集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響

剛增軍

摘要：采用數字圖像處理技術及流動時間法分別對粗集料和細集料的棱角性、圓度和紋理等形態特征進行試驗定量描述，并采用車轍試驗來評價集料特性對瀝青混合料高溫性能的影響。試驗結果顯示：隨著集料棱角性及圓度的增大及集料紋理的復雜程度增加，瀝青混合料的高溫穩定性提高；隨著細集料中河砂含量的增加，混合料高溫穩定性降低，因此建議瀝青混合料中河砂含量不宜超過集料總量的20%。

關鍵詞：瀝青混合料；高溫穩定性；集料；形態特征

中圖分類號：U414.75文獻標志碼：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、瀝青路面內部結構及路面車轍發生的機理等方面，關于集料自身的形態特性對瀝青混合料高溫性能影響的研究相對較少[13]。由于針片狀指數指標受人為因素影響大，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字圖像處理技術等直接測量方法對粗集料的形態特征進行測量，試驗結果與混合料的路用性能具有良好的相關性[47]。

眾所周知，集料顆粒的形態特征對成型壓實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構是瀝青混合料高溫抗車轍能力的保證，穩固的嵌擠骨架結構可以有效地抵抗混合料的高溫形變[810]。因此，粗集料的形態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，細集料的特性也影響著混合料的高溫性能，常用的細集料有機制砂、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，工程應用中經常被放棄，多使用棱角性較好的機制細集料。因此，細集料的棱角性及相對用量對瀝青混合料高溫穩定性具有重要的影響[1113]。本文采用數字圖像處理技術及流動時間法對粗細集料的形態特征進行分析，并研究粗集料形態特征及細集料中河砂摻量對瀝青混合料高溫性能的影響。

1試驗材料及方案

1.1原材料

瀝青采用SK90號基質瀝青，粗集料為石灰巖，細集料為機制砂和河砂。瀝青和集料的技術性能指標均滿足施工技術規范的技術要求。

選取的AC13及AC16設計級配組成見表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試驗方案

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

當磨耗次數從0次增加到500次的時候，粗集料的棱角性、圓度和紋理變化均較大，瀝青混合料的動穩定度、車轍深度變化較為明顯，說明這段時間內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、圓度和表面紋理指標與動穩定度和車轍深度的相關性較明顯，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、圓度及紋理指標越大，瀝青混合料的動穩定度越大；由圖4～6可知，粗集料的棱角性指標、圓度及紋理指標越大，瀝青混合料的車轍深度越小，其高溫穩定性越好。

3.1.2不同形態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構強度有重要影響，隨著粗集料棱角性指標及骨料間的摩擦性增大，瀝青混合料的結構穩定性增加；隨著磨耗次數增加，粗集料棱角性、圓度變差，顆粒間嵌擠作用減小，因此瀝青混合料動穩定度降低。

隨著集料棱角性的減弱，集料顆粒變得圓滑，表面積減小，裹覆集料的結構瀝青變少，相應的自由瀝青變多，因此瀝青混合料的動穩定度降低[1920]。

磨耗次數在0～500次時，集料顆粒突起部分最先被磨掉，集料形態特征發生變化，使混合料動穩定度變化較大；磨耗次數在500～1 000次時，集料顆粒的表面特性變化放緩，混合料動穩定度變化較小。

3.2細集料形態特征對瀝青混合料高溫穩定性的影響

3.2.1不同形態細集料的高溫穩定性

按照相關試驗規程對采用固定粗集料、不同比例河砂的細集料成型的AC13試件進行車轍試驗，結果見表5。

當河砂占集料的比例大于20%時，動穩定度小于800 次·mm-1，不能滿足規范對集料動穩定度的要求，故建議河砂比例應小于20%。

3.2.2不同形態細集料的性能影響分析

由于機制砂棱角性好，在外力的作用下豐富的棱角可以使粒料嵌擠作用加強；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，因此動穩定度較低。

河砂棱角性小，顆粒圓滑一些，比表面積與機制砂相比較小。在瀝青用量相同的情況下，棱角性小的河砂混合料結構瀝青含量少，自由瀝青含量多，因此動穩定度比棱角性較大一些的機制砂混合料小。

4結語

（1）瀝青混合料的動穩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小；棱角性好的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

（2）瀝青混合料的動穩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小；圓度大的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

（3）瀝青混合料的動穩定度隨集料紋理復雜程度的增加而增大，車轍深度隨紋理復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）細集料棱角性與混合料的高溫性能有較好的相關性，隨著細集料中河砂含量的增加，瀝青混合料的動穩定度下降，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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[責任編輯：王玉玲]