張燕紅，徐龍，方俊杰

（1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明650500；2.拉薩市設(shè)計(jì)院，西藏 拉薩850000；3.國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察院，云南 昆明650500）

水泥穩(wěn)定碎石是一種由水泥、砂和碎石組成的多相復(fù)合材料。在水泥穩(wěn)定碎石的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中，粗集料形成結(jié)構(gòu)骨架后，石料之間的相互嵌擠作用能夠有效提高多相復(fù)合材料的內(nèi)摩擦角，是影響基層強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[1]，而粗集料棱角性對(duì)合成礦料骨架特性、混合料最終級(jí)配、施工、和易性都有顯著影響，這些影響最終體現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)層的路用性能上[2]。目前，研究主要集中在不同配合比、不同水泥種類、不同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)條件、不同齡期和不同壓實(shí)方法等條件下，對(duì)半剛性基層路用性能的影響[3-7]。姜艦等人[8]認(rèn)為棱角性對(duì)強(qiáng)度的影響較大，但沒(méi)有明確提出評(píng)價(jià)棱角性的方法。王火明等人[9]通過(guò)運(yùn)用松裝空隙法、振裝空隙法和外形判別法來(lái)判別集料的棱角性，研究了粗集料棱角性對(duì)水穩(wěn)河灘料強(qiáng)度特性的影響，得出了棱角性對(duì)水穩(wěn)基層的強(qiáng)度特性有一定影響，但這3種方法都沒(méi)有給出棱角性好壞的變化規(guī)律。在建筑材料匱乏地區(qū)，工程項(xiàng)目會(huì)考慮就近取材，采用河道中的礫石作為建筑材料，集料棱角性對(duì)水穩(wěn)基層性能的影響研究是必要的。因此，本試驗(yàn)針對(duì)2種不同的粗集料，采用ImageJ進(jìn)行數(shù)字圖像處理，采用等效橢圓法[10-12]評(píng)價(jià)粗集料的棱角性，并通過(guò)正交試驗(yàn)判斷棱角性對(duì)水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層強(qiáng)度特性的影響，以期為河道礫石的應(yīng)用提供借鑒。

1 粗集料棱角性試驗(yàn)

棱角性是指集料凸出程度，反映集料顆粒細(xì)觀局部的變化特征和狀態(tài)，直接影響集料的堆積性能和形成骨架的穩(wěn)定性[13]。在水泥穩(wěn)定材料中，粗集料的占比大于細(xì)集料的，要求粗集料質(zhì)地堅(jiān)硬、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)、耐磨性優(yōu)異，并且具有足夠的抗壓強(qiáng)度[14]。本試驗(yàn)采用2 種不同的集料：①石灰?guī)r碎石，簡(jiǎn)稱集料A，其壓碎值、針片狀、0.075 mm 以下粉塵含量、軟弱顆粒含量和0.5 mm以下顆粒塑性指數(shù)分別為25.7%、6.8%、0.0%、3.7%、9。②破碎鵝卵石，簡(jiǎn)稱集料B，其壓碎值、針片狀、0.075 mm 以下粉塵含量、軟弱顆粒含量和0.5 mm 以下顆粒塑性指數(shù)分別為：26%、3.2%、1.7%、4.3%、13。如圖1所示。

圖1 集料A、B視覺(jué)對(duì)比Fig.1 Visual comparison of aggregate A and B

1.1 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)（DIP）評(píng)價(jià)粗集料棱角性

為研究粗集料棱角性對(duì)水穩(wěn)性半剛性基層強(qiáng)度性能的影響，必須先研究粗集料棱角性的表示方法。數(shù)字圖像，又稱數(shù)碼圖像或數(shù)位圖像，是以二維圖像為基礎(chǔ)，采用有限數(shù)字?jǐn)?shù)值像素來(lái)表示。同時(shí)，其也是由模擬圖像數(shù)字化得到，以像素為基本元素，用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字電路來(lái)存儲(chǔ)和處理圖像。

1.1.1 數(shù)字圖像采集

使用像素為1 400 萬(wàn)的數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像。采集過(guò)程中，用自制的逆光燈箱，消除外界光線和拍攝角度造成的陰影，如圖2所示。為了減少粗集料數(shù)字圖像采集一個(gè)面的單一性造成的誤差，對(duì)集料的正反面都進(jìn)行了圖像采集。

圖2 在逆光燈箱條件下拍攝的部分集料Fig.2 Pictures of some aggregates taken in backlight light box

1.1.2 數(shù)字圖像處理

圖像的處理過(guò)程分為圖像灰度化、去噪、二值化和形態(tài)學(xué)處理。使用ImageJ 軟件進(jìn)行圖像處理和輪廓提取，如圖3所示。

圖3 數(shù)字圖像處理過(guò)程Fig.3 Digital image processing

1.2 棱角性的評(píng)價(jià)方法

集料棱角性反映顆粒輪廓上角度的變化，角度變化越銳利，輪廓更凸或更凹。為了對(duì)不同種類和不同形狀的顆粒進(jìn)行棱角性量化分析，使用等效橢圓的方法評(píng)價(jià)棱角性。等效橢圓是指與提取集料輪廓的面積和極慣性矩相同的橢圓，并且等效橢圓保留了顆粒輪廓形狀特征，弱化了輪廓形狀（集料的宏觀性）對(duì)棱角性量化的影響[15-16]，如圖4所示。其計(jì)算式為：

式中：P為集料輪廓周長(zhǎng)；Pe為輪廓的等效橢圓周長(zhǎng)；為粗集料中第i顆集料的棱角性；Ai為第i顆集料的輪廓投影面積；P"為粗集料棱角性的加權(quán)指標(biāo)值；n為總的集料數(shù)。

圖4 等效橢圓法Fig.4 Equivalent elliptic method

通過(guò)比較集料A和集料B在不同粒徑范圍的棱角性。從2個(gè)不同的投影面共同計(jì)算棱角性，其結(jié)果如圖5～6所示。

集料A 的粒徑為9.5、13.2、16.0、19.0 mm 的正面和反面P″值的變異性系數(shù)分別為1.120、1.118、1.139、1.137。集料B 的粒徑為9.5、13.2、16.0、19.0 mm 的正面和反面P″值的變異性系數(shù)分別為1.102、1.102、1.118、1.128。

主題是倡導(dǎo)健康生活方式。推進(jìn)健康巴州建設(shè),內(nèi)容是合理膳食,足量運(yùn)動(dòng),控?zé)熛蘧?心理健康,目的是達(dá)到三減三健,即減鹽。減油。減糖。健康口腔,健康體重。健康骨骼。為全面脫貧,全面小康提供健康保障。

圖5 集料A、B計(jì)算結(jié)果的變異性系數(shù)Fig.5 Variability coefficient of aggregate A and B

圖6 集料A和B的棱角性對(duì)比Fig.6 Comparison of angularity of aggregate A and B

等效橢圓的理論計(jì)算與它的長(zhǎng)軸和短軸有關(guān)，當(dāng)指標(biāo)越接近1時(shí)，表明：原輪廓越接近于圓，棱角性越差；當(dāng)指標(biāo)大于1 時(shí)，值越大，棱角性越好。由圖6 和表1 可知，在19.0～26.5 mm 粒徑范圍內(nèi)，兩種集料的變異性系數(shù)最大，所以對(duì)于大粒徑，采集的數(shù)量相對(duì)較多；集料A 的棱角性優(yōu)于集料B的，隨著粒徑的增大，A 集料的棱角性在16.0～19.0 mm 粒徑范圍內(nèi)最好，棱角性的變化規(guī)律先增大后減小。集料B隨著粒徑的增大棱角性也逐漸增大。在9.5～13.2 mm、13.2～16.0 mm、16.0～19.0 mm 粒徑范圍內(nèi)，集料A 的棱角性都優(yōu)于集料B 的1%左右，所以可把4 種粒徑歸類為2種粒徑范圍：9.5～19.0 mm，19.0～26.5 mm。即棱角性大小的排列順序?yàn)椋毫綖?.5～19.0 mm時(shí)，集料A＞集料B；粒徑為19.0～26.5 mm 時(shí)，集料A＞集料B。并且在A、B 2 種集料中，19.0～26.5 mm 的棱角性都優(yōu)于9.5～19.0 mm的。

2 粗集料棱角性對(duì)水穩(wěn)基層部分力學(xué)性能的影響

2.1 水泥

使用磷渣硅酸鹽水泥，細(xì)度為2.0，初凝時(shí)間為215 min，終凝時(shí)間為505 min，3 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為11.5、3.0 MPa。

2.2 試驗(yàn)方案

采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)制定試驗(yàn)方案。正交表的標(biāo)記符號(hào)形式為L(zhǎng)a(bc)，符號(hào)中a為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)次數(shù)，b為每個(gè)影響因數(shù)的水平數(shù)，c為試驗(yàn)中的影響因素個(gè)數(shù)，L為正交表符號(hào)。本試驗(yàn)L9(34)表示4因素3水平正交表，根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案，一共需要進(jìn)行9次試驗(yàn)。其中，一個(gè)因素為空列便于誤差分析。從圖6中可以看出，集料A 的棱角性優(yōu)于集料B的，該試驗(yàn)方案主要內(nèi)容是集料的替換，集料A 替換集料B，即石灰?guī)r碎石替換拉薩河破碎礫石。試驗(yàn)因素為：①水泥含量；②9.5～19.0 mm 粒徑范圍內(nèi)拉薩河破碎礫石被機(jī)制破碎礫石替換的替換率，即9.5～19.0 mm 粒徑范圍內(nèi)集料A替換集料B的替換率（以下簡(jiǎn)稱：9.5～19.0 mm）；③19.0～26.5 mm 粒徑范圍內(nèi)拉薩河破碎礫石被機(jī)制破碎礫石替換的替換率，即19.0～26.5 mm 粒徑范圍內(nèi)集料A 替換集料B 的替換率（以下簡(jiǎn)稱：19.0～26.5 mm）。其中，水泥摻量的水平數(shù)：4.0%、5.0%、6.0%；9.5～19.0 mm的水平數(shù)：0%、50.0%、100%；19.0～26.5 mm 的水平數(shù)：0%、50.0%、100%。正交方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test plan

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-E51-2009）中規(guī)定的重型擊實(shí)試驗(yàn)中丙法，確定在該配合比（表2）下混合料的最大干密度和最佳含水量分別為：pmax=2.352 g/cm3，wopt=5.3%。按照壓實(shí)度為97%的要求，計(jì)算集料、水泥和水的用量，拌和均勻后裝模，采取靜壓的壓實(shí)方式來(lái)制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件和劈裂（間接抗拉強(qiáng)度）試件，直徑150 mm×高150 mm。經(jīng)過(guò)2～6 h后進(jìn)行脫模，脫模后的試件裝袋，并將袋內(nèi)空氣排干凈，放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度：20±2 ℃，濕度≥95%）養(yǎng)護(hù)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件養(yǎng)護(hù)7 d，劈裂試件養(yǎng)護(hù)90 d，2 種試件都在最后1 天浸水養(yǎng)護(hù)，然后對(duì)這2種試件做相應(yīng)試驗(yàn)。

表2 水泥穩(wěn)定碎礫石基層配合比Table 2 Mix ratios of cement stabilized gravel base

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

在經(jīng)過(guò)粉碎或原來(lái)松散的材料中，摻入足量的水泥和水拌和，在壓實(shí)和養(yǎng)生后，當(dāng)抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定要求時(shí)，稱為水泥穩(wěn)定材料[17]。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映無(wú)機(jī)結(jié)合料承載能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[18]。本試驗(yàn)使用數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓，記錄各組試件破壞時(shí)峰值，得到相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表3。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7所示。

表3 試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 3 Unconfined compressive strength of specimens

圖7 3個(gè)因素與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Relationships between three factors and unconfined compressive strength

2.4 劈裂強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定碎石材料的抗拉強(qiáng)度一般約為抗壓強(qiáng)度的1/10，但作為道路基層材料，需承擔(dān)車輛荷載產(chǎn)生的巨大彎拉應(yīng)力，因此，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮水泥穩(wěn)定碎石材料的抗拉性能。水泥穩(wěn)定碎石的抗拉強(qiáng)度通常由劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度表征。相對(duì)于直接抗拉試驗(yàn)，間接抗拉強(qiáng)度（劈裂強(qiáng)度）試驗(yàn)簡(jiǎn)單，結(jié)果誤差較小，應(yīng)用范圍更廣，因此，將劈裂強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究[19]，如圖8所示。用CSS 軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)，設(shè)置電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的速率為1 mm/min。記錄試件破壞時(shí)的最大壓縮 力 分 別 為28 205、31 774、27 579、40 917、4 321、57 003、5 419、60 251 N。再計(jì)算得到劈裂強(qiáng)度分別為0.77、0.87、0.75、1.12、1.25、1.56、1.57、1.64 MPa。

從圖7～8 中可以看出，水泥對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響呈線性相關(guān)，并且在各個(gè)因素的影響下，劈裂強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/6，滿足規(guī)范要求。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3 個(gè)因素之間互不干擾，在不考慮水泥因素的條件下，當(dāng)混合料中的粗集料未被替換時(shí)，即混合料的組成都是拉薩河破碎礫石時(shí)，混合料劈裂強(qiáng)度的平均值為1.17 MPa。當(dāng)兩種粒徑范圍內(nèi)集料A 的替換率都為50.0%時(shí)，混合料的劈裂強(qiáng)度的平均值為1.21 MPa；當(dāng)9.5～19.0 mm 和19.0～26.5 mm 的集料都被集料A 替換時(shí)，即集料A 的替換率為100%，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.19 MPa。表明：劈裂強(qiáng)度的大小不僅與棱角性有關(guān)，還與集料的替換率有關(guān)，要提高劈裂強(qiáng)度，就需對(duì)棱角性不同的粗集料進(jìn)行組合，如：棱角明顯的集料和部分渾圓狀集料組成的混合料，可以提高其劈裂強(qiáng)度。

圖8 3個(gè)因素與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationships between three factors and splitting strength

3 結(jié)論

1）在不考慮水泥的影響條件下，棱角性對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈正向遞增，對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響呈先增大后略減小。

2）為了提高水泥穩(wěn)定基層劈裂強(qiáng)度，混合料的粗集料部分可由棱角明顯和渾圓狀集料組成。

3）粗集料棱角性的好壞對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的大小有影響。在相同粒徑范圍內(nèi)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著集料A 替換率的增大而線性增大。在9.5～19.0 mm 和19.0～26.5 mm 2 個(gè)粒徑的替換率相同時(shí)，9.5～19.0 mm對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度大于19.0～26.5 mm 的。所以，在抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求時(shí)，可用棱角性較好的粗集料替換混合料中的粗集料，減少水泥用量，降低干縮系數(shù)。