影響不大。

4）新舊料混合時間對新舊料混合均勻性影響較為顯著，對集料分布均勻性、孔隙分布均勻性以及孔隙率影響都不顯著。隨著新舊料混合時間增加，熱再生混合料均勻性也增加，混合時間應不小于90 s。

本文僅考慮了施工的外在因素，未能考慮材料的內在因素。后續(xù)應該繼續(xù)對使用不同材料、不同配比的就地熱再生瀝青混合料均勻性進行研究。

參考文獻/References：

[1]交通運輸部科技司.2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[R]. 北京：交通運輸部， 2019.

[2]張琛， 張翔. 低溫地區(qū)橡膠熱再生瀝青混合料的參數(shù)優(yōu)化及其工作性[J].公路工程，2020，45（1）：67-73.

ZHANG Chen， ZHANG Xiang. Parameter optimization of rubber hot recycled asphalt mixture and the workability study in low temperature regions[J].Highway Engineering，2020，45（1）：67-73.

[3]程培峰， 寇洪源.就地熱再生基質瀝青混合料拌和溫度與壓實溫度的研究[J].公路工程，2018，43（1）： 270-275.

CHENG Peifeng，KOU Hongyuan. Research on mixing temperature and compaction temperature of matrix asphalt mixture using hot in-place recycling technology[J].Highway Engineering，2018，43（1）： 270-275.

[4]PARK T. Causes of bleeding in a hot-in-place asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials， 2007，21（12）：2023-2030.

[5]仰建崗，姚玉權，孫晨.不同工況對就地熱再生瀝青混合料性能的影響[J].公路交通科技，2019，36（10）： 14-24.

YANG Jiangang，YAO Yuquan，SUN Chen.Influence of different working conditions on hot in-place recycled asphalt mixture performance[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2019，36（10）： 14-24.

[6]LIU Y， WANG H N， TIGHE S L， et al. Effects of preheating conditions on performance and workability of hot in-place recycled asphalt mixtures[J]. Construction and Building Materials， 2019， 226：288-298.

[7]VISLAVICIUS K， SIVILEVICIUS H. Effect of reclaimed asphalt pavement gradation variation on the homogeneity of recycled hot-mix asphalt[J]. Archives of Civil & Mechanical Engineering，2013，13（3）：345-353.

[8]程培峰， 向銀劍， 李炬輝， 等. RAP粒徑對熱再生瀝青混合料性能的影響研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版）， 2020， 39（6）： 81-86.

CHENG Peifeng，XIANG Yinjian，LI Juhui，et al.Influence of RAP particle size on the performance of hot recycled asphalt mixture[J].Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2020，39（6）： 81-86.

[9]曾俐豪. 廠拌熱再生混合料中新舊瀝青擴散及RAP分散特征研究[D]. 長沙：長沙理工大學，2019.

ZENG Lihao. Research on Diffusion of Recycled Bitumen and RAP Dispersion Characteristics in Hot Central Plant Recycled Mixture[D].Changsha： Changsha University of Science and Technology，2019.

[10]莊旭青.瀝青路面就地熱再生混溶和加熱關鍵技術試驗研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

ZHUANG Xuqing. Experimental Study on Key Technology of Hot-recycling Melt Coating and Heating for Asphalt Pavement[D].Guangzhou：South China University of Technology，2019.

[11]彭勇，孫立軍. 瀝青混合料均勻性影響因素的研究[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2006，34（1）： 59-63.

PENG Yong，SUN Lijun. Study on influence factors of homogeneity of asphalt mixture[J].Journal of Tongji University（ Natural Science）， 2006，34（1）： 59-63.

[12]馬濤，王真，趙永利，等.瀝青路面就地熱再生拌和分散性評價方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，43（12）： 128-131.

MA Tao，WANG Zhen，ZHAO Yongli， et al. Evaluation of dispersive performance of asphalt mixture during mixing of hot in-place recycling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2011，43（12）： 128-131.

[13]李雪連， 崔之靖， 呂新潮， 等. 就地熱再生瀝青混合料均勻性的細觀評價指標[J]. 中國公路學報， 2020，33（10）： 254-264.

LI Xuelian，CUI Zhijing，LYU Xinchao，et al. Mesoscale evaluation index for the homogeneity of hot in-place recycling asphalt mixture[J]. China Journal of Highway and Transport，2020，33（10）： 254-264.

[14]MA Y T， POLACZYK P， PARK H， et al. Performance evaluation of temperature effect on hot in-place recycling asphalt mixtures[J]. Journal of Cleaner Production， 2020.DOI：10.1016/j.jclepro.2020.124093.

[15]蘇麗娜， 賈曉敏， 謝冰. 集料組成對瀝青混合料均勻性影響的試驗分析及數(shù)值模擬[J]. 科技通報， 2017，33（11）： 116-120.

SU Lina，JIA Xiaomin，XIE Bing. Experimental analysis and numerical simulation on influence of aggregate composition on uniformity of asphalt mixture[J].Bulletin of Science and Technology， 2017，33（11）： 116-120.

[16]曾晟， 梁乃興， 薛軻， 等. 攤鋪瀝青路面集料均勻性數(shù)字圖像評價方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報， 2019，51（9）： 144-148.

ZENG Sheng，LIANG Naixing，XUE Ke，et al.Evaluating paving uniformity of asphalt pavement aggregate with digital image technique[J].Journal of Harbin Institute of Technology， 2019，51（9）： 144-148.