集料細(xì)觀形態(tài)變異性及其瀝青混合料性能研究

張登峰 程 明 崔培德 陳美祝

(武漢工大土木工程檢測(cè)有限公司1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070)

0 引 言

瀝青混合料中,集料在質(zhì)量和體積方面均占總數(shù)的90%以上,是瀝青混合料中最重要的組成材料之一,其理化性能會(huì)顯著影響影響瀝青混合料的路用性能[1].

集料的性質(zhì)可主要分為以下兩種類型:集料的原生資源特性(如化學(xué)組成、磨光值、密度、吸水率等)和加工特性(如石料的針片狀顆粒含量、含泥量、棱角性、粗糙度等).其中,集料的形態(tài)學(xué)特征影響著瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)指標(biāo),是集料中不可忽視的重要性質(zhì)[2-3].集料的形態(tài)特征主要包括形狀、棱角性和表面紋理三個(gè)方面.美國(guó)公路戰(zhàn)略研究(SHRP)計(jì)劃中表明,屬于細(xì)觀形態(tài)特征的棱角性和紋理被是決定混合料性能的主要形態(tài)因素[4].

研究人員就集料形態(tài)特征及其與瀝青混合料性能之間的聯(lián)系展開了研究.張磊[5]探究了瀝青混合料中針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混凝土性能的影響,結(jié)果表明:針片狀顆粒含量的增加對(duì)瀝青混合料各溫度域的力學(xué)性能均產(chǎn)生了負(fù)面的影響.趙振軍[6]的研究表明:粗集料的棱角性與瀝青混凝土的高溫性能、低溫抗裂性能和抗滑性能成正相關(guān),而與抗水損害性能成負(fù)相關(guān).Cui等[7]通過(guò)手工選型的方法,控制了集料的單一形態(tài)學(xué)變量,發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著棱角性的增加呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì),隨著球形度的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì).劉林[8]的研究表明:集料的表面紋理增加會(huì)顯著加強(qiáng)瀝青混合料的抗滑性能.

文中基于集料圖像分析技術(shù),探究集料的表面紋理和棱角性在磨損和沖擊過(guò)程中的變異性,明確集料細(xì)觀形貌特征參數(shù)與瀝青混合料服役性能的相關(guān)性.

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

原材料包括SBS改性瀝青,針入度52(0.1 mm)、針入度指數(shù)0.7、軟化點(diǎn)89℃、延度38 cm(5℃)、黏度2.3 Pa·s(135℃).玄武巖集料,相對(duì)密度2.9、吸水率0.6%、壓碎值11.2%、洛杉磯磨耗值10.9%、黏附性等級(jí)4級(jí).石灰石礦粉填料,相對(duì)密度2.7、親水系數(shù)0.6.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用AC-13型瀝青混凝土,它屬于典型的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu).細(xì)集料、礦粉和瀝青組成的瑪蹄脂填充在粗集料之間的空隙中,形成密實(shí)不透水的整體結(jié)構(gòu),具有抗水損害性能強(qiáng),難離析的優(yōu)點(diǎn).AC-13型瀝青混凝土的級(jí)配曲線見圖1.通過(guò)馬歇爾級(jí)配設(shè)計(jì)方法,該瀝青混凝土對(duì)應(yīng)的最佳油石比為4.7%,其主要體積性能為:毛體積相對(duì)密度2.56,最大理論相對(duì)密度2.68,空隙率4.4%,礦料間隙率15.9%,瀝青飽和度71.6%,均滿足文獻(xiàn)[9]中對(duì)體積性能的要求.

圖1 AC-13型瀝青混凝土的級(jí)配曲線

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1集料形貌

借助洛杉磯磨耗試驗(yàn)儀對(duì)9.5～13.2 mm的粗集料進(jìn)行沖擊和磨耗處理.磨耗過(guò)程按照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行,設(shè)置磨耗轉(zhuǎn)數(shù)分別為0、300、600、900、1 200和1 500 r/min,每次進(jìn)行處理的樣品質(zhì)量為5 kg.此外,為了避免在磨耗過(guò)程中集料破碎從而影響粒徑分布,在磨耗過(guò)程中沒有添加鋼球.不同磨耗轉(zhuǎn)數(shù)后的集料,分別被用于制備瀝青混凝土,因此共有六種混凝土類型.

采用集料圖像分析系統(tǒng)(AIMS)表征梯度磨耗后玄武巖集料的棱角性和表面紋理.在儀器的內(nèi)置算法中,集料棱角性的取值范圍是0～10 000,數(shù)值越大,表示集料顆粒的棱角性約豐富;表面紋理的取值范圍為0～1 000,數(shù)值越大,集料表面的紋理越粗糙.AIMS中的棱角性指數(shù)和紋理指數(shù)的說(shuō)明見圖2.

圖2 集料棱角性指數(shù)和紋理參數(shù)圖解[11]

儀器給出了集料棱角紋理復(fù)合指數(shù)(CAAT),將棱角和紋理進(jìn)行整合,反正集料的整體細(xì)觀形貌.計(jì)算公式為

CAAT=10×TX+0.5×GA

(1)

式中:TX為集料的表面紋理參數(shù);GA為集料的棱角性指數(shù).

1.3.2高溫性能

采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能,試驗(yàn)過(guò)程按照文獻(xiàn)[12](以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)規(guī)程)進(jìn)行.瀝青混合料的車轍試驗(yàn)是瀝青混合料在60℃和0.7 MPa的荷載條件下,測(cè)定由膠輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的車轍形變,并以動(dòng)穩(wěn)定度,即1 mm深度形變的需要的往復(fù)次數(shù)表示試驗(yàn)結(jié)果.動(dòng)穩(wěn)定度越大,表明高溫性能越好.動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算公式為

DS=630/(d60-d45)

(2)

式中:DS為動(dòng)穩(wěn)定度,次/mm;d60和d45分別為60和45 min時(shí)的車轍深度,mm.

1.3.3低溫性能

采用半圓彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)由不同細(xì)觀形態(tài)特征的集料制備而成的瀝青混凝土的低溫抗裂性能.試驗(yàn)樣品見圖3,它為半徑50 mm、厚度30 mm的半圓,且為具有為統(tǒng)一裂紋走向,留出了2 mm×10 mm的凹槽.借助萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件在-10℃的溫度下進(jìn)行彎曲試驗(yàn),最大拉伸強(qiáng)度為

圖3 半圓彎曲試驗(yàn)示意圖

σ=6PL/tD2

(3)

式中:σ為彎拉強(qiáng)度,MPa;P為荷載峰值,N;L為試件底座間距離,mm;t和D分別為試件厚度和直徑,mm.

1.3.4水損害性能

采用凍融劈裂試驗(yàn),對(duì)由不同細(xì)觀形態(tài)特征的集料制備而成的瀝青混凝土的水損害性能進(jìn)行測(cè)試.將待測(cè)試樣分為兩組,第一組在25℃的水槽中保溫2 h后測(cè)劈裂強(qiáng)度;第二組經(jīng)過(guò)真空飽水后,在-18℃下保溫16 h,在置于60℃水浴中24 h,在25℃的水槽中保溫2 h后測(cè)劈裂強(qiáng)度.試樣的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比為

TSR=PT2h1/PT1h2

(4)

式中:PT1和PT2分別為第一組試件和第二組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度;h1和h2分別為第一組試件和第二組試件的高度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 集料形貌結(jié)果

不同磨耗轉(zhuǎn)數(shù)后集料的棱角和紋理特征見圖4.由圖4可知:隨著磨耗次數(shù)的增加,集料的棱角特征逐漸減弱,集料邊緣的銳度持續(xù)降低,經(jīng)過(guò)1 500次的磨耗之后,集料輪廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圓形或類橢圓形.同時(shí),隨著磨耗次數(shù)的增加,集料的表面紋理特征也逐漸消失,表面變得越來(lái)越光滑.集料在不同磨耗轉(zhuǎn)數(shù)后的棱角性指數(shù)、紋理指數(shù)和棱角紋理復(fù)合指數(shù)三種細(xì)觀形態(tài)參數(shù)見表1,由表1可知:三種細(xì)觀形態(tài)參數(shù)隨著磨耗轉(zhuǎn)數(shù)的增加都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),這與圖4中觀察到的現(xiàn)象一致.此外,在磨耗次數(shù)達(dá)到900之后,集料的棱角性指數(shù)變化速度顯著放緩,轉(zhuǎn)數(shù)從900 r/min增加到1 200 r/min的過(guò)程中,棱角性參數(shù)僅減小了3.8%,說(shuō)明棱角性的變化在900 r/min轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)已經(jīng)到達(dá)了平臺(tái)期.另一方面,在磨耗次數(shù)達(dá)到1 200之后,集料的紋理指數(shù)變化速度變慢,轉(zhuǎn)數(shù)從1 200增加到1 500的過(guò)程中,紋理指數(shù)僅減小了2.6%,表明集料的紋理指數(shù)平臺(tái)期在1 200轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn).

表1 不同磨耗轉(zhuǎn)數(shù)后集料的細(xì)觀形態(tài)參數(shù)

圖4 不同磨耗轉(zhuǎn)數(shù)后集料的棱角和紋理特征

2.2 高溫性能結(jié)果

棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料高溫性能相關(guān)性分析結(jié)果見圖5.由圖5可知:隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增加,試樣的動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),且上升速度相對(duì)均勻.棱角紋理復(fù)合指數(shù)和瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度之間有明顯的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96.這是因?yàn)殡S著集料棱角性增加,集料顆粒的棱角會(huì)使得礦料骨架的內(nèi)摩擦力增大,從而增強(qiáng)了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu);另一方面,紋理指數(shù)的提高了顆粒的比表面積,使其形成了更多的結(jié)構(gòu)瀝青,從而增加了抵抗高溫變形的能力.此外,經(jīng)過(guò)1 200磨耗轉(zhuǎn)數(shù)之后,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不再滿足規(guī)范中>3 000次/mm的要求.根據(jù)圖中的線性回歸方程,計(jì)算出動(dòng)穩(wěn)定度3 000 次/mm時(shí)對(duì)應(yīng)的棱角紋理復(fù)合指數(shù)為6 289.0,當(dāng)棱角紋理復(fù)合指數(shù)小于此數(shù)值時(shí),瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性便不滿足要求.此臨界數(shù)值可用于瀝青混合料的前期設(shè)計(jì),對(duì)高溫穩(wěn)定性做出初步判斷.

圖5 棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料高溫性能相關(guān)性

2.3 低溫性能結(jié)果

棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料低溫性能相關(guān)性分析結(jié)果見圖6.

圖6 棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料低溫性能相關(guān)性

由圖6可知:隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增加,試樣的動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).棱角紋理復(fù)合指數(shù)和瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度之間具有一定的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.89.造成這種負(fù)相關(guān)性的的主要原因可能是,在低溫的環(huán)境下,瀝青混合料變硬變脆,從半彈性體向彈性體轉(zhuǎn)變,當(dāng)集料的細(xì)觀形態(tài)結(jié)構(gòu)較大時(shí),導(dǎo)致瀝青混合料的空隙上升.由于試件的橫截面積一定,細(xì)觀空隙增大使得試件的有效橫截面積減小,承受彎拉荷載的能力也隨之減弱.因此,低溫性能的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為彎拉強(qiáng)度隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增大而減小.

2.4 抗水損害性能結(jié)果

棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料水損害性能相關(guān)性分析結(jié)果見圖7.由圖7可知:隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增加,試樣的抗水損害呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).棱角紋理復(fù)合指數(shù)和瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比之間有明顯的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.93.造成這種現(xiàn)象的主要原因是集料的棱角和紋理等細(xì)觀形貌提高了顆粒的比表面積,集料粗糙的表面使得瀝青和集料之間的接觸面積更大,從而導(dǎo)致瀝青和集料之間的黏結(jié)作用增強(qiáng),因此,水損害性能的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增大而增大.此外,經(jīng)過(guò)1 200磨耗轉(zhuǎn)數(shù)之后,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比不再滿足規(guī)范中>80%的要求.根據(jù)圖中的線性回歸方程,計(jì)算出凍融劈裂抗拉強(qiáng)度為80%時(shí)對(duì)應(yīng)的棱角紋理復(fù)合指數(shù)為6 828.8,當(dāng)棱角紋理復(fù)合指數(shù)小于此數(shù)值時(shí),瀝青混合料的抗水損害性能便不滿足要求.此臨界數(shù)值可用于瀝青混合料的前期設(shè)計(jì),對(duì)水損害性能做出初步判斷.

圖7 棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料水損害能相關(guān)性

3 結(jié) 論

1) 隨著磨耗次數(shù)的增加,集料的棱角特征逐漸減弱,集料邊緣的銳度持續(xù)降低,經(jīng)過(guò)1 500次的磨耗之后,集料輪廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圓形或類橢圓形.對(duì)于紋理特征,隨著磨耗次數(shù)的增加,集料的表面紋理特征也逐漸消失,表面變得越來(lái)越光滑.在磨耗轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到900～1 200 r/min之后,集料的棱角性和紋理指數(shù)的變化速度顯著放緩,因此900和1 200 r/min轉(zhuǎn)分別是棱角性和紋理指數(shù)的平臺(tái)期拐點(diǎn).

2) 隨著棱角紋理復(fù)合指數(shù)的增加,試樣高溫性能和抗水損害性能呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),而低溫抗裂性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì).這是因?yàn)榧霞?xì)觀形貌豐富,會(huì)使得礦料骨架內(nèi)摩擦力增大,同時(shí)提高了顆粒的比表面積,使其形成了更多的結(jié)構(gòu)瀝青,從而提高了高溫性能和抗水損害性能;棱角性增大導(dǎo)致的瀝青混合料空隙率上升是低溫抗裂性能呈現(xiàn)下降的主要原因.

3) 根據(jù)棱角紋理復(fù)合指數(shù)與瀝青混合料路用性能的線性回歸方程,計(jì)算得到使高溫性能和水損害性能滿足規(guī)范要求的最低棱角紋理復(fù)合指數(shù)分別為6 289.0和6 828.8此臨界數(shù)值可用于瀝青混合料的前期設(shè)計(jì),對(duì)高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能做出初步判斷,為瀝青混合料的集料形態(tài)參數(shù)調(diào)控提供設(shè)計(jì)參考.