集料顆粒形態(tài)特征對瀝青混合料高溫性能的影響

剛增軍

摘要：采用數(shù)字圖像處理技術(shù)及流動(dòng)時(shí)間法分別對粗集料和細(xì)集料的棱角性、圓度和紋理等形態(tài)特征進(jìn)行試驗(yàn)定量描述，并采用車轍試驗(yàn)來評價(jià)集料特性對瀝青混合料高溫性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著集料棱角性及圓度的增大及集料紋理的復(fù)雜程度增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提高；隨著細(xì)集料中河砂含量的增加，混合料高溫穩(wěn)定性降低，因此建議瀝青混合料中河砂含量不宜超過集料總量的20%。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；集料；形態(tài)特征

中圖分類號：U414.75文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The angularity， roundness and texture of coarse aggregate and fine aggregate were tested and described respectively through the digital image processing technology and the flow time method. The rutting test was used to evaluate the effect of aggregate characteristics on the high temperature performance of asphalt mixture. The results show that the high temperature stability of asphalt mixture improves when the angularity and roundness of aggregate increase and the texture is more complex； given that the increase in river sand will cause a drop in high temperature stability， a suggestion was made that the river sand should not exceed 20%.

Key words： asphalt mixture； high temperature stability； aggregate； morphological characteristic

0引言

車轍變形是瀝青路面主要的損壞形式，瀝青路面車轍病害除受溫度及荷載等外界因素的影響，還受到其他多方面因素的綜合作用。以往的許多研究集中在瀝青混合料原材料性能、骨料級配、瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)及路面車轍發(fā)生的機(jī)理等方面，關(guān)于集料自身的形態(tài)特性對瀝青混合料高溫性能影響的研究相對較少[13]。由于針片狀指數(shù)指標(biāo)受人為因素影響大，誤差易較大，且只能反映粗集料的形狀特性；所以越來越多的研究人員采用數(shù)字圖像處理技術(shù)等直接測量方法對粗集料的形態(tài)特征進(jìn)行測量，試驗(yàn)結(jié)果與混合料的路用性能具有良好的相關(guān)性[47]。

眾所周知，集料顆粒的形態(tài)特征對成型壓實(shí)后的瀝青混合料顆粒之間的相對位置起重要的作用。粗集料顆粒之間形成的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)是瀝青混合料高溫抗車轍能力的保證，穩(wěn)固的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)可以有效地抵抗混合料的高溫形變[810]。因此，粗集料的形態(tài)特征對瀝青混合料高溫性能有重要意義。

同樣作為瀝青混合料的組成成分，細(xì)集料的特性也影響著混合料的高溫性能，常用的細(xì)集料有機(jī)制砂、天然砂和石屑。天然砂由于呈渾圓狀，棱角性小，粘附性較差，使用過多無益于高溫性能，工程應(yīng)用中經(jīng)常被放棄，多使用棱角性較好的機(jī)制細(xì)集料。因此，細(xì)集料的棱角性及相對用量對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性具有重要的影響[1113]。本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)及流動(dòng)時(shí)間法對粗細(xì)集料的形態(tài)特征進(jìn)行分析，并研究粗集料形態(tài)特征及細(xì)集料中河砂摻量對瀝青混合料高溫性能的影響。

1試驗(yàn)材料及方案

1.1原材料

瀝青采用SK90號基質(zhì)瀝青，粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為機(jī)制砂和河砂。瀝青和集料的技術(shù)性能指標(biāo)均滿足施工技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求。

選取的AC13及AC16設(shè)計(jì)級配組成見表1，其中AC13瀝青混合料的油石比為45%，AC16混合料的油石比為48%。

1.2試驗(yàn)方案

為了保證粗集料形態(tài)特征對瀝青混合料性能影響分析試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，粗集料選用來自同一產(chǎn)地及批次的石灰?guī)r。用洛杉磯磨耗儀將石灰?guī)r分別磨耗0、500、750、1 000次，篩分出單一粒徑的石灰?guī)r，得到不同棱角性的粗集料。為避免砸碎集料，在磨耗時(shí)未加入鋼球。

當(dāng)磨耗次數(shù)從0次增加到500次的時(shí)候，粗集料的棱角性、圓度和紋理變化均較大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、車轍深度變化較為明顯，說明這段時(shí)間內(nèi)集料特性的變化對瀝青混合料高溫性能影響較明顯。粗集料棱角性、圓度、紋理對車轍深度的影響如圖4～6所示。由圖1～6可以看出，粗集料的棱角性指標(biāo)、圓度和表面紋理指標(biāo)與動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度的相關(guān)性較明顯，說明粗集料特性對瀝青混合料的高溫性能影響較顯著。由圖1～3可知，粗集料棱角性指標(biāo)、圓度及紋理指標(biāo)越大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度越大；由圖4～6可知，粗集料的棱角性指標(biāo)、圓度及紋理指標(biāo)越大，瀝青混合料的車轍深度越小，其高溫穩(wěn)定性越好。

3.1.2不同形態(tài)特征粗集料的性能影響分析

集料顆粒形狀對瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有重要影響，隨著粗集料棱角性指標(biāo)及骨料間的摩擦性增大，瀝青混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加；隨著磨耗次數(shù)增加，粗集料棱角性、圓度變差，顆粒間嵌擠作用減小，因此瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度降低。

隨著集料棱角性的減弱，集料顆粒變得圓滑，表面積減小，裹覆集料的結(jié)構(gòu)瀝青變少，相應(yīng)的自由瀝青變多，因此瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低[1920]。

磨耗次數(shù)在0～500次時(shí)，集料顆粒突起部分最先被磨掉，集料形態(tài)特征發(fā)生變化，使混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化較大；磨耗次數(shù)在500～1 000次時(shí)，集料顆粒的表面特性變化放緩，混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化較小。

3.2細(xì)集料形態(tài)特征對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

3.2.1不同形態(tài)細(xì)集料的高溫穩(wěn)定性

按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程對采用固定粗集料、不同比例河砂的細(xì)集料成型的AC13試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

當(dāng)河砂占集料的比例大于20%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度小于800 次·mm-1，不能滿足規(guī)范對集料動(dòng)穩(wěn)定度的要求，故建議河砂比例應(yīng)小于20%。

3.2.2不同形態(tài)細(xì)集料的性能影響分析

由于機(jī)制砂棱角性好，在外力的作用下豐富的棱角可以使粒料嵌擠作用加強(qiáng)；而河砂棱角性差，在外力的作用下礦料顆粒之間的抗剪切變形能力不足，因此動(dòng)穩(wěn)定度較低。

河砂棱角性小，顆粒圓滑一些，比表面積與機(jī)制砂相比較小。在瀝青用量相同的情況下，棱角性小的河砂混合料結(jié)構(gòu)瀝青含量少，自由瀝青含量多，因此動(dòng)穩(wěn)定度比棱角性較大一些的機(jī)制砂混合料小。

4結(jié)語

（1）瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨集料棱角性的增大而增大，車轍深度隨棱角性的增加而減??；棱角性好的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

（2）瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨集料圓度的增大而增大，車轍深度隨圓度的增加而減?。粓A度大的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

（3）瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨集料紋理復(fù)雜程度的增加而增大，車轍深度隨紋理復(fù)雜程度的增加而減小，紋理多的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

（4）細(xì)集料棱角性與混合料的高溫性能有較好的相關(guān)性，隨著細(xì)集料中河砂含量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降，建議瀝青混合料中河砂含量不宜超過集料總量的20%。

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