謝濤 徐龍 汪秀根 張直云

為研究粗集料棱角性對半剛性基層抗拉性能的影響，采用等效橢圓法對2種不同集料的不同粒徑進(jìn)行棱角性評價，再采用正交試驗設(shè)計方法來制定試驗方案，對水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度性能進(jìn)行室內(nèi)試驗。研究表明，在9.5～19 mm粒徑范圍內(nèi)，隨著集料A的替換率增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大；當(dāng)9.5～19 mm 和19～26.5 mm 2個粒徑中的集料A替換率都為50.0%，劈裂強(qiáng)度相對于集料B未被替換時的強(qiáng)度提高了3.4%，所以棱角性的變換，會引起集料的強(qiáng)度和抗拉性能的變化，粗集料的棱角性越凸出，整個混合料的強(qiáng)度和抗拉性能會越好。

半剛性基層； 棱角性； 抗拉強(qiáng)度； 抗壓強(qiáng)度

TU528.041 A

［定稿日期］2021-12-21

［作者簡介］謝濤（1987—），男，本科，工程師，從事道路橋梁施工工作。

在經(jīng)過粉碎的材料中，摻入足量的水泥和水，經(jīng)拌和得到的混合料，在壓實和養(yǎng)生后，當(dāng)其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定的要求時，稱為水泥穩(wěn)定碎石材料，是半剛性基層材料中的一種。集料的質(zhì)量占整個水泥穩(wěn)定碎石的比例超過90%，所以集料的性能很大程度決定了混合料的性能。骨架之間的相互嵌擠作用，摩擦作用對混合料的力學(xué)性能有很大影響［1］，基層作為主要的路面承重層，在受力不均勻的狀況下，路面容易受到剪切應(yīng)力，所以基層不但要具有一定抗壓強(qiáng)度也要有一定的抗拉強(qiáng)度［2］。目前無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度同為基層的強(qiáng)度指標(biāo)，并且劈裂強(qiáng)度可以作為水泥穩(wěn)定碎石基層的破壞指標(biāo)，在半剛性基層瀝青面層中的結(jié)構(gòu)組成設(shè)計和材料組成設(shè)計中，越來越重視混合料的抗拉特性［3-4］。半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)的反射裂縫，大部分的原因就來自于基層抵抗拉應(yīng)力的能力不足。較多學(xué)者［5-8］從水泥含量、齡期、配合比、壓實度、溫度、外摻劑等多方面的影響對劈裂強(qiáng)度展開研究，并有了較多的顯著性成果。但對于粗集料棱角性及其形態(tài)特征對劈裂強(qiáng)度的影響，其研究對象多是對于瀝青混合料面層［9-12］，對基層的研究較少，為此，筆者采用等效橢圓法［13-15］來評價棱角性，再基于棱角性對半剛性基層抗拉性能的影響分析來展開研究，以及探討劈裂強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，也就是探索抗壓性能與抗拉性能之間的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗原材料

1.1 水泥

磷渣和粉煤灰一樣具有火山灰效應(yīng)，但由于磷渣的緩凝作用，對水泥的早期水化均有一定程度的減緩［16］。磷渣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度較低、凝結(jié)較為緩慢，可作為拉薩地區(qū)施工時使用的水泥，便于施工操作和基層質(zhì)量的保證。

磷渣硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 集料與級配

本試驗采用了2種集料，一種是工程上常用集料碎石，

簡稱：集料A；另一種是拉薩河里經(jīng)過破碎后的破碎礫石，簡稱：集料B（表2、表3）。

2 試驗

2.1 棱角性評價試驗

2.1.1 CCD數(shù)字圖像獲取

CCD數(shù)字圖像處理是把相機(jī)獲得的圖像使用計算機(jī)或其它數(shù)字圖像處理技術(shù)硬件，進(jìn)行數(shù)字圖像信息對電信號的一個轉(zhuǎn)換，再而進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終實現(xiàn)了對圖像的識別和讀取本文采用有效像素為1 400萬的數(shù)碼相機(jī)，對數(shù)字圖像進(jìn)行采集，采集過程中采用自制的逆光燈箱去消除外界光線和拍攝角度造成的陰影。為了減少粗集料數(shù)字圖像采集一個面的單一性造成的誤差，對集料的正反面都進(jìn)行了圖像采集［17］。

2.1.2 數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理是對數(shù)字圖像中的信息進(jìn)行提取。本文使用ImageJ對粗集料圖像進(jìn)行灰度化、去噪、二值化、形態(tài)學(xué)處理以及輪廓邊緣的提取，如圖1所示。對處理圖像的周長、面積和形心位置、主軸長度、短軸長度等信息進(jìn)行采集。

2.1.3 棱角性評價

本文基于DIP（數(shù)字圖像）技術(shù)對棱角性指標(biāo)進(jìn)行量化。李嘉等［18］證明了4個棱角性評價指標(biāo)AR、ARmax、APc、AP與未壓實孔隙率都有較好的相關(guān)性，但AP指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)最大。等效橢圓法（圖2）最小量化了形狀因素對棱角性指標(biāo)的干擾［19-20］。

P′=（PPe）2（1）

P″=∑ni（Ai×P′i）∑niAi（2）

式中：P是集料的輪廓周長，Pe是輪廓的等效橢圓周長，P′i是粗集料中第i顆集料的棱角性，Ai是第i顆集料的輪廓投影面積，P″是粗集料棱角性的加權(quán)指標(biāo)值，n是集料的總數(shù)。本文比較集料A和集料B，在不同粒徑范圍的棱角性：從2個不同的投影面共同計算棱角性，得到結(jié)果見圖3、圖4、表4。

等效橢圓的理論計算與其長軸和短軸有關(guān)，當(dāng)該指標(biāo)越接近1.000時，表示原輪廓越接近于圓，其棱角性越差，對于大于1.000的數(shù)值，值越大，棱角性越好。由圖3和表4可知：在19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)，2種集料的變異性系數(shù)最大，所以對于大粒徑來說，采集的數(shù)量需要相對的增多；集料A的棱角性優(yōu)于集料B，隨著粒徑的增大，A集料的棱角性在16～19 mm的粒徑范圍內(nèi)的棱角性最好，棱角性的變化規(guī)律是先增大后減小。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 mm、16～19 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個粒徑歸類為2個粒徑范圍：9.5～19 mm，19～26.5 mm。

即棱角性大小的排列順序為：9.5～19 mm：集料A＞集料B，19～26.5 mm：集料A＞集料B，并且在AB 2種集料中，19～26.5 mm的棱角性都優(yōu)于9.5～19 mm。

2.2 水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度試驗

2.2.1 試驗方案

本文采用正交法來制定試驗方案，該方案采用4因素3水平，共9組試驗。試驗因素：①水泥含量；②9.5～19.5 mm粒徑范圍內(nèi)集料B被集料A替換的替換率（文中簡稱：9.5～19 mm）；③19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)集料B被集料A替換的替換率（文中簡稱：19～26.5 mm）。在因素①中的水平數(shù)：水泥含量4.0%、5.0%、6.0%；因素②中的水平數(shù)：0.0、50.0%、100.0%；因素③中的水平數(shù)：0.0、50.0%、100.0%。3個因素各自的水平值設(shè)計見表5。標(biāo)準(zhǔn)正交表見表6。

其中第4列為為空列，為誤差列。

根據(jù)JTGE 51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的規(guī)定，使用丙法重型擊實試驗，確定在該配合比下混合料的最大干密度和最佳含水量分別為：ρmax=2.352 g/cm3，ωopt=5.3 %。按照壓實度為97%的要求，來計算集料、水泥和水的用量，拌和均勻后裝模，采取液壓式壓力機(jī)VE-200來制作無側(cè)限抗壓試件和劈裂試件，直徑×高為：150 mm×h150 mm。經(jīng)過2～6 h，采用脫模機(jī)YTM-300進(jìn)行脫模，將脫模后的試件進(jìn)行裝袋，并把袋內(nèi)空氣排干凈，放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度：20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%）養(yǎng)護(hù)，無側(cè)限試件養(yǎng)護(hù)7天，劈裂試件養(yǎng)護(hù)90天，2種試件都在最后1天浸水養(yǎng)護(hù)。然后對2種試件進(jìn)行相應(yīng)的試驗。

2.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

使用數(shù)顯式壓力試驗機(jī)對養(yǎng)護(hù)好的試件進(jìn)行抗壓，記錄各組試件破壞時的峰值，得到相應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（表7）。

使用極差分析（直觀分析法）對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析。從實驗結(jié)果來看，3個因素的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值都超過7.00 MPa，滿足規(guī)范要求。3個因素互相獨立，并且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量線性相關(guān)。在9.5～19 mm粒徑范圍內(nèi)，當(dāng)集料A替換率為50.0%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較未被集料A替換的混合料的強(qiáng)度提高了12.0%，當(dāng)集料A替換率為100.0%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較集料A替換率為50.0%的強(qiáng)度提高了5.8%。隨著集料A替換率的增大，混合料的抗壓強(qiáng)度的增長速度逐漸變緩，但整體來說，提高了混合料的抗壓強(qiáng)度，即在9.5～19 mm內(nèi)，棱角性對抗壓強(qiáng)度正性相關(guān)，棱角性越好，越有利于抗壓強(qiáng)度的增大；在19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)，當(dāng)集料A的替換率為50.0%時，抗壓強(qiáng)度較替換率為0.0%的強(qiáng)度提高了3.5%，替換率為100.0%時，抗壓強(qiáng)度較替換率為50.0%的強(qiáng)度提高了3.2%。在19～26.5 mm內(nèi)，集料A的替換率與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較好，隨著集料A 替換率的增大，抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，即棱角性越好，越有利于提高抗壓強(qiáng)度（圖5）。

2.2.3 劈裂強(qiáng)度試驗

在半剛性基層瀝青面層的結(jié)構(gòu)和材料的組成設(shè)計中，已經(jīng)把材料的抗拉性能列為重要的測量指標(biāo)。規(guī)定水穩(wěn)基層采用劈裂試驗測得的劈裂強(qiáng)度作為抗拉強(qiáng)度。筆者采用CSS

軟件對電腦和電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，設(shè)置電子萬能試驗機(jī)的速率為1 mm/min，記錄試件破壞時的最大壓縮力P（N），結(jié)果如表8所示。

從試驗結(jié)果來看，3個因素之間互不干擾，在不考慮水泥因素的條件下，當(dāng)集料B未被集料A替換時，混合料的劈裂強(qiáng)度平均值為1.17 MPa，已超過了此時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/6，滿足規(guī)范。當(dāng)2個粒徑范圍內(nèi)集料A的替換率都為50.0%時，混合料的劈裂強(qiáng)度的平均值為1.21 MPa；當(dāng)9.5～19 mm和19～26.5 mm的集料都被集料A替換時，即集料A的替換率為100.0%，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.19 MPa。所以，棱角性對劈裂強(qiáng)度的影響，不僅與棱角性的好壞有關(guān)，還與不同棱角性集料之間的相互嵌合作用有關(guān)。為了滿足基層的施工、設(shè)計和使用，需要對集料的棱角性進(jìn)行一定評價和相應(yīng)的組合（圖6）。

2.2.4 劈裂回彈模量

規(guī)范規(guī)定材料的抗拉強(qiáng)度為劈裂強(qiáng)度，所以為了確定拉應(yīng)力和拉應(yīng)變之間的關(guān)系，筆者對抗拉模量也采用間接法確定，及劈裂回彈模量。該試驗的試件與劈裂強(qiáng)度所用的試件相同，在測量回彈模量時，各組的拉應(yīng)力與應(yīng)變曲線大同小異，其中以正交試驗中的第五組為例，畫應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖7。

由應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，在一級加載時，試件已經(jīng)出現(xiàn)塑性變形，在之后的逐級加載中，塑性變形隨著加載級數(shù)的增大而減小，這可能是因為在加載壓力值較小時，只對起膠結(jié)作用的砂漿有一定的擾動作用，但該擾動是一個不可恢復(fù)的變形，而隨著加載級數(shù)的增大，變形也逐漸增大，直至試件出現(xiàn)裂縫，試件破壞。

2.2.5 劈裂強(qiáng)度與無側(cè)限強(qiáng)度的關(guān)系

劈裂強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度調(diào)整后的相關(guān)度R2=0.87069，兩者相關(guān)性較好，對于強(qiáng)度指標(biāo)可用于劈裂強(qiáng)度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)估，但在瀝青鋪筑完成后，基層受溫度和濕度影響較大，基層材料會承受較大的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，一旦超過其抗拉強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度，基層就出現(xiàn)裂縫，所以劈裂強(qiáng)度可作為基層的破壞強(qiáng)度指標(biāo)，然后推測此時的破壞強(qiáng)度所對應(yīng)的施工技術(shù)指標(biāo)抗壓強(qiáng)度的大小，由圖8可知，劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度線性正相關(guān)，即可通過劈裂強(qiáng)度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，可由抗拉強(qiáng)度對抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估。

2.2.6 劈裂強(qiáng)度與劈裂回彈模量的關(guān)系

劈裂回彈模量是基層抵抗水平拉應(yīng)力的能力，在車輪荷載條件下，基層層底受較大的拉應(yīng)力，抵抗拉應(yīng)力不足時，基層會出現(xiàn)裂縫，裂縫會擴(kuò)展到面層出現(xiàn)反射裂縫，從而影響道路的正常使用。由圖9可知，劈裂強(qiáng)度與劈裂回彈模量的相關(guān)性較好，由于回彈模量的測量，相對于較困難，可以用劈裂強(qiáng)度對劈裂回彈模量進(jìn)行預(yù)估，大大減少工作量。

3 結(jié)論

（1）整體來說，粗集料的棱角性對基層強(qiáng)度的影響是正向的，粗集料棱角性越好基層的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度越高。

（2）劈裂強(qiáng)度作為基層的強(qiáng)度和破壞指標(biāo)，對組成混合料的粗集料進(jìn)行棱角性的替換，可以減少基層和面層裂縫的產(chǎn)生，減少道路病害。并且可以在知道劈裂強(qiáng)度的條件下對抗壓強(qiáng)度和劈裂回彈模量進(jìn)行預(yù)估。

（3）在配合比、齡期和水泥摻量相同的情況下，可以通過改善集料本身的性質(zhì)來提高混合料的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王彥喆. 粗集料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對瀝青混合料性能的影響研究［D］.西安：長安大學(xué)，2012.

［2］ 賴錦華. 水泥穩(wěn)定再生骨料路面基層力學(xué)性能及疲勞性能研究［D］.福州：福州大學(xué)，2017.

［3］ 袁國柱. 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土強(qiáng)度控制指標(biāo)［D］.西安：長安大學(xué)，2008.

［4］ 李德國. 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［5］ 魏連雨，葛景峰，朱旭紅，等， 季節(jié)性環(huán)境溫度下二灰碎石基層強(qiáng)度增長規(guī)律研究［J］. 中外公路， 2012. 32（1）： 80-83

［6］ 徐靜. 水泥穩(wěn)定碎石基層抗彎拉性能試驗研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013

［7］ 陳峰林， 凌晨，李豪. 高速公路改擴(kuò)建工程新舊路面基層拼接界面處理方案研究［J］. 公路， 2017. 62（11）： 14-18.

［8］ 高伏良，黃永強(qiáng)，李飛，等， 工業(yè)廢渣路面基層材料試驗研究［J］. 公路工程， 2012. 37（5）： 214-217.

［9］ 王彥喆， 粗集料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對瀝青混合料性能的影響研究［D］. 西安： 長安大學(xué)， 2012.

［10］ 譚憶秋，宋憲輝，紀(jì)倫，等， 粗集料性能對瀝青混合料高溫性能的影響［J］. 中國公路學(xué)報， 2009. 22（1）： 29-33

［11］ 刁志軍， 基于粗集料形態(tài)特征參數(shù)的瀝青混合料力學(xué)性能影響因素分析［D］. 長春： 吉林大學(xué)， 2020.

［12］ 岳寶峰， 基于骨架和凸包特征的粗集料棱角性評價方法研究［D］. 西安： 長安大學(xué)， 2018.

［13］ FLETCHER T， CHANDAN C， MASAD E，eta1. Aggregate Imaging System （AIMS） for Characteirzing the Shape of Fine and Coarse Aggregates［J］. Transportation Research Record 2003， 1832： 67-77.

［14］ KU0 Chun-yi. Correlating Permanent Deformation Characteristics of Hot Mix Asphalt with Aggregate Geometric Irregularities ［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2002，30（2）：13-14.

［15］ WILSONJD，KL0TZLD. Quantitative Analysis of Aggregate Based on Hough Transform［J］. Transportation Research Record， 1996， 1530：111-115.

［16］ 楊代六，徐迅.磷渣對硅酸鹽水泥水化硬化的影響研究［J］.混凝土，2006（12）：46-48.

［17］ 肖倩，張蕾， 路用粗集料形態(tài)可視化識別及其評價方法綜述［J］. 公路交通科技， 2016. 33（5）： 46-52.

［18］ 李嘉， 林輝. 基于數(shù)字圖像處理的粗集料棱角性量化研究［J］. 公路交通科技， 2008， 25（7）：27-31.

［19］ 程小云. 基于礦料顆粒量化指標(biāo)的瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計［D］.西安： 長安大學(xué)，2010.

［20］ 熊琴. 粗集料形狀特征的數(shù)字圖像分析［D］.重慶： 重慶交通大學(xué)2011.