集料颗粒形态特征对沥青混合料高温性能的影响

引言

车辙变形是沥青路面主要的损坏形式，沥青路面车辙病害除受温度及荷载等外界因素的影响，还受到其他多方面因素的综合作用。以往的许多研究集中在沥青混合料原材料性能、骨料级配、沥青路面内部结构及路面车辙发生的机理等方面，关于集料自身的形态特性对沥青混合料高温性能影响的研究相对较少。由于针片状指数指标受人为因素影响大，误差易较大，且只能反映粗集料的形状特性；所以越来越多的研究人员采用数字图像处理技术等直接测量方法对粗集料的形态特征进行测量，试验结果与混合料的路用性能具有良好的相关性。

众所周知，集料颗粒的形态特征对成型压实后的沥青混合料颗粒之间的相对位置起重要的作用。粗集料颗粒之间形成的嵌挤骨架结构是沥青混合料高温抗车辙能力的保证，稳固的嵌挤骨架结构可以有效地抵抗混合料的高温形变。因此，粗集料的形态特征对沥青混合料高温性能有重要意义。

同样作为沥青混合料的组成成分，细集料的特性也影响着混合料的高温性能，常用的细集料有机制砂、天然砂和石屑。天然砂由于呈浑圆状，棱角性小，粘附性较差，使用过多无益于高温性能，工程应用中经常被放弃，多使用棱角性较好的机制细集料。因此，细集料的棱角性及相对用量对沥青混合料高温稳定性具有重要的影响。本文采用数字图像处理技术及流动时间法对粗细集料的形态特征进行分析，并研究粗集料形态特征及细集料中河砂掺量对沥青混合料高温性能的影响。

试验材料及方案

原材料

沥青采用SK-90号基质沥青，粗集料为石灰岩，细集料为机制砂和河砂。沥青和集料的技术性能指标均满足施工技术规范的技术要求。

其中AC-13沥青混合料的油石比为4.5%，AC-16混合料的油石比为4.8%。

试验方案

为了保证粗集料形态特征对沥青混合料性能影响分析试验的准确性，粗集料选用来自同一产地及批次的石灰岩。用洛杉矶磨耗仪将石灰岩分别磨耗0、500、750、1000次，筛分出单一粒径的石灰岩，得到不同棱角性的粗集料。为避免砸碎集料，在磨耗时未加入钢球。

细集料采用河砂与石灰岩机制砂，集料的粒径范围均为0.075~2.36mm。为了分析细集料棱角性对沥青混合料高温性能的影响，将河砂与石灰岩机制砂按照不同比例混合，细集料按河砂占集料总量的百分比0、10%、20%、40%组合成4种棱角性不同的混合集料。

集料形态特征的测定

集料形态特征主要包括圆度、球度、棱角度及表面纹理等。

粗集料形态特征的测定

粗集料特性量化指标有圆度、棱角度、平均最小曲率半径、圆形度、凸度以及基于等效椭圆提出的棱角性等。

测试粗集料棱角性的方法有集料图像处理分析法、5821法、集料颗粒形状和构造指数标准试验法、粗集料未压实空隙率法和法国18－564方法。为了能够快速准确地测定单个集料的棱角性，本文采用图像处理分析法。

粗集料棱角性的数字图像分析法是利用数码相机获取粗集料的图像，再利用图像处理系统对图像进行处理与识别，得到集料单个颗粒的面积、周长、长轴、短轴等基本参数，最后对粗集料棱角性进行量化。

可以看出，随着磨耗次数的增加，粗集料的圆度下降，棱角性指标减小。原因是：随着磨耗次数的增加，粗集料表面的突起部分逐渐被磨掉，粗集料变得越来越光滑，形状更接近球形；同时，随着磨耗次数的增加，粗集料的纹理指数越来越小，表面变得越来越平坦。圆度和纹理指标的变化趋势都是减缓的，在500次之前变化较大，500次之后变化减小。

细集料形态特征的测定

细集料棱角性主要表征了集料颗粒的表面纹理和形状。评价细集料棱角性的常用试验方法有渗透系数法、流动时间法、未压实空隙率法和间隙率法。其中，间隙率法和流动时间法是工程施工中最常用的方法，也是中国《公路工程集料试验规程》中评价细集料棱角性的试验方法。本文采用流动时间法测定细集料棱角性。

可以看出，随着河砂含量的增加，细集料流动时间减小。当细集料全部为机制砂时，流动时间最长；当细集料为河砂时，其流动时间最短，仅为30.170s。其原因为：石灰岩机制砂形状接近棱角方体，表面棱角丰富，摩擦系数较大，因此流动时间长；河砂由于经过长时间流水冲击，颗粒圆滑，棱角性小，所以流动时间短。

集料形态特征对沥青混合料高温性能的影响

粗集料形态特征对沥青混合料高温稳定性的影响

不同形态粗集料的高温稳定性。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对采用固定细集料、不同磨耗次数粗集料成型的AC-16试件进行高温车辙试验，检测其动稳定度。

可以看出，随着磨耗次数的增加，粗集料棱角性指标减小，圆度及纹理指标减小，沥青混合料动稳定度也随之减小，车辙深度增加。

当磨耗次数从0次增加到500次的时候，粗集料的棱角性、圆度和纹理变化均较大，沥青混合料的动稳定度、车辙深度变化较为明显，说明这段时间内集料特性的变化对沥青混合料高温性能影响较明显。可以看出，粗集料的棱角性指标、圆度和表面纹理指标与动稳定度和车辙深度的相关性较明显，说明粗集料特性对沥青混合料的高温性能影响较显著。可知，粗集料棱角性指标、圆度及纹理指标越大，沥青混合料的动稳定度越大；可知，粗集料的棱角性指标、圆度及纹理指标越大，沥青混合料的车辙深度越小，其高温稳定性越好。

不同形态特征粗集料的性能影响分析。集料颗粒形状对沥青路面的结构强度有重要影响，随着粗集料棱角性指标及骨料间的摩擦性增大，沥青混合料的结构稳定性增加；随着磨耗次数增加，粗集料棱角性、圆度变差，颗粒间嵌挤作用减小，因此沥青混合料动稳定度降低。

随着集料棱角性的减弱，集料颗粒变得圆滑，表面积减小，裹覆集料的结构沥青变少，相应的自由沥青变多，因此沥青混合料的动稳定度降低。

磨耗次数在0~500次时，集料颗粒突起部分最先被磨掉，集料形态特征发生变化，使混合料动稳定度变化较大；磨耗次数在500~1000次时，集料颗粒的表面特性变化放缓，混合料动稳定度变化较小。

细集料形态特征对沥青混合料高温稳定性的影响

不同形态细集料的高温稳定性。按照相关试验规程对采用固定粗集料、不同比例河砂的细集料成型的AC-13试件进行车辙试验。

可以看出，混合料的动稳定度随细集料流动时间的增大而增大，车辙深度随流动时间的增大而减小。当细集料全为机制砂时，流动时间最大，沥青混合料的动稳定度最大；当细集料河砂掺量最大时，细集料流动时间最小，动稳定度最小。由此可知，细集料的棱角性对沥青混合料的高温性能影响较明显。

当河砂占集料的比例大于20%时，动稳定度小于800次·mm-1，不能满足规范对集料动稳定度的要求，故建议河砂比例应小于20%。

不同形态细集料的性能影响分析。由于机制砂棱角性好，在外力的作用下丰富的棱角可以使粒料嵌挤作用加强；而河砂棱角性差，在外力的作用下矿料颗粒之间的抗剪切变形能力不足，因此动稳定度较低。

河砂棱角性小，颗粒圆滑一些，比表面积与机制砂相比较小。在沥青用量相同的情况下，棱角性小的河砂混合料结构沥青含量少，自由沥青含量多，因此动稳定度比棱角性较大一些的机制砂混合料小。

结语

(1)沥青混合料的动稳定度随集料棱角性的增大而增大，车辙深度随棱角性的增加而减小；棱角性好的粗集料有利于提高沥青混合料的高温性能。

(2)沥青混合料的动稳定度随集料圆度的增大而增大，车辙深度随圆度的增加而减小；圆度大的粗集料有利于提高沥青混合料的高温性能。

(3)沥青混合料的动稳定度随集料纹理复杂程度的增加而增大，车辙深度随纹理复杂程度的增加而减小，纹理多的粗集料有利于提高沥青混合料的高温性能。

(4)细集料棱角性与混合料的高温性能有较好的相关性，随着细集料中河砂含量的增加，沥青混合料的动稳定度下降，建议沥青混合料中河砂含量不宜超过集料总量的20%。