砾石棱角性对沥青混合料路用性能的影响

刘力侨，徐龙，谢涛，汪秀根

（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.拉萨市政设计院，西藏 拉萨 850000；3.中交一公局海威工程建设有限公司，北京 通州 101100；4.国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南 昆明 650000）

砾石是一种岩性较为复杂的沉积物，其主要成分为硅质岩、脉石英、石英砂岩、粉砂质板岩、粉砂岩、断裂岩等物质[1]。砾石可用于道路的基层和底基层，而面层使用相对较少，其主要原因是砾石表面光滑，集料骨架互锁性弱，导致沥青混合料的骨架结构特性下降。其次，砾石中SiO2含量较高，碱性活性不足，使得骨料与沥青反应较少，会造成沥青与骨料的黏附性较差。

国内对于砾石的研究主要集中于提高砾石与沥青的黏附性，而对集料特性研究相对较少[2-4]。粗集料的特性主要体现在形状、棱角、纹理等方面，决定了沥青胶浆与集料的微观裹附效果，集料-沥青-集料夹层的剪切与拉伸性能受集料特性的影响较为显著，同时，对沥青混合料的高低温性能、水稳定性能、疲劳性能产生直接影响[5-6]。在美国公路战略研究（strategic highway research program，简称为SHRP）计划认定的集料特性中，粗集料的棱角性最重要，其重要性仅次于级配[7-8]。中国对砾石粗集料的棱角有要求，但缺乏相应的实验，目前仅对破碎面作了要求。对于粗集料棱角特性的研究主要是采用数字图像处理技术，以圆度、长短比、棱角点、凸包面积差、梯度棱角性等指标对集料棱角进行表征，研究集料棱角特性对沥青混合料的影响[9-11]。但林豪[12]通过数字图像的粗集料形态学特征测试，发现与玄武岩和安山岩相比，卵石形态指标变异性大。通过数字图像处理技术对粗集料棱角表征虽然可以做到定量分析，但是各评价指标仍未有统一定论，并且用于工程实际存在一定难度。而通过集料特性优化沥青混合料的级配设计，当前研究较少[13]。因此，本研究采用ASTMD3398-97 和AASHTO TP56 方法对砾石粗集料的棱角性进行表征，基于灰色关联理论建立砾石粗集料的棱角值与沥青混合料路用性能指标灰色关联，分析砾石粗集料的棱角特性对沥青混合料的影响。为砾石沥青混合料级配的优化设计提供依据。

1 材料及表征

1.1 原材料

采用拉萨地区砾石作为研究对象，经XRF 检测得到砾石的化学成分，其中，w（SiO2）=68.82%，w（Al2O3）=16.10%，w（Fe2O3）=3.76%，w（K2O）=3.40%，w（Na2O）=2.75%，w（CaO）=2.43%，w（MgO）=1.76%。砾石粗骨料的物理性质见表1，而沥青选用克拉玛依90#基质沥青，主要性能指标见表2。

表1 砾石粗骨料的物理性质Table 1 Physical properties of gravel coarse aggregate

表2 90#基质沥青性能指标Table 2 Performance index of the 90#base asphalt

1.2 砾石粗集料的棱角性表征

1.2.1 ASTMD3398-97方法

ASTMD3398-97 法是由美国材料与试验协会（american societyfor testing and materials，简称为ASTM）提出，用粗集料颗粒指数lap，进行表征粗集料的棱角性，但此法难以明显区分不同粗集料形状特性的差异。因此，刘振清等人[14]考虑自然堆积状态下的粗集料间隙率进行方法修正，修正过后lap的计算式为：

式中：V0为自然堆积状态下的粗集料间隙率；V10为捣实10 次状态下的粗集料间隙率；V50为捣实50次状态下的粗集料间隙率。

式中：I为整个级配的平均棱角性系数；Pi为各粒径集料的质量百分含量；lapi为单级粒径的棱角性系数。

1.2.2 AASHTO TP56方法

该方法是美国国家公路与运输协会（american association of state highway and transportation officials，简称为AASHTO）确定的测定粗集料棱角性的标准试验方法，在高等路面设计时用于检验粗集料棱角性是否满足高温抗车辙的要求[15]，其计算式为：

式中：V为接收容器的体积；F为粗集料试样的净重；G为粗集料试样的干容重由（AASHTO T85）方法测得；U为未压实空隙率。

以破碎面的数量为依据，将各单档粒径的砾石粗集料分成棱角性差异较大的两组，测其I、U值后，将棱角性好的砾石粗集料分别按20%、40%、60%、80%的比例替换棱角性较差的砾石粗集料，再分别测出不同掺配下各单档粒径的棱角性参数。ASTMD3398-97 方法和 AASHTO TP56 方法表征下的砾石粗集料棱角性参数见表3。

表3 砾石粗集料棱角性参数计算结果Table 3 Calculation results of angularity parameters of gravel coarse aggregate %

1.2.3 砾石沥青混合料的级配设计

本试验选用AC-16 连续密级配，见表4。试验过程中采用分档筛分，再用回配方式来保证混合料试件级配。采用6种不同棱角性的砾石粗集料进行混合料骨架结构的搭建。细集料则是破碎砾石、机制砂、河沙的互掺，同时，以石灰岩矿粉对混合料骨架作进一步填充。沥青选用克拉玛依90#基质沥青，以5%油石比进行混合料配合比设计。

表4 砾石级配Table 4 Gravel grading

2 试验方法及结果分析

2.1 砾石粗集料棱角值对沥青混合料路用性能的影响

2.1.1 水损害

为探究砾石粗集料棱角性差异对沥青混合料抗水损害能力的影响。首先，采用平均棱角性及压实空隙率对砾石粗集料的棱角性表征，为控制级配对沥青混合料抗水损害的影响，将不同棱角性的砾石粗集料按相同级配进行设计。然后，马歇尔试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2011）[16]进行成型，马歇尔体积指标见表5。砾石沥青混合料的力学性能随棱角性变化如图1～2 所示，砾石沥青混合料抗水损害能力随棱角性变化如图3～4所示。

表5 马歇尔体积指标Table 5 The Marshall volume index

图1 30 min稳定度随棱角值变化关系Fig.1 Relationship between the 30 min stability and the edge angle value

图2 48 h稳定度随棱角值变化关系Fig.2 Relationship between the 48 h stability and the edge angle value

图3 浸水残留稳定度随棱角值变化关系Fig.3 Relationship between the MS0 and the edge angle value

图4 冻融劈裂抗拉强度比随棱角值变化关系Fig.4 Relationship between the TSR and the edge angle

由表5可知，砾石粗骨料的棱角性越差，细骨料对沥青混合料的骨架填充作用越强，导致空隙率逐渐降低，马歇尔试件的毛体积相对密度越大。在相同配合比设计下，当沥青用量不变时，随着矿料骨架的空隙率随着降低沥青饱和度逐渐增大。

从图1～2 中可以看出，砾石粗骨料棱角与稳定度具有良好的线性相关性，其相关度大于0.7。当砾石粗骨料的棱角性变差时，无论是30 min 时的马歇尔浸水残留稳定度，还是48 h 的浸水稳定度，都是逐渐降低的。一方面，随着砾石粗骨料的光滑面增多，在整个沥青混合料的骨架结构当中粗糙界面减少，粗骨料之间的接触点数目减少。同时，粗骨料趋于圆润之后，角度降低，导致沥青混合料的骨架互锁性减弱。随着纹理减少，不利于沥青胶浆与粗骨料的裹附，从而影响沥青混合料的结构特性。另一方面，粗集料的棱角减少之后，细集料对骨架填充作用明显，沥青混合料的空隙率降低。在加载过程中，马歇尔试件内部的应力无足够空间得到释放，最终导致沥青混合料的稳定度降低。

从图3～4 中可以看出，浸水残留稳定度与砾石粗骨料棱角值具有良好的二次相关性。在小范围内，砾石粗骨料的棱角能够提高沥青混合料的水稳定性，但随着棱角性降低之后，骨架的互锁性减弱，并且砾石表面孔隙率大，结构疏松，表面微观结构比较平顺，微观比表面积较小，不利于沥青与集料充分接触，使得沥青胶浆裹附效果变差[17]。砾石中二氧化硅含量高达68.82%，呈酸性，其表面碱性活性中心较少，降低了沥青与骨料的黏附作用。因此，砾石粗骨料对水的敏感程度随集料的棱角变差而增大，尤其是在平均棱角性＜42.85，未压实空隙率＜17.82 时表现突出。表明：以冻融劈裂抗拉强度比评价砾石粗骨料棱角变化对砾石沥青混合料抗水损害时，冻融劈裂抗拉强度比的值出现较大离散。采用融劈裂抗拉强度比相较于用浸水残留稳定度评价沥青混合料的抗水损害能力的实验条件更为严格。砾石集料与沥青的黏接性能相较于混合料的结构特性，影响更为显著。

2.1.2 高温稳定性

通过车辙试验，探究砾石粗集料棱角性对沥青混合料的影响，沥青混合料车辙试件按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2011）[16]进行成型，将成型好的试件在60℃环境下保温5 h 后，将轮碾仪荷重调至700 N，轮压力设置为0.7 MPa 时进行试验，试验全过程为计算机控制，动稳定度随粗集料棱角性的变化关系如图5所示。

图5 DS随棱角值变化关系Fig.5 Relationship between the DS and the edge angle value

从图5中可以看出，砾石粗集料棱角值的变化与沥青混合料的高温性能较高二次相关性，相关度高达 0.942 5。就相关性而言，0.942 5，因此，未压实空隙率法优于平均棱角性法。根据拟合曲线可知，当平均棱角性在47.47%，未压实空隙率约19.52%时，砾石粗集料棱角值显著提高了混合料的高温性能；当平均棱角性小于43.41%，未压实空隙率小于18.29%时，砾石棱角值对动稳定度的影响程度显著，导致沥青混合料的高温稳定性已经无法满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTC F40-2004）[18]中的设计要求。而当平均棱角性大于43.41%，未压实空隙率大于18.29%时，砾石集料棱角值对沥青混合料的高温抗变形能力有限。一方面，沥青沥青混合料的骨架随着棱角值的增大使得互锁作用增强；另一方面，砾石粗骨料的尖角处在荷载作用下，出现应力集中现象，制约了沥青混合料高温稳定度的提高。因此，在平均棱角性为43.41%～47.47%，未压实空隙率为18.29%～19.52%时，随着棱角值的提高，沥青混合料动稳定度的变化浮动范围较小。

2.1.3 低温性能

沥青混合料在低温环境下受拉开裂，被视为能量消耗过程[19]。当沥青混合料内部储存的弹性应变能更大时，抵抗载荷与低温耦合作用的性能更好，低温性能也会得到改善[20]。因此，本研究以应变能密度作为评价指标，分析砾石粗骨料棱角值的变化对沥青混合料低温性能的影响，应变能密度计算式为：

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2011）中混合料弯曲试验的要求进行试验。试件长为250±2 mm、宽为30±2 mm、高为35±2 mm，试验温度为－10℃±0.5℃，加载速率为50 mm/min。试验在UTM 上进行，在开始加载前，预先将试件放置在环境箱中进行保温处理。

砾石沥青混合料的应变能密度随棱角值变化关系如图6 所示。从图6 中可以看出，砾石粗集料的棱角值与沥青混合料在低温环境下开裂时，应变能密度具有良好的二次相关性，相关性大于0.6。就相关性而言，因此，未压实空隙率法优于平均棱角性法。根据拟合曲线可知，当平均棱角性为47.47%，未压实空隙率约19.52%时，砾石粗集料棱角值对混合料的低温性能提高显著。当平均棱角性小于43.41%，未压实空隙率小于18.29%时，应变能密度下降显著；当平均棱角性大于43.41%，未压实空隙率大于18.29%时，应变能密度随着砾石粗集料的棱角值增大，出现了先增大后减小的变化。一方面，随着棱角值变大，集料表面纹理丰富，沥青混合料的骨架互锁作用增强；另一方面，随着砾石粗集料棱角值增大，集料之间的接触点数增加，伴随着接触点所在的软弱层增加，导致集料在受力情况下出现应力集中现象，削弱了沥青混合料的骨架互锁作用。虽然棱角值的提高增加了沥青混合料的结构特性，但抵抗低温抗变形的能力始终较小，这是由于砾石这种酸性集料与沥青的黏接性能较差，降低了沥青混合料的低温抗变形能力。

图6 应变能密度随棱角值变化关系Fig.6 Relationship between the strain energy density and the edge angle value

2.2 砾石粗集料单档粒径棱角值对沥青混合料路用性能的灰色关联分析

灰色关联度分析是通过多种因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素之间的关联程度，找出对系统影响程度最大的主要因素或者特征，在沥青混合料的研究中运用广泛[21-22]。用关联系数和关联度对相似程度进行描述，而关联度指各个因素对结果的影响程度。关联度的计算式为：

式中：χ0、χι分别是参考数列和比较数列的平均值。

3）关联系数计算式为：

以沥青混合料的浸水残留稳定度、动稳定度、应变能密度作为参考数列，将砾石粗骨料各级粒径棱角值作为比较数列，建立砾石粗骨料各级棱角值变化对沥青混合料路用性能影响的关联度。分析砾石粗骨料中不同粒径的棱角值对沥青混合料路用性能的影响，砾石粗集料棱角值与路用性能指标关系见表6，通过MATLAB 程序计算关联度，结果见表7。

表6 砾石粗集料棱角值与路用性能指标关系Table 6 Relationship between the edge angle value of gravel coarse aggregate and the road performance index

表7 路用性能指标与各级粗集料棱角值的相关度计算结果Table 7 Calculation results of correlation between the road performance index and the edge angle value of coarse aggregate of all levels

由表7可知，砾石粗集料棱角值对沥青混合料路用性能的影响程度为：低温性能＞高温性能＞抗水损害能力。对于抗水损害能力影响而言，粒径为16.00～19.00 mm 集料棱角值的影响最大，这是因为在沥青混合料的结构特性中，由粗集料提供骨架，受外部荷载情况下抵抗变形，大粒径集料棱角值直接影响了其表面纹理的粗糙程度，决定了与其周围集料的互锁能力和沥青的裹附效果，但由于砾石沥青混合料对水敏感较高，降低了沥青与集料的黏接性能，此时结构特性影响较为显著。而对于沥青混合料的高低温而言，粒径为13.20～16.00 mm 集料棱角值的影响最大，这是因为13.20～16.00 mm 的集料在粗集料中所占比例较多且骨料较大，棱角值大小决定了集料之间的接触特性，进一步影响了沥青混合料在受外部荷载时抵抗变形的能力。

3 结论

通过 ASTMD3398-97 法和 AASHTO TP56 法进行砾石粗集料的棱角表征，以AC-16 砾石沥青混合料为例，研究了砾石粗集料棱角值对沥青混合料路用性能的影响，得到结论为：

1）通过函数拟合所得到的相关度可知，集料通过AASHTO TP56 法进行棱角值表征是优于ASTMD3398-97法的。

2）砾石沥青混合料的抗水损害能力主要受沥青与集料的黏接性能影响较大，棱角值的影响较小。

3）基于灰色关联分析可知，砾石粗集料棱角值对沥青混合料路用性能的影响程度为：低温性能＞高温性能＞抗水损害能力。

4）砾石粗集料棱角值与沥青混合料的高低温性能具有二次相关性。当平均棱角性在47.47%，未压实空隙率约19.52%时，砾石粗集料棱角值显著提高了沥青混合料的高温性能。根据灰色关联度计算结果可知，13.20～16.00 mm 集料的棱角值对砾石沥青混合料的高低温性能影响最大。