開級配瀝青混合料的細觀結(jié)構(gòu)特征與影響因素研究★

李 博，梁 爽，趙振國

(1.江蘇中設(shè)集團股份有限公司,江蘇 無錫 214000; 2.黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

開級配瀝青混合料因較大的空隙結(jié)構(gòu)使其鋪設(shè)的瀝青路面具備降噪、排水和抗滑等功能性,并在“海綿城市”中被廣泛使用。但在使用過程中,易發(fā)生空隙衰變問題,使其喪失基本的路用性能要求[1]。開級配混合料作為包含空隙、集料與瀝青砂漿的多相復合材料,其結(jié)構(gòu)性能必然與內(nèi)部空隙分布、形貌等規(guī)律有關(guān)。因此,需要從細觀結(jié)構(gòu)層面對開級配瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)進行研究。

通常采用計算機斷層掃描技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)進行開級配瀝青混合料細觀空隙結(jié)構(gòu)的研究[2]。Masad通過兩種方式研究了混合料的空隙分布[3],發(fā)現(xiàn)它們隨著深度的增加而變化。Jiang進一步使用三維重建技術(shù)來研究各種瀝青混合料的空隙特點[4],發(fā)現(xiàn)隨著顆粒尺寸的增加,其對應的空隙直徑也會增加。此外,研究還發(fā)現(xiàn),空隙的形態(tài)與混合料的飛散損失、動穩(wěn)定度以及防止堵塞有著密切的聯(lián)系。通過CT技術(shù)[5],蔣瑋等探討了多孔瀝青混合料的細微結(jié)構(gòu),并研究了它們的性質(zhì)。裴建中等利用數(shù)學建模理論[6],研究了多孔瀝青混合料空隙的垂直分布情況,并探究了不同材料的組成,如粒徑、維數(shù)。

綜合以上研究成果可知,國內(nèi)外學者對于瀝青混合料細觀空隙結(jié)構(gòu)特征的研究已逐步開展,但是很多都集中于細觀空隙特征參數(shù)的計算,對瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)特征表征和混合料各項性能的影響關(guān)系研究較少。基于此,本文重點研究主要空隙參數(shù)同混合料性能之間的相關(guān)性關(guān)系。

1 材料設(shè)計與試驗方案

1.1 試驗材料

1)瀝青。試驗采用高黏度的改性瀝青,并根據(jù)排水瀝青路面設(shè)計與施工規(guī)范[7]對其進行了檢驗,其技術(shù)指標如表1所示。

表1 高黏度改性瀝青的主要技術(shù)指標

2)集料。采用玄武巖和石灰?guī)r作為原料,其主要技術(shù)指標[8]如表2所示。

表2 集料的主要技術(shù)指標

1.2 級配設(shè)計

為了分析空隙率對OGFC混合料細觀空隙特征的影響,通過調(diào)整關(guān)鍵篩孔的集料通過率,確定了3條級配(OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ),見圖1,目標空隙率分別為17%,20%和23%。

1.3 試驗方案

采用馬歇爾雙面擊實50次成型OGFC混合料標準試件(63.5 mm±1.3 mm),利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取縱向高度方向上斷面圖像的細觀空隙特征數(shù)據(jù),如圖2所示為試件斷面圖像數(shù)據(jù)的提取過程。通過試件斷面圖像分析空隙率對OGFC混合料細觀空隙特征的影響規(guī)律并進一步結(jié)合高溫性能、降噪性能測試等室內(nèi)試驗研究細觀空隙特征對混合料抵抗車轍能力和降噪功能等的影響。

2 細觀空隙特征影響規(guī)律

2.1 細觀空隙特征的表征

通過對試件斷面的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、分析,獲取有關(guān)該斷面的重要信息,這些信息可以反映出該斷面的結(jié)構(gòu)、形狀、大小、尺寸、形狀變化趨勢以及其他相關(guān)性質(zhì)。其中,數(shù)據(jù)采集的方式為通過閾值處理,對數(shù)據(jù)的大小進行加權(quán),從而獲取其中的重要信息,這些信息可以反映出該斷面的結(jié)構(gòu)形狀、大小以及其他相關(guān)性質(zhì)。具體包括:加權(quán)空隙數(shù)量、加權(quán)空隙面積、加權(quán)空隙等效直徑和分形維數(shù)(見表3)。

表3 OGFC混合料細觀空隙特征

2.2 細觀空隙特征的影響因素

1)空隙率。從圖3可以看出,OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ的體積法實際測得的空隙率與其等效直徑以及斷面的平均空隙數(shù)量之間存在線性回歸,其中X表明了這種聯(lián)系,Y表明了這種聯(lián)系的程度,Z表明了它們之間的等效直徑,而R2則表明了它們之間的相關(guān)性。根據(jù)圖3及其相關(guān)的數(shù)據(jù),當空隙率上升時,開級配混合料的斷面上的平均空隙數(shù)會顯著降低,但是,空隙的尺寸(面積)會不斷擴張,因此其相應的平均等效直徑會有所提升。

2)分形維數(shù)。隨著分形維數(shù)的增加,試件斷面里的空隙構(gòu)造變得更加復雜化,這可以從分形維數(shù)的變化中得到明顯的體現(xiàn)。如圖4所示為開級配混合料空隙率同分形維數(shù)DB之間的相關(guān)性關(guān)系。可以得知,DB隨著開級配混合料空隙率的增大而增大。即隨著空隙率的逐漸增大,瀝青混合料試件斷面圖像里的空隙構(gòu)造也變得越復雜。

2.3 細觀空隙特征對混合料的影響

開級配混合料屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu),在荷載作用下易出現(xiàn)車轍和松散病害,影響路面行車安全和發(fā)揮降噪、抗滑等功能性,因此有必要進一步分析細觀結(jié)構(gòu)對其高溫性能和功能特性的影響。

1)空隙等效直徑的影響。使用表示空隙大小關(guān)系的參數(shù)——空隙等效直徑,分析其對開級配混合料高溫性能和降噪性能的影響。由圖5可知,隨著空隙等效直徑增加,瀝青混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,因而其動穩(wěn)定度逐漸減小。而空隙等效直徑越大,說明空隙的級配相對較粗,較粗的級配使得空隙通道更加復雜,當噪聲進入空隙里時,進一步增加聲音發(fā)生多次碰撞的可能性,空隙壁面的摩擦和空氣阻力等使聲能逐漸被消耗,因此吸聲系數(shù)較好。

2)分形維數(shù)的影響。開級配混合料的空隙分形維數(shù)與高溫動穩(wěn)定度、吸聲系數(shù)峰值之間的線性關(guān)系見圖6。可以看出,隨著試件斷面空隙的分形維數(shù)數(shù)值增加,混合料的動穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢,高溫抗車轍能力降低。而降噪效果增加,表明隨著分形維數(shù)增加,混合料中空隙路徑變得復雜化,當聲波進入空隙后,空隙中空氣隨之與空隙壁面摩擦振動,空氣黏滯阻力等聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散,因此吸聲效果越來越好。

3 結(jié)論

1)除去構(gòu)成骨架-空隙型結(jié)構(gòu)的開級配混合料自身材料特性之外,空隙大小、分布和形貌特征等因素對其力學強度和功能特性產(chǎn)生顯著影響,從而導致這些因素變化既造成混合料力學性能的差異,也影響了混合料功能特性的發(fā)揮。

2)當開級配瀝青混合料的空隙率不斷提高時,其斷面的平均空隙數(shù)會顯著降低,但是其空隙的面積會不斷擴張,其相應的等效直徑和分形維數(shù)會相應地提高。

3)隨著空隙等效直徑和分形維數(shù)的增大,開級配混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,其動穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢;而吸聲系數(shù)峰值增加,混合料中空隙通道更加復雜,當聲波進入空隙后,空隙壁面與空氣摩擦產(chǎn)生振動,聲能逐漸被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散,吸聲效果較好。