集料几何特性对沥青混合料流变特性的影响研究

摘要：沥青混合料与沥青的流变特性存在许多相似性,它们之间唯一的差异性在于材料的结构组成不同, 沥青属于均质性材料, 沥青混合料属于颗粒性材料。造成这一差异的主要因素是沥青混合料中90%～95%的集料。集料的几何特性如棱角性、表面纹理、形状特性等均会对沥青混合料的流变特性形成影响，本文通过对沥青及沥青混合料的流变特性分析和集料几何特性的分析，简要的分析了集料几何特性对沥青混合料流变特性的影响。

关键词：流变性；集料；表面纹理；棱角性；形状特性

1沥青及沥青混合料流变特性分析

1.1 粘弹性特征

沥青混合料被认为是一种典型的颗粒性材料,它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体不完全填充。在通常的工作条件下,这种混合料的流变特性也表现为粘弹性,并具有这样两个根本特征:①它的力学特性与激励时间(如应变速率,频率)和实验温度(θ)密切相关;②具有十分明显的蠕变和松弛现象。也就是说,如果材料服从上述两个特征之一,就可以认为这种材料具有粘弹性。蠕变和松弛实验现象是粘弹性材料非常重要的流变特征。大量的实验研究已经证实,沥青和沥青混合料表现出完全相同的蠕变和松弛现象。通常包括三个阶段:①蠕变迁移,最多占总蠕变时间的20%,且变形与时间呈非线形关系;②蠕变稳定,至少占总蠕变时间的80%,变形与时间呈线形关系:ε(t)=at+b,其中a、b为实验常数;③蠕变破坏,几乎是瞬时发生,只需要几秒钟。

这一部分的论述说明,沥青和沥青混合料在不同的应变速率和温度下具有相同的应力-应变特性、蠕变松弛现象以及时温等效特性。所以说,沥青和沥青混合料的粘弹性实验特性相似。

1.2 流变模型

沥青与沥青混合料在高温和长时间荷载作用下, 其变形则以粘性流动为主在大多数实际使用情况, 它们的变形处于粘弹性状态,因此可以用Burgers模型来描述其流变行为。

2 集料几何特性

2.1集料表面棱角性

沥青混合料是一种由多种材料组成的多相复合材料，其中占据混合料大部分的集料的性质对沥青混合料的工程特性起到重要的影响作用。尤其是集料的棱角性特征，反映了集料颗粒细观局部的变化特征与状态，将影响到沥青混合料空间骨架的构建、影响到沥青砂浆与集料间的相互作用效应、并影响沥青结合料的用量大小，进而影响到沥青混合料的耐久性、工作和易性、抗剪切强度、抗弯拉强度、疲劳性能、最佳沥青含量，最终对沥青混凝土路面的综合路用性能起到重要影响。

2.2集料表面纹理

集料表面纹理由集料的岩石种类、成岩机理和破碎机理等因素决定。集料表面纹理首先取决于原岩的断裂面结构，其次也取决于破碎机械的种类，通常采用颚式破碎机容易产生较多的针片状颗粒和光滑的表面纹理。

在沥青混合料中，集料表面纹理对沥青混合料性能具有极为明显的影响，通常具有明显的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近似正方体，且具有明显细微凸出的粗糙表面的集料，在碾压后能互相嵌挤锁结而具有很大的内摩擦角。在其他条件相同的情况下，这种集料所组成的沥青混合料较之表面平滑的颗粒具有较高的抗剪强度与良好的高温稳定性。集料的表面纹理还可以影响沥青混合料内部的孔隙结构(如孔隙的大小、形状和连贯情况)，因而可以对车辙深度表现出不同的影响。另外，当集料表面纹理粗糙时,其比表面积也大，有利于增加沥青与集料的接触面积，增强了粘附力；而且集料表面粗糙，沥青膜也不会从集料表面全部脱落。即在不考虑其他影响因素时，集料表面纹理越粗糙，集料比表面积越大，吸附沥青数量越多，集料表面结构沥青膜较厚，增强沥青混合料的耐久性能。

2.3集料形状特性

集料颗粒的综合形态特征可以用3个不同层次且相互独立的特征分量来描述：形状、棱角与纹理。第一层次特征是形状，反映集料颗粒宏观整体的变化特征与状态；第二层次特征是棱角，反映集料颗粒细观局部的变化特征与状态；第三层次特征是纹理，反映集料颗粒微观尺度范围内的变化状况。这三个层次的特征分量可以广泛自由分布、不尽相同，三者间也并不存在必然的相关联系。

3集料几何特性对沥青混合料流变特性的影响

由第一章分析可知，沥青混合料与沥青的流变特性类似但不尽相同，最大的差别在于宏观上沥青属于均质性材料, 而沥青混合料属于颗粒性材料。造成差异的主要原因就是沥青混合料中占到90%以上的集料。因此，集料的特性必然对沥青混合料的流变特性造成影响。

集料的主要几何特性有棱角性、表面纹理和形状特性，通过第二章的分析可知，集料通过这几个方面对沥青混合料的流变特性形成影响。在棱角性方面，如果集料具有较好的棱角性，则能形成很好的嵌挤效果，可以改善沥青混合料的高温稳定性；在表面纹理方面，具有明显细微凸出的粗糙表面的集料，在碾压后能互相嵌挤锁结而具有很大的内摩擦角，另外，当集料表面纹理粗糙时,其比表面积也大，有利于增加沥青与集料的接触面积，增强了粘附力；而且集料表面粗糙，沥青膜也不会从集料表面全部脱落。

4 结语

本文通过对沥青及沥青混合料流变的特性以及集料几何特性的分析，简要分析了集料几何特性对沥青混合料流变特性的影响。沥青混合料与沥青的流变特性相似，但沥青混合料属于颗粒性材料，集料通过表面纹理、棱角性、形状特性等几何特性影响沥青混合料的流变特性。

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