基于粗集料形态特征的AC沥青路面路用性能研究

杨皓丹,莫荣江,肖贺旭,张 闯,张菁钰,郑艺伟

(1.中国建筑第七工程局有限公司,郑州 450000;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074)

沥青混合料性能受沥青[1]、集料级配[2]、集料特征[3]、外加剂[4-5]、施工技术[6-7]等因素的影响。集料形态特征直接影响沥青混合料最佳油石比、路用性能。笔者选用鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ、玄武岩4种粗集料成型AC-13沥青混合料,开展基于集料形态特征的沥青混合料级配设计及路用性能研究。

粗集料形态特征量化方法有数字图像处理法[8-9],CT(Computed Tomography)扫描法[10],分析仪测定法[11],数学建模法[12]等。本文采用数字图像处理法对粗集料形态量化分析,通过冻融劈裂试验、高温车辙试验、低温劈裂试验对沥青混合料水稳定性能、高温稳定性能和低温抗裂性能进行评价[13-14]。建立灰色关联模型对粗集料形态特征与沥青混合料路用性能进行关联度分析。

1 集料形态特征研究

试验选用粒径9.5～13.2 mm的鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ、玄武岩4种集料进行图像采集,采用Image-Pro Plus对集料图像进行色彩降噪、要素拾取、界面渲染。提取参数面积A、周长Pe、轮廓周长Pec、近似圆周长Pee、轮廓长BX、轮廓宽BY、费雷特直径最大值Fmax、费雷特直径均值Fmean、费雷特直径最小值Fmin等。

基于平面投影原理,采用电感深度仪测定集料厚宽比ζ。根据等效椭圆理论,采用棱角凸起度P、圆形相似度R和长短轴差异量As表征集料二维形态特征,针状程度Nd、片状程度Sd、球形相似度Ds和综合形态因子Sf表征集料三维形态特征,公式如表1所示。

表1 集料形态特征指标计算公式

鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ、玄武岩宏观形态特征指标,如图1所示。4种集料的宏观形态特征参数统计量如表2所示。

图1 集料形态特征数据3D条状图

表2 集料形态特征指标数据

分析得到,鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ、玄武岩4种粗集料形态特征指标依次增强。

2 配合比设计

采用鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩4种粗集料,石灰岩细集料,矿粉,AH-70#沥青作为原材料,成型AC-13沥青混合料。

2.1 矿料级配设计

设计采用粗型密集配,控制2.36 mm筛孔尺寸通过率低于40%,矿粉用量确定为6%,通过级配验证试验得到集料配合比筛孔通过率,绘制集料级配曲线如图2所示。

2.2 最佳油石比确定

设定初始油石比4.0%,4.5%,5.0%,5.5%,6.0%。根据混合料物理力学指标确定4种粗集料AC-13沥青混合料最佳油石比。玄武岩AC-13沥青混合料最佳油石比确定试验指标参数,如表3所示。

表3 玄武岩AC-13马歇尔试件参数

根据沥青混合料参数绘制关系曲线,如图3所示。

图3 油石比与玄武岩AC-13马歇尔试件参数的关系

由图3可得,最大密度所对应的油石比a1=5.2%;最大马歇尔稳定度所对应的油石比a2=5.0%;根据规范[15]设计空隙率范围中值为5%,其对应的油石比a3=4.4%;按照规范[15]规定沥青饱和度的中值为70%,其对应的油石比a4=4.7%;其平均值为OCA1:

(1)

根据试验结果可知,满足各项要求的油石比范围为4.0%～4.9%。其平均值为OCA2:

OCA2=4.45%

(2)

根据OCA1和OCA2确定玄武岩AC-13沥青混合料的最佳油石比OCA:

(3)

保留1位小数,玄武岩作为粗集料最佳油石比取4.6%,沥青含量为4.6%/(4.6%+1)≈4.4%。

根据同样的方法得到鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ和破碎鹅卵石Ⅱ作为粗集料成型AC-13沥青混合料的最佳油石比,如表4所示。

3 沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性能研究

采用高温车辙试验评价沥青混合料高温稳定性,试验结果显示:鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩4种不同形态特征粗集料成型的AC-13沥青混合料动稳定度依次增大,为307,755,1960,3115次/mm,其中鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ AC-13沥青混合料动稳定度低于800次/mm,不满足规范[15]要求。

3.2 低温抗裂性能研究

采用试验温度(-10±0.5) ℃加载速率1 mm/min低温劈裂试验测定沥青混合料劈裂强度、劈裂拉伸应变和劲度模量,泊松比μ值取0.25,试验结果如表5所示。

表4 AC-13沥青混合料的最佳油石比汇总 %

表5 AC-13沥青混合料低温劈裂试验结果

鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩4种AC-13沥青混合料在(-10±0.5) ℃下的劈裂强度和劈裂应变均依次增大,4种沥青混合料抵抗劈裂荷载破坏能力依次增强;4种沥青混合料在(-10±0.5) ℃下的劲度模量依次减小,抵抗变形破坏能力依次增强。

3.3 水稳定性能研究

采用冻融劈裂试验对4种AC-13沥青混合料进行测定,汇总试验结果,如表6所示。

鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩4种AC-13沥青混合料的冻融劈裂试验强度比依次增大,增大幅度比较明显。

4 集料形态特征对沥青混合料路用性能的影响分析

4.1 建立集料形态特征与沥青混合料路用性能灰色关联模型

1) 收集分析数据。设鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩4类沥青混合料路用性能指标为X1,X2,X3,X4,7种形态特征指标P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf为Xi(1),Xi(2),…,Xi(7),形成如下矩阵:

(4)

则

(5)

2) 确定参考数据列。集料形态特征与路用性能指标灰色关联模型的参考数据列是一个比较标准,记作:

(6)

式中:X0(1),X0(2),…,X0(7)分别为P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf7种形态特征指标的参考数据。

3) 集料形态特征数据无量纲化。采用数据等效均值化处理方法对集料形态特征参数和路用性能指标进行无量纲化处理,计算过程为

(7)

无量纲化后的集料形态特征参数和路用性能指标序列形成矩阵:

(8)

采用路用性能指标序列作为比较序列,7个集料形态特征作为参考序列,计算比较序列集料形态特征参数与参考序列元素抗滑衰变指标的绝对差值:

|X0(k)-Xi(k)|,k=1,2,…,7i=1,2,3,4

(9)

4) 数理运算

(10)

5) 各指标之间的关联系数运算。根据式(10)对每个路用性能指标和集料形态特征指标进行计算:

(11)

其中,0<ρ<1,本文取ρ=0.5。

6) 计算关联序。集料形态特征参数与路用性能指标关联系数均值为关联序,记为

(12)

7) 依据集料形态特征参数关联序,得出分析结果。

4.2 集料形态特征与沥青混合料路用性能灰色关联度分析

对7个评价项(P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf)与3个路用性能指标(动稳定度,劲度模量,冻融劈裂强度比)进行灰色关联度分析,统计灰色关联度,如图4所示。

AC-13沥青混合料动稳定度关联度最高参数为P,且关联度大于0.7;劲度模量关联度大于0.8的参数为As,Nd;冻融劈裂强度比关联度较高参数为Nd,Sf,Sd,且关联度大于0.8。

分析得出,AC-13沥青混合料高温稳定性受粗集料棱角性影响最大,低温抗裂性能和水稳定性能受粗集料棱角性和针片状影响很大。

5 结束语

鹅卵石、破碎鹅卵石Ⅰ、破碎鹅卵石Ⅱ和玄武岩AC-13沥青混合料的冻融劈裂试验强度比、动稳定度均依次增大,AC-13沥青混合料的冻融劈裂试验强度的劲度模量依次减小,说明这4种粗集料沥青混合料的抵抗变形破坏能力依次增强。研究表明,粗集料棱角性、针片状形态特征对沥青混合料路用性能有直接影响,粗集料棱角性越明显沥青混合料的高温稳定性越好、抵抗变形破坏能力越强,粗集料针片状越明显沥青混合料的低温抗裂性能能力越好。