集料细观形态变异性及其沥青混合料性能研究

张登峰 程 明 崔培德 陈美祝

(武汉工大土木工程检测有限公司1) 武汉 430070) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引 言

沥青混合料中,集料在质量和体积方面均占总数的90%以上,是沥青混合料中最重要的组成材料之一,其理化性能会显著影响影响沥青混合料的路用性能[1].

集料的性质可主要分为以下两种类型:集料的原生资源特性(如化学组成、磨光值、密度、吸水率等)和加工特性(如石料的针片状颗粒含量、含泥量、棱角性、粗糙度等).其中,集料的形态学特征影响着沥青混合料的细观结构和宏观力学指标,是集料中不可忽视的重要性质[2-3].集料的形态特征主要包括形状、棱角性和表面纹理三个方面.美国公路战略研究(SHRP)计划中表明,属于细观形态特征的棱角性和纹理被是决定混合料性能的主要形态因素[4].

研究人员就集料形态特征及其与沥青混合料性能之间的联系展开了研究.张磊[5]探究了沥青混合料中针片状颗粒含量对沥青混凝土性能的影响,结果表明:针片状颗粒含量的增加对沥青混合料各温度域的力学性能均产生了负面的影响.赵振军[6]的研究表明:粗集料的棱角性与沥青混凝土的高温性能、低温抗裂性能和抗滑性能成正相关,而与抗水损害性能成负相关.Cui等[7]通过手工选型的方法,控制了集料的单一形态学变量,发现沥青混合料的动稳定度随着棱角性的增加呈现出逐渐上升的趋势,随着球形度的增大呈现出逐渐减小的趋势.刘林[8]的研究表明:集料的表面纹理增加会显著加强沥青混合料的抗滑性能.

文中基于集料图像分析技术,探究集料的表面纹理和棱角性在磨损和冲击过程中的变异性,明确集料细观形貌特征参数与沥青混合料服役性能的相关性.

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

原材料包括SBS改性沥青,针入度52(0.1 mm)、针入度指数0.7、软化点89℃、延度38 cm(5℃)、黏度2.3 Pa·s(135℃).玄武岩集料,相对密度2.9、吸水率0.6%、压碎值11.2%、洛杉矶磨耗值10.9%、黏附性等级4级.石灰石矿粉填料,相对密度2.7、亲水系数0.6.

1.2 配合比设计

采用AC-13型沥青混凝土,它属于典型的悬浮密实结构.细集料、矿粉和沥青组成的玛蹄脂填充在粗集料之间的空隙中,形成密实不透水的整体结构,具有抗水损害性能强,难离析的优点.AC-13型沥青混凝土的级配曲线见图1.通过马歇尔级配设计方法,该沥青混凝土对应的最佳油石比为4.7%,其主要体积性能为:毛体积相对密度2.56,最大理论相对密度2.68,空隙率4.4%,矿料间隙率15.9%,沥青饱和度71.6%,均满足文献[9]中对体积性能的要求.

图1 AC-13型沥青混凝土的级配曲线

1.3 试验方法

1.3.1集料形貌

借助洛杉矶磨耗试验仪对9.5～13.2 mm的粗集料进行冲击和磨耗处理.磨耗过程按照文献[10]进行,设置磨耗转数分别为0、300、600、900、1 200和1 500 r/min,每次进行处理的样品质量为5 kg.此外,为了避免在磨耗过程中集料破碎从而影响粒径分布,在磨耗过程中没有添加钢球.不同磨耗转数后的集料,分别被用于制备沥青混凝土,因此共有六种混凝土类型.

采用集料图像分析系统(AIMS)表征梯度磨耗后玄武岩集料的棱角性和表面纹理.在仪器的内置算法中,集料棱角性的取值范围是0～10 000,数值越大,表示集料颗粒的棱角性约丰富;表面纹理的取值范围为0～1 000,数值越大,集料表面的纹理越粗糙.AIMS中的棱角性指数和纹理指数的说明见图2.

图2 集料棱角性指数和纹理参数图解[11]

仪器给出了集料棱角纹理复合指数(CAAT),将棱角和纹理进行整合,反正集料的整体细观形貌.计算公式为

CAAT=10×TX+0.5×GA

(1)

式中:TX为集料的表面纹理参数;GA为集料的棱角性指数.

1.3.2高温性能

采用沥青混合料车辙试验来评价沥青混合料的高温性能,试验过程按照文献[12](以下简称试验规程)进行.沥青混合料的车辙试验是沥青混合料在60℃和0.7 MPa的荷载条件下,测定由胶轮往复运动形成的车辙形变,并以动稳定度,即1 mm深度形变的需要的往复次数表示试验结果.动稳定度越大,表明高温性能越好.动稳定度的计算公式为

DS=630/(d60-d45)

(2)

式中:DS为动稳定度,次/mm;d60和d45分别为60和45 min时的车辙深度,mm.

1.3.3低温性能

采用半圆弯曲试验来评价由不同细观形态特征的集料制备而成的沥青混凝土的低温抗裂性能.试验样品见图3,它为半径50 mm、厚度30 mm的半圆,且为具有为统一裂纹走向,留出了2 mm×10 mm的凹槽.借助万能材料试验机对试件在-10℃的温度下进行弯曲试验,最大拉伸强度为

图3 半圆弯曲试验示意图

σ=6PL/tD2

(3)

式中:σ为弯拉强度,MPa;P为荷载峰值,N;L为试件底座间距离,mm;t和D分别为试件厚度和直径,mm.

1.3.4水损害性能

采用冻融劈裂试验,对由不同细观形态特征的集料制备而成的沥青混凝土的水损害性能进行测试.将待测试样分为两组,第一组在25℃的水槽中保温2 h后测劈裂强度;第二组经过真空饱水后,在-18℃下保温16 h,在置于60℃水浴中24 h,在25℃的水槽中保温2 h后测劈裂强度.试样的冻融劈裂抗拉强度比为

TSR=PT2h1/PT1h2

(4)

式中:PT1和PT2分别为第一组试件和第二组试件的劈裂抗拉强度;h1和h2分别为第一组试件和第二组试件的高度.

2 试验结果与分析

2.1 集料形貌结果

不同磨耗转数后集料的棱角和纹理特征见图4.由图4可知:随着磨耗次数的增加,集料的棱角特征逐渐减弱,集料边缘的锐度持续降低,经过1 500次的磨耗之后,集料轮廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圆形或类椭圆形.同时,随着磨耗次数的增加,集料的表面纹理特征也逐渐消失,表面变得越来越光滑.集料在不同磨耗转数后的棱角性指数、纹理指数和棱角纹理复合指数三种细观形态参数见表1,由表1可知:三种细观形态参数随着磨耗转数的增加都呈现出下降的趋势,这与图4中观察到的现象一致.此外,在磨耗次数达到900之后,集料的棱角性指数变化速度显著放缓,转数从900 r/min增加到1 200 r/min的过程中,棱角性参数仅减小了3.8%,说明棱角性的变化在900 r/min转数时已经到达了平台期.另一方面,在磨耗次数达到1 200之后,集料的纹理指数变化速度变慢,转数从1 200增加到1 500的过程中,纹理指数仅减小了2.6%,表明集料的纹理指数平台期在1 200转时出现.

表1 不同磨耗转数后集料的细观形态参数

图4 不同磨耗转数后集料的棱角和纹理特征

2.2 高温性能结果

棱角纹理复合指数与沥青混合料高温性能相关性分析结果见图5.由图5可知:随着棱角纹理复合指数的增加,试样的动稳定度呈现上升的趋势,且上升速度相对均匀.棱角纹理复合指数和沥青混合料的动稳定度之间有明显的线性关系,相关系数达到了0.96.这是因为随着集料棱角性增加,集料颗粒的棱角会使得矿料骨架的内摩擦力增大,从而增强了混凝土的内部结构;另一方面,纹理指数的提高了颗粒的比表面积,使其形成了更多的结构沥青,从而增加了抵抗高温变形的能力.此外,经过1 200磨耗转数之后,沥青混合料的动稳定度不再满足规范中>3 000次/mm的要求.根据图中的线性回归方程,计算出动稳定度3 000 次/mm时对应的棱角纹理复合指数为6 289.0,当棱角纹理复合指数小于此数值时,沥青混合料的高温稳定性便不满足要求.此临界数值可用于沥青混合料的前期设计,对高温稳定性做出初步判断.

图5 棱角纹理复合指数与沥青混合料高温性能相关性

2.3 低温性能结果

棱角纹理复合指数与沥青混合料低温性能相关性分析结果见图6.

图6 棱角纹理复合指数与沥青混合料低温性能相关性

由图6可知:随着棱角纹理复合指数的增加,试样的动稳定度呈现下降的趋势.棱角纹理复合指数和沥青混合料的弯拉强度之间具有一定的线性关系,相关系数为0.89.造成这种负相关性的的主要原因可能是,在低温的环境下,沥青混合料变硬变脆,从半弹性体向弹性体转变,当集料的细观形态结构较大时,导致沥青混合料的空隙上升.由于试件的横截面积一定,细观空隙增大使得试件的有效横截面积减小,承受弯拉荷载的能力也随之减弱.因此,低温性能的试验结果表现为弯拉强度随着棱角纹理复合指数的增大而减小.

2.4 抗水损害性能结果

棱角纹理复合指数与沥青混合料水损害性能相关性分析结果见图7.由图7可知:随着棱角纹理复合指数的增加,试样的抗水损害呈现上升的趋势.棱角纹理复合指数和沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比之间有明显的线性关系,相关系数达到了0.93.造成这种现象的主要原因是集料的棱角和纹理等细观形貌提高了颗粒的比表面积,集料粗糙的表面使得沥青和集料之间的接触面积更大,从而导致沥青和集料之间的黏结作用增强,因此,水损害性能的试验结果表现为冻融劈裂抗拉强度比随着棱角纹理复合指数的增大而增大.此外,经过1 200磨耗转数之后,沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比不再满足规范中>80%的要求.根据图中的线性回归方程,计算出冻融劈裂抗拉强度为80%时对应的棱角纹理复合指数为6 828.8,当棱角纹理复合指数小于此数值时,沥青混合料的抗水损害性能便不满足要求.此临界数值可用于沥青混合料的前期设计,对水损害性能做出初步判断.

图7 棱角纹理复合指数与沥青混合料水损害能相关性

3 结 论

1) 随着磨耗次数的增加,集料的棱角特征逐渐减弱,集料边缘的锐度持续降低,经过1 500次的磨耗之后,集料轮廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圆形或类椭圆形.对于纹理特征,随着磨耗次数的增加,集料的表面纹理特征也逐渐消失,表面变得越来越光滑.在磨耗转数达到900～1 200 r/min之后,集料的棱角性和纹理指数的变化速度显著放缓,因此900和1 200 r/min转分别是棱角性和纹理指数的平台期拐点.

2) 随着棱角纹理复合指数的增加,试样高温性能和抗水损害性能呈现上升的趋势,而低温抗裂性能呈现下降趋势.这是因为集料细观形貌丰富,会使得矿料骨架内摩擦力增大,同时提高了颗粒的比表面积,使其形成了更多的结构沥青,从而提高了高温性能和抗水损害性能;棱角性增大导致的沥青混合料空隙率上升是低温抗裂性能呈现下降的主要原因.

3) 根据棱角纹理复合指数与沥青混合料路用性能的线性回归方程,计算得到使高温性能和水损害性能满足规范要求的最低棱角纹理复合指数分别为6 289.0和6 828.8此临界数值可用于沥青混合料的前期设计,对高温稳定性和抗水损害性能做出初步判断,为沥青混合料的集料形态参数调控提供设计参考.