集料表觀形態(tài)與瀝青混合料性能相關(guān)性分析

袁 海

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

集料體積占瀝青混合料體積85%以上，集料質(zhì)量是決定混合料性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，其中集料表觀形態(tài)特征對(duì)瀝青混合料路用性能具有重要影響[1-3]。近年來，研究人員使用先進(jìn)的數(shù)字圖像分析系統(tǒng)[4-7]測(cè)量集料的表觀形態(tài)指標(biāo)，取得了大量研究成果。Arag?o等[8]提出，粗集料的幾何形狀與混合料抗車轍性能有明顯的相關(guān)性，同時(shí)，粗集料的表面紋理也對(duì)混合料性能有著明顯影響；Chen等[9]提出，相較針片狀或圓盤狀粗集料顆粒，形狀接近立方體的粗集料顆粒能夠有效提升SMA混合料抗車轍能力；Xie等[10]提出，細(xì)集料的幾何形狀和表面紋理同樣與混合料性能有明顯相關(guān)性；Bessa等[11]提出，基于現(xiàn)有研究成果，應(yīng)通過采用不同加工工藝生產(chǎn)的集料制備混合料，進(jìn)行試驗(yàn)來分析集料表觀形態(tài)對(duì)混合料性能的影響。

本文選用普通集料和廣東省中山集料廠精細(xì)加工工藝[12]生產(chǎn)的精細(xì)集料，采用集料圖像測(cè)試系統(tǒng)(AIMS Ⅱ)進(jìn)行表觀形態(tài)檢測(cè)，評(píng)價(jià)了普通集料和精細(xì)加工集料的表觀形態(tài)；制備AC-13混合料、SMA-13混合料，進(jìn)行高溫性能及水穩(wěn)定性測(cè)試，并通過灰關(guān)聯(lián)分析方法分析了各表觀形態(tài)指標(biāo)對(duì)混合料性能的影響程度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

瀝青選用克拉瑪依牌70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗、細(xì)集料選用廣東省河源市輝綠巖碎石，分別采用普通工藝和精細(xì)加工工藝加工而成；礦粉選用廣東省云浮市石灰?guī)r碎石磨制而成，集料及礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求[13]。

表1瀝青技術(shù)指標(biāo)
Table1Asphalt technical indicators

性能指標(biāo)70#基質(zhì)瀝青SBS改性瀝青針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm69.377.2延度(15℃,5cm·min-1)/cm16640.3軟化點(diǎn)/℃52.871.3

1.2 級(jí)配選擇

選用AC-13瀝青混合料和SMA-13瀝青混合料，混合料級(jí)配如表2所示。

表2混合料級(jí)配組成
Table2Asphalt mixture gradation(by mass)

混合料類型油石比/%通過下列篩孔(方孔篩,mm)的礦料質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-134.710095765337271914116SMA-136.0100996427211815131210

1.3 AIMS測(cè)試系統(tǒng)

如圖1所示，集料圖像測(cè)試系統(tǒng)AIMS Ⅱ是一套可以客觀反映并測(cè)量集料各項(xiàng)表觀特性的測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)集集料圖像采集模塊和數(shù)據(jù)分析程序?yàn)橐惑w，可以測(cè)量采集集料的表觀信息，并對(duì)集料的各項(xiàng)表觀信息進(jìn)行分析計(jì)算，將其轉(zhuǎn)換為直觀的數(shù)據(jù)，供研究人員進(jìn)行研究分析。該系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩部分組成。圖像采集系統(tǒng)主要由高倍率的照相機(jī)、集料托盤、照明系統(tǒng)和顯微鏡構(gòu)成；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和分析軟件構(gòu)成。對(duì)采樣圖像進(jìn)行分析，并利用Excel對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，按照規(guī)定的格式輸出各項(xiàng)形狀特征的累積分布曲線，同時(shí)可以直觀地顯示出集料顆粒的個(gè)數(shù)、各項(xiàng)指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，方便在試驗(yàn)后對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和提取。

AIMS Ⅱ具有多種測(cè)試模式，其中測(cè)量集料表觀特性的模式為shape模式。Shape模式下測(cè)量集料表觀特性可以分為2類：一種是對(duì)粗集料(≥2.36 mm)進(jìn)行測(cè)試分析，得到粗集料的棱角、紋理、球度和長細(xì)比指標(biāo)；另一種是對(duì)細(xì)集料(<2.36 mm)進(jìn)行測(cè)試分析，得到細(xì)集料的棱角和二維形狀指標(biāo)。紋理指標(biāo)在灰度圖模式下分析得到，其余指標(biāo)在黑白圖像模式下分析得到。

圖1 集料圖像測(cè)試系統(tǒng)(AIMS Ⅱ)Fig 1 Aggregate image measurement system (AIMS Ⅱ)

1.4 集料表觀形態(tài)指標(biāo)

集料的形態(tài)特征可用形狀、棱角性和表面紋理等3個(gè)特征分量具體描述[14]。本文所用的集料圖像測(cè)試系統(tǒng)(AIMS Ⅱ)通過二維形狀指數(shù)、球度指數(shù)2個(gè)形狀指標(biāo)，以及棱角性指數(shù)、紋理指數(shù)，對(duì)集料表觀形態(tài)進(jìn)行描述。

1.4.1 二維形狀指數(shù)(F)

二維形狀指數(shù)用于描述細(xì)集料二維形狀，其數(shù)值范圍為[0,20]，當(dāng)集料顆粒的二維形狀為圓形時(shí)該指數(shù)等于0。

(1)

式中：θ為方向角；Rθ為集料在角度為θ處的半徑；△θ為測(cè)量時(shí)的角度差值。

1.4.2 棱角性指數(shù)(IGa)

在思想政治理論課教學(xué)中，教師要不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，選擇一些有典型作用的材料，進(jìn)行有效的改革和創(chuàng)新。只有培養(yǎng)、激發(fā)出學(xué)生的求知欲和好奇心，學(xué)生才會(huì)自動(dòng)地學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)理由。同時(shí)，教學(xué)過程中的師生對(duì)話也是不可忽視的，教師應(yīng)該為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出一種民主、平等、寬松與和諧的氛圍，從而使學(xué)生能在融洽的氛圍中感到安全，進(jìn)而與與同學(xué)、老師、文本進(jìn)行對(duì)話。教師還要入情入理地回答他們?cè)诹⒅?、交友、戀愛、就業(yè)、成才、做人等方面所面對(duì)的理由及困惑，開展有針對(duì)性地思想政治教育，在一定程度上使思想政治理論課的親和力得到增強(qiáng)?！?〕

棱角性指數(shù)反映集料棱角性大小，采用梯度方法定量表征粗、細(xì)集料顆粒的大小及其輪廓的變化。其數(shù)值范圍為[0,10 000]，棱角性指數(shù)為0表示該集料顆粒為無棱角的圓形。

(2)

式中：i為集料輪廓線上采集的第i個(gè)點(diǎn)；n為集料輪廓線上所采集點(diǎn)的總數(shù)；θi為集料輪廓上第i個(gè)點(diǎn)的傾斜角。

1.4.3 紋理指數(shù)(ITx)

紋理指數(shù)反映粗集料顆粒表面的粗糙程度，采用小波分析方法，分解集料圖像，在橫向、縱向、斜向等3個(gè)不同圖像中描述集料表面紋理，計(jì)算特定分解度下的小波系數(shù)作為紋理指數(shù)，其數(shù)值范圍為[0,1 000]，該指數(shù)為0時(shí)表示集料顆粒表面完全光滑。

(3)

式中：D為圖像分解方程；N為單個(gè)圖像中的小波系數(shù)的總數(shù)；i為圖像編號(hào)，取值為1、2、3；j為小波系數(shù)指數(shù)；(x,y)為小波系數(shù)在變換域中的坐標(biāo)。

1.4.4 球度指數(shù)(ISp)

球度指數(shù)用于描述粗集料的三維形狀，其數(shù)值范圍為[0,1]。球度指數(shù)為1表示該集料各方向長度相等，是一個(gè)球體。

(4)

式中：dS為集料最短方向尺寸；dI為集料中間方向尺寸；dL為集料最長方向尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將不同粒徑的精細(xì)加工集料和普通集料按1∶1配合，制成特定組合集料，并利用AIMS Ⅱ系統(tǒng)測(cè)試不同粒徑特定組合集料的表觀形態(tài)。為反映不同級(jí)配的瀝青混合料中集料表觀形態(tài)的整體變化，將不同粒徑集料的表觀形態(tài)測(cè)試值按各自在不同級(jí)配混合料中的占比進(jìn)行加權(quán)平均，得到該級(jí)配混合料的集料表觀形態(tài)指標(biāo)綜合值[15]，如表3所示。

表3集料表觀形態(tài)測(cè)試結(jié)果
Table3Aggregate shape properties test results

混合料類型集料表觀形態(tài)指標(biāo)二維形狀指數(shù)棱角性指數(shù)紋理指數(shù)球度指數(shù)AC-13J6.51829416280.731AC-13T6.45428366120.719AC-13P6.39125905760.649SMA-13J6.52427336250.730SMA-13T6.46126906020.653SMA-13P6.39825265790.645

注：J表示集料類型為精細(xì)加工集料；T表示集料類型為特定組合集料；P表示集料類型為普通集料。

由表3、表4可知，對(duì)比不同集料制備的混合料，集料表觀形態(tài)指標(biāo)、動(dòng)穩(wěn)定度(60 ℃)、浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比的大小關(guān)系均為：AC-13J>AC-13T>AC-13P，SMA-13J>SMA-13T>SMA-13P；對(duì)比AC-13混合料和SMA-13混合料，精細(xì)加工集料的棱角性指數(shù)、紋理指數(shù)、球度指數(shù)較普通集料均有一定提升，AC-13混合料的三個(gè)集料表觀形態(tài)指標(biāo)分別提高了13.6%、9.0%、12.6%，SMA-13混合料的三個(gè)表觀形態(tài)指標(biāo)分別提高了8.2%、7.9%、13.1%。

表4路用性能測(cè)試結(jié)果
Table4Performance test results

混合料類型動(dòng)穩(wěn)定度(60℃)/(次·mm-1)MS0/%TSR/%AC-13J1957 82.181.6AC-13T1799 76.375.2AC-13P1604 72.171.6SMA-13J10568 95.592.0SMA-13T8762 88.586.5SMA-13P7514 79.375.9

注：MS0代表浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度;TSR代表凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比。

研究結(jié)果表明：(1)精細(xì)加工工藝能夠在一定程度上改善集料的表觀形態(tài)；(2)相較普通集料制備的混合料，精細(xì)加工集料制備的混合料的路用性能均有不同程度的提升，尤其是相較SMA-13P，SMA-13J的動(dòng)穩(wěn)定度提高了40.6%；(3)在普通集料中摻加精細(xì)加工集料制成特定集料，其表觀形態(tài)指標(biāo)優(yōu)于普通集料，特定集料制備的混合料的路用性能指標(biāo)同樣優(yōu)于普通集料制備的混合料。

3 關(guān)鍵影響因素分析

灰關(guān)聯(lián)分析是研究系統(tǒng)中各因素關(guān)聯(lián)程度的方法。通過一定數(shù)據(jù)處理,在隨機(jī)因素序列中找到其關(guān)聯(lián)性,提煉出影響系統(tǒng)的主要因素和因素間對(duì)系統(tǒng)影響的差別[16]?；谊P(guān)聯(lián)度計(jì)算如下：

(1)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

X為灰關(guān)聯(lián)因子集，X0∈x為參考列，Xi∈x(i=1,2,…，m)為比較列。比較列與參考列間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

ξi[x0(k),xi(k)]=

(5)

(2)灰關(guān)聯(lián)度

(6)

3.1 高溫穩(wěn)定性分析

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)表3、表4中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初值化處理，以動(dòng)穩(wěn)定度(60 ℃)作為參考序列，計(jì)算得出二維形狀指數(shù)、棱角性指數(shù)、紋理指數(shù)、球度指數(shù)等4個(gè)影響因素的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度，如表5所示。

表5以動(dòng)穩(wěn)定度為參考序列的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度
Table5Grey correlation coefficient and grey relations with dynamic stability as reference sequence

影響因素混合料類型AC-13JAC-13TAC-13PSMA-13JSMA-13TSMA-13P灰關(guān)聯(lián)度二維形狀指數(shù)10.9690.9330.3370.3910.4390.678棱角性指數(shù)10.9800.9730.3330.3860.4290.684紋理指數(shù)10.9760.9580.3370.3880.4340.682球度指數(shù)10.9720.9700.3370.3840.4300.682

各影響因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響程度如圖2所示。

圖2 各因素與動(dòng)穩(wěn)定度間的灰關(guān)聯(lián)度Fig 2 Grey correlation between different factors and dynamic stability

由圖2可知，各影響因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度影響大小為：棱角性指數(shù)>球度指數(shù)/紋理指數(shù)>二維形狀指數(shù)，各影響因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)度均大于0.6，說明集料表觀形態(tài)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響顯著，其中，棱角性指數(shù)對(duì)高溫穩(wěn)定性影響最大。

結(jié)合表3、表4分析，對(duì)于同種級(jí)配，隨集料棱角性指數(shù)的增加，集料的微觀棱角性更加豐富，骨料間的摩擦性顯著增大，混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，動(dòng)穩(wěn)定度增加；對(duì)比不同級(jí)配，AC-13的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)小于SMA-13的動(dòng)穩(wěn)定度，二者均隨集料棱角性指數(shù)下降而明顯下降，SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度下降尤為明顯，相較密級(jí)配混合料AC-13，集料外形變化對(duì)間斷級(jí)配混合料SMA-13性能的影響更為顯著。

3.2 水穩(wěn)定性分析

以浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比作為參考序列，計(jì)算得出各因素灰關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰關(guān)聯(lián)度，如表6、表7所示。

表6以浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度為參考序列的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度
Table6Grey correlation coefficient and grey relations with MS0as reference sequence

影響因素混合料類型AC-13JAC-13TAC-13PSMA-13JSMA-13TSMA-13P灰關(guān)聯(lián)度二維形狀指數(shù)10.660.530.420.570.880.678棱角性指數(shù)10.770.980.330.420.520.670紋理指數(shù)10.720.750.410.490.730.684球度指數(shù)10.680.920.420.390.580.666

表7以凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比為參考序列的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度
Table7Grey correlation coefficient and grey relations with TSR as reference sequence

影響因素混合料類型AC-13JAC-13TAC-13PSMA-13JSMA-13TSMA-13P灰關(guān)聯(lián)度二維形狀指數(shù)10.590.490.440.590.660.628棱角性指數(shù)10.700.970.330.410.580.665紋理指數(shù)10.650.710.430.490.920.702球度指數(shù)10.620.910.430.370.670.667

各影響因素對(duì)兩個(gè)水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度分別如圖3、圖4所示。

圖3 各因素與浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度間的灰關(guān)聯(lián)度Fig 3 Grey correlation between different factors and MS0

圖4 各因素與凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比間的灰關(guān)聯(lián)度Fig 4 Grey correlation between different factors and TSR

由圖3、圖4可知，各影響因素對(duì)浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度影響的大小依次為：紋理指數(shù)>二維形狀指數(shù)>棱角性指數(shù)>球度指數(shù)；對(duì)凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比的影響大小依次為：紋理指數(shù)>球度指數(shù)>棱角性指數(shù)>二維形狀指數(shù)；各影響因素對(duì)兩個(gè)水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)度均大于0.6。說明集料表觀形態(tài)對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響顯著，其中，紋理指數(shù)對(duì)水穩(wěn)定性影響最大。集料表面紋理越粗糙，比表面積越大，瀝青與集料的接觸面積增加，有利于形成較厚的瀝青膜，使瀝青不易從集料表面脫落，保證瀝青混合料的骨架強(qiáng)度，提高其抗水損害能力。

4 結(jié) 論

(1)不同加工工藝生產(chǎn)出的集料的表觀形態(tài)存在差異，與普通集料相比，精細(xì)加工集料形狀飽滿，紋理及棱角性均有所提高。

(2)相較普通集料制備的混合料，精細(xì)加工集料制備的混合料整體結(jié)構(gòu)性更好，內(nèi)部集料顆粒間嵌擠、摩擦作用強(qiáng)，瀝青與集料間的機(jī)械粘附力強(qiáng)，其高溫性能和抗水損害能力強(qiáng)，具有更好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。

(3)通過灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，集料的4個(gè)表觀形態(tài)指標(biāo)中，對(duì)混合料高溫性能影響最大的是棱角性指數(shù)；對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響最大的是紋理指數(shù)。因此選用多棱角、表面粗糙的集料制備瀝青混合料，其高溫抗車轍能力和抗水損害能力更好。