以微觀影像解析多孔隙瀝青混凝土耐久特性之研究

Microstructure Properties of PAC: Implications on Durability and Performance

葉銘欽(Ming-Chin Yeh)

指導教授 ： 林志棟

國立中央大學/工學院/土木工程學系/博士(2012年)

摘要

多孔隙瀝青混凝土具有排除自由水之效果主要原因為空隙含量高，然而高空隙含量下使得瀝青油膜與空氣接觸面積增加而加速瀝青老化，此外亦增加水侵害之機率而造成多孔隙瀝青混凝土鋪面劣化。本研究採PAC老化前後之瀝青膠泥物理性質及混合料之力學性質做為評估老化之方法。老化對瀝青膠泥性能參數之影響評估方法為瀝青膠泥之針入度、軟化點及流變行為；老化對PAC力學參數之影響評估方法為車轍輪跡試驗、磨耗試驗及回彈模數分析，另外以煮沸法、浸水殘餘強度試驗及浸水輪跡試驗做為評估水侵害作用。最後以量測之瀝青膠漿厚度及殘餘針入度比(RP)與相關評估老化之參數進行關聯性分析，藉以了解PAC老化後之服務績效。
另外，PAC之服務績效除考量材料組成特性對載重、老化、水侵害作用下之結構耐久性影響外，尚須考量PAC之功能性及安全性，其中功能性為透水率及減噪量，而安全性則為鋪面摩擦值。影響PAC功能性之重要因素為空隙率，因此，本研究利用電腦斷層掃瞄及影像處理技術探討PAC空隙之空間訊息，分析不同材料特性(瀝青膠泥等級、標稱粒徑)及夯實能量分析對空隙分布、不同載重次數下對PAC孔隙閉合以及孔隙率峰度對PAC耐久性之影響。影響鋪面摩擦力之關鍵因子為表面紋理，因此本研究以高解析度紋理掃描儀(High Definition Scan Texture Machine, HDSTM)進行不同載重次數之PAC試體2D紋理量測及英式擺錘儀(British Portable Tester, BPT)抗滑量測(British Portable Number, BPN)，藉由表面紋理及摩擦力試驗資料探討2D紋理與BPN間之關聯性。
研究結果顯示，採用高黏滯度之瀝青膠泥之PAC具有較厚之油膜厚度，且經由統計分析結果油膜厚度與級配組成、瀝青膠泥種類及填充料有關。實驗室模擬老化對PAC之影響得知，使用高黏滯度之改質瀝青老化程度較為緩慢，RP值為69-83，其餘材料之RP值為32-42。力學性質試驗方面，皆以採用高黏滯度之改質瀝青者較佳，流變試驗結果發現於60℃時，使用改質Ⅲ型瀝青膠泥之G*/Sinδ為最高，另外針對材料老化後之抗凍融分析，標稱粒徑12.5mm之PAC試驗結果較19.0mm者佳。
於X-ray CT掃描部分，藉由CT掃描後之圖像進行影像分析，藉由微觀觀察了解結構特性。分析結果得以量化連通孔隙率、半連通孔隙率及封閉孔隙率，量化結果顯示PAC試體孔隙中大部分為連通孔隙率，而半連通孔隙率及封閉孔隙率之總量小於1%。而不同夯實能量也造成試體孔隙分布不同，此外，標稱粒徑19.0mm之PAC孔隙率及連通孔隙率較12.5mm者多。最後由不同載重次數下之PAC表面紋理及摩擦力試驗結果得知，兩者變化之趨勢相同，於建構2D紋理參數與BPN之關聯性，均有達0.5之中度相關性，因受載後試體之紋理量測基準面會產生變化，若進行基準面修正，將可提高2D紋理參數與BPN之關聯性。

關鍵字

耐久特性 ； 多孔隙瀝青混凝土 ； 電腦斷層 ； 雷射紋理

並列摘要

The durability of porous asphalt concrete (PAC) is an important aspect when it comes to developing concrete mixtures. State-of-the-art technology design of PAC is based on the volumetric properties of the mixture. This approach ensures adequate mixture functionality, but it does not address the issue of the durability. The goal of this study is to characterize microstructure properties of PAC. Film thicknesses are observed and measured by polarized optical microscopy while spatial distribution and continuity of air voids are characterized using X-ray computed tomography and image analysis techniques. With the help of a high resolution scan texture machine that includes 2D laser charge-coupled device and British portable tester, the relationship between 2D texture and friction are established. We have developed a wide array of analytical tools for the characterization of the microstructure properties of PAC, which is key to design and simulations.

並列關鍵字

PAC ； Durability ； X-ray CT ； 2D texture and friction

參考文獻

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