集料颗粒形态特征对沥青混合料高温性能的影响

摘要：采用数字图像处理技术及流动时间法分别对粗集料和细集料的棱角性、圆度和纹理等形态特征进行试验定量描述，并采用车辙试验来评价集料特性对沥青混合料高温性能的影响。试验结果显示：随着集料棱角性及圆度的增大及集料纹理的复杂程度增加，沥青混合料的高温稳定性提高；随着细集料中河砂含量的增加，混合料高温稳定性降低，因此建议沥青混合料中河砂含量不宜超过集料总量的20%。

关键词：沥青混合料；高温稳定性；集料；形态特征

中图分类号：U414.75文献标志码：B

Abstract： The angularity， roundness and texture of coarse aggregate and fine aggregate were tested and described respectively through the digital image processing technology and the flow time method. The rutting test was used to evaluate the effect of aggregate characteristics on the high temperature performance of asphalt mixture. The results show that the high temperature stability of asphalt mixture improves when the angularity and roundness of aggregate increase and the texture is more complex； given that the increase in river sand will cause a drop in high temperature stability， a suggestion was made that the river sand should not exceed 20%.

Key words： asphalt mixture； high temperature stability； aggregate； morphological characteristic

0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[13]。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[47]。

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[810]。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[1113]。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。

1试验材料及方案

1.1原材料

沥青采用SK90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。

选取的AC13及AC16设计级配组成见表1，其中AC13沥青混合料的油石比为45%，AC16混合料的油石比为48%。

1.2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、1 000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。

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。粗集料棱角性、圆度、纹理对车辙深度的影响如图4～6所示。由D1～6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。由图1～3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；由图4～6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。

3.1.2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[1920]。

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500～1 000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。

3.2细集料形态特征对沥青混合料高温稳定性的影响

3.2.1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AC13试件进行车辙试验，结果见表5。

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%。

3.2.2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。

4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%。

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