郭慧敏

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030031)

1 引言

瀝青路面因具有行車舒適、建養(yǎng)方便和可回收利用等特點在中國高速公路中被廣泛使用。但瀝青為溫度敏感性材料，夏季高溫條件下其黏度低，混合料抗剪強度下降，汽車重復(fù)荷載作用容易造成路面發(fā)生永久變形累積而形成車轍，而冬季低溫條件下其黏度高，混合料硬脆特征明顯，低溫環(huán)境容易造成路面開裂。高溫車轍和低溫開裂是瀝青路面常見病害，嚴(yán)重影響其使用壽命和行車安全，因而研究瀝青路面高低溫性能影響因素一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點。

現(xiàn)有關(guān)于瀝青混合料高低溫性能影響因素的研究多集中于所用瀝青性能、集料力學(xué)特性、礦料級配和油石比等，較少涉及粗集料形態(tài)(棱角性、三維形狀和表面紋理等)，而瀝青混合料中粗集料占50%以上，其顆粒形態(tài)對高低溫性能均有重要影響。盡管部分學(xué)者已就粗集料形態(tài)對瀝青混合料高低溫性能的影響進行了研究，但其對集料形態(tài)的量化方法，及對試驗中溫度條件的考慮都尚存不足。為此，該文基于AIMS系統(tǒng)對粗集料形態(tài)進行量化，進而分析集料形態(tài)對不同溫度條件下瀝青混合料高低溫性能的影響規(guī)律。

2 試驗概況

2.1 原材料

2.1.1 瀝青

選用SBS(I-D)改性瀝青，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對其主要技術(shù)指標(biāo)進行檢驗，結(jié)果見表1。

表1 SBS(I-D)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 集料和級配

選用5種玄武巖粗集料A、B、C、D和E，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。細(xì)集料均為石灰?guī)r，混合料級配采用SMA-13(表3)，油石比為5.0%。

表2 5種玄武巖粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表3 SMA-13集料級配

2.2 粗集料形態(tài)量化

2.2.1 粗集料形態(tài)量化方法

JTG E42-2015《公路工程集料試驗規(guī)程》采用松裝間隙率和針片狀顆粒含量分別表征集料棱角性和宏觀形狀，其試驗過程簡便，但結(jié)果誤差較大，且對集料形態(tài)描述不全面，因而基于圖像技術(shù)的集料形態(tài)定量分析方法被廣泛使用，其中AIMS體系成熟，且應(yīng)用較廣，故該文采用其對粗集料形態(tài)進行量化。AIMS通過獲取集料三維圖像，可獲取表征集料宏觀形態(tài)的棱角性指數(shù)和球度指標(biāo)，及表征微觀形態(tài)的表面紋理指數(shù)指標(biāo)。

(1) 棱角性指數(shù)GA

棱角性指數(shù)表征集料圖像輪廓邊緣線的角度變化情況，通過梯度法原理計算輪廓線每隔3點梯度向量的方位角差值之和表征，見式(1)。其值為0～10 000，值越大代表集料棱角性越好。

(1)

式中：θ為圖像輪廓線轉(zhuǎn)折點的方位角；n為計算點數(shù)；i為集料輪廓線的第i轉(zhuǎn)折點。

(2) 球度SP

球度表征集料形狀與球體差異大小，通過測定集料三維方向尺寸根據(jù)式(2)計算。其值為0～1，值越接近1代表集料形狀越接近球體。

(2)

式中：dS、dI和dL分別為集料三維形狀中的最短軸、中間軸和最長軸長度。

(3) 紋理指數(shù)TX

紋理指數(shù)表征集料表面微觀粗糙度，通過高倍率顯微鏡讀取集料表面波長小于0.5 mm的紋理后使用小波分析量化而得，見式(3)。其值為0～1 000，值越小代表集料表面越光滑，完全無微觀紋理時為0。

(3)

式中：D為分解函數(shù)；N為圖像中像素點總數(shù)；i為具體像素點；j為小波指數(shù)。

2.2.2 粗集料形態(tài)量化結(jié)果

采用AIMS對A、B、C、D、E 5種集料4.75～9.5、9.5～13.2和13.2～16 mm顆粒的棱角性指數(shù)、球度、扁平率(L/S)和紋理指數(shù)進行定量分析(每檔粒徑取樣50顆，以平均值為代表值)，并根據(jù)3檔集料占級配中4.75 mm以上顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)求取加權(quán)平均值，結(jié)果見表4。

表4 5種玄武巖粗集料形態(tài)量化結(jié)果

3 粗集料形態(tài)對瀝青混合料高溫性能的影響

為分析粗集料形態(tài)對寬溫度域條件下瀝青混合料高溫性能的影響，分別以A、B、C、D和E 5種粗集料制備尺寸300 mm×300 mm×50 mm的SMA-13瀝青混合料試件進行55、60、65和70 ℃下車轍試驗，結(jié)果見表5。

表5 不同粗集料制備SMA-13試件車轍試驗結(jié)果

3.1 棱角性對高溫性能的影響

將集料棱角性指數(shù)分別與4個溫度條件下瀝青混合料動穩(wěn)定度進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖1。

圖1 集料棱角性指數(shù)對瀝青混合料高溫性能的影響

由圖1可知：

(1) 瀝青混合料動穩(wěn)定度與粗集料棱角性指數(shù)呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，表明選用棱角性較好的粗集料有利于改善混合料抗車轍性能，這是因為集料棱角特征明顯時顆粒間更容易形成機械嵌合，此時形成的集料骨架穩(wěn)定性更好，混合料抗剪強度提高，同時棱角性好的集料表面積大，能裹覆更多結(jié)構(gòu)瀝青，因而高溫穩(wěn)定性好。同時，隨著試驗溫度的提高，相關(guān)性更加明顯，表明瀝青路面溫度越高，粗集料棱角性對其高溫穩(wěn)定性影響越大。溫度為55 ℃時，R2值為0.721 5，而溫度上升到70 ℃時，R2值提高到0.878 0，這是由于溫度提高時瀝青黏度下降，此時膠結(jié)料對混合料高溫性能的影響減弱，而集料形成的骨架對混合料高溫性能決定性增強的緣故。

(2) 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性對粗集料棱角性指數(shù)變化的敏感性隨試驗溫度的升高而提高，但提高速率逐漸降低。試驗溫度升高時相關(guān)分析中動穩(wěn)定度隨棱角性指數(shù)變化線的斜率逐漸增加，其中溫度由55 ℃升高至60 ℃時，斜率增加24.3%，而溫度由65 ℃升高至70 ℃時，斜率增加1.8%。

3.2 球度對高溫性能的影響

將集料球度分別與4種溫度條件下瀝青混合料動穩(wěn)定度進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖2。

圖2 集料球度對瀝青混合料高溫性能的影響

由圖2可知：

(1) 隨著瀝青混合料中粗集料球度值提高，其動穩(wěn)定度整體呈線性上升趨勢，表明采用三維尺寸相差較小的飽滿粒形粗集料時有利于改善混合料高溫穩(wěn)定性，尤其路面溫度達(dá)到65 ℃以上時有效性更好，這是由于集料三維尺寸相差明顯時表現(xiàn)為針片狀，集料間不能形成有效接觸，骨架穩(wěn)定性差所致。試驗溫度為55 ℃和60 ℃時，線性相關(guān)分析中動穩(wěn)定度和球度的R2值分別為0.689 2和0.661 8，兩者較為接近，而溫度增加到65 ℃和70 ℃時，R2值分別提高到0.844 1和0.862 9。

(2) 隨著試驗溫度的升高，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性對粗集料球度變化的敏感性逐漸提高，但溫度高于65 ℃后提高速率明顯降低。試驗溫度由55 ℃增加至60 ℃及由60 ℃增加至65 ℃時，相關(guān)分析中動穩(wěn)定度隨球度變化線的斜率值均增加17.7%，而由65 ℃增加至70 ℃時，斜率僅增加0.5%。

3.3 表面紋理對高溫性能的影響

將集料表面紋理分別與4種溫度條件下瀝青混合料動穩(wěn)定度進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖3。

圖3 集料表面紋理對瀝青混合料高溫性能的影響

由圖3可知：整體上隨著粗集料表面紋理指數(shù)增加，瀝青混合料動穩(wěn)定度呈上升趨勢，即采用紋理豐富且深度大的粗集料時其相互之間內(nèi)摩擦角較大，能改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。但上述規(guī)律在試驗溫度為55 ℃和60 ℃時表現(xiàn)較明顯，線性回歸分析中動穩(wěn)定度和紋理指數(shù)的R2值分別達(dá)到0.704 4和0.676 3，而試驗溫度增加至65 ℃和70 ℃時表現(xiàn)相對較弱，R2值分別僅為0.402 7和0.380 9，分析原因可能為試驗溫度升高時瀝青黏度降低，使集料間潤滑作用增強，故弱化了表面紋理對瀝青混合料抗剪強度的貢獻。

4 粗集料形態(tài)對瀝青混合料低溫性能的影響

為分析粗集料形態(tài)對寬溫度域條件下瀝青混合料低溫性能的影響，分別以A、B、C、D和E共5種粗集料制備SMA-13瀝青混合料車轍試件，切割為250 mm×30 mm×35 mm小梁后進行-5、-10、-15和-20 ℃下彎曲蠕變試驗，結(jié)果見表6。

表6 不同粗集料制備SMA-13試件彎曲蠕變試驗結(jié)果

4.1 棱角性對低溫性能的影響

將集料棱角性指數(shù)分別與4種溫度條件下瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖4。

圖4 集料棱角性指數(shù)對瀝青混合料低溫性能的影響

由圖4可知：

(1) 整體上隨粗集料棱角性指數(shù)增加，瀝青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變呈增加趨勢，表明采用棱角豐富的粗集料有利于改善混合料低溫性能，分析原因在于集料棱角豐富時能改善與瀝青黏附性的緣故。

(2) 溫度較高時瀝青混合料低溫性能與粗集料棱角性指數(shù)基本呈線性關(guān)系，而后隨試驗溫度降低，相關(guān)性逐漸減弱，其中-5 ℃時最大彎拉破壞應(yīng)變與棱角性指數(shù)線性相關(guān)分析的R2值達(dá)到0.907 8，而-20 ℃時R2值僅為0.269 7，分析原因為隨試驗溫度降低瀝青硬脆性愈發(fā)明顯，此時混合料低溫性能主要決定于瀝青性能，故受集料棱角性影響程度明顯降低。此外，隨著試驗溫度降低，線性相關(guān)分析中最大彎拉破壞應(yīng)變隨棱角性指數(shù)變化線的斜率逐漸減小，表明瀝青混合料低溫性能對粗集料棱角性變化的敏感性降低。

4.2 球度對低溫性能的影響

將集料球度分別與4種溫度條件下瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變進行相關(guān)分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 集料球度對瀝青混合料低溫性能的影響

由圖5可知：和粗集料棱角性對瀝青混合料低溫性能影響類似，整體上隨粗集料球度值增加，其制備瀝青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變呈增加趨勢，表明采用三維形狀飽滿的粗集料能改善混合料低溫性能，同時溫度較高時瀝青混合料低溫性能與粗集料球度基本呈線性關(guān)系，且斜率值較高，此時選用球度值較高的粗集料能有效改善混合料低溫性能，而后隨試驗溫度降低，相關(guān)性逐漸減弱，斜率也逐漸降低。

4.3 表面紋理對低溫性能的影響

將集料表面紋理分別與4種溫度條件下瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖6。

圖6 集料表面紋理對瀝青混合料低溫性能的影響

由圖6可知：與粗集料棱角性及三維形狀對瀝青混合料低溫性能影響類似，整體上隨粗集料紋理指數(shù)增加，其制備瀝青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變呈增加趨勢，表明采用表面紋理豐富的粗集料能改善混合料低溫性能，這是由于集料表面紋理豐富時瀝青-集料界面黏附力提高，集料表面瀝青膜厚度增加，故受低溫作用時瀝青-集料界面黏結(jié)牢固，且有足夠厚度瀝青膜產(chǎn)生變形抵消溫度應(yīng)力，不易產(chǎn)生低溫開裂。同時溫度較高時瀝青混合料低溫性能與粗集料紋理指數(shù)基本呈線性關(guān)系，且斜率值較高，此時選用紋理指數(shù)較高的粗集料能有效改善混合料低溫性能，而后隨試驗溫度降低，相關(guān)性逐漸減弱，斜率也逐漸降低。

5 結(jié)論

(1) 隨著粗集料棱角性指數(shù)、球度和紋理指數(shù)增加，各個試驗溫度下瀝青混合料動穩(wěn)定度和最大彎拉破壞應(yīng)變均呈逐漸增加趨勢，故選用棱角性好、粒形飽滿和表面紋理深度大的粗集料有利于改善瀝青混合料高低溫性能。

(2) 隨著試驗溫度升高，粗集料棱角性指數(shù)和球度對瀝青混合料高溫性能的影響程度逐漸增大，紋理指數(shù)對其影響程度則逐漸減小，且高溫性能對棱角性指數(shù)和球度變化的敏感性增強，但溫度越高敏感性增加速率越低。

(3) 隨著試驗溫度降低，粗集料棱角性指數(shù)、球度和紋理指數(shù)對瀝青混合料低溫性能的影響程度逐漸降低，且三指標(biāo)依次對應(yīng)于路面溫度低于-15、-10和-5 ℃條件時影響程度出現(xiàn)明顯下降；試驗溫度降低時瀝青混合料低溫性能對粗集料棱角性指數(shù)、球度和紋理指數(shù)變化的敏感性逐漸降低。