细集料形貌特征参数的表征及对SMA沥青混合料性能影响研究

周权 王涛利 罗正宇

摘要 文章采用数字图像处理技术对玄武岩细集料和石灰岩细集料以及混掺细集料的二维形状指数和棱角性指数进行定量表征，并评价了细集料形貌特征对SMA-13沥青混合料路用性能的影响规律。试验结果显示：随着细集料二维形状指数的减小，SMA-13沥青混合料的高温性能提高，低温抗裂性和水稳定性降低；随着细集料棱角性指数的增大，SMA-13沥青混合料的高温性能和水稳定性提高，低温抗裂性降低。

关键词 玄武岩细集料；二维形状指数；棱角性指数；SMA-13沥青混合料；路用性能

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0081-03

0 引言

细集料在沥青混凝土中起着充填缝隙、传递荷载和胶结的作用^[1]，细集料形貌特征对沥青混合料的体积、力学和路用性能有显著影响^[2-4]。我国《公路沥青路面施工技术规范》虽然提出采用棱角性（流动时间）评价细集料形貌特征^[5]，但现有研究尚未表明此方法对细集料形貌特征评价的合理性与准确性。

玄武岩集料由于其耐久性好、稳定性高、压碎值较小、抗磨耗性能好、耐腐蚀性能好等优点被广泛用于路面材料。因此，该文针对玄武岩细集料和石灰岩细集料，通过AIMS集料成像系统开展细集料形貌特征研究，并探究细集料形貌特征对SMA-13沥青混合料性能的影响规律。

1 试验材料及细集料形貌特征

1.1 原材料

试验用沥青为SBS改性沥青，其软化点为92 ℃，5 ℃延度为43.8 cm，针入度为53.1（0.1 mm），技术性能指标满足规范要求。试验用粗集料为玄武岩，细集料采用玄武岩和石灰岩，矿粉为石灰岩，均由浙江交投丽新矿业有限公司生产提供。SMA-13设计级配组成见表1，油石比为6.0%。

1.2 细集料形貌特征

为了分析细集料形貌特征对沥青混合料路用性能的影响，将玄武岩细集料和石灰岩按照不同比例混合，按玄武岩细集料占细集料总量的100%、50%、0%组成3种不同形貌特征的混合细集料，主要获得细集料的棱角性和二维形状指标。试验样品数为50，试验结果见表2。

由表2可知，随着玄武岩细集料含量的减少，细集料的二维形状指数增加，棱角性指数降低。100%玄武岩细集料二维形状指数比100%石灰岩细集料小约12%，细集料二维形状指数越小，细集料更接近圆形，说明玄武岩细集料形状比石灰岩细集料更接近圆形；玄武岩细集料棱角性指数比石灰岩细集料高9%，说明玄武岩细集料微观棱角性比较丰富。

2 细集料形貌特征对SMA-13沥青混合料路用性能的影响

2.1 高温性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对采用固定玄武岩粗集料、不同细集料的SMA-13沥青混合料进行路用性能评价，每种细集料的混合料进行三组平行实验，试验结果见表3。

由表3结果可知，采用不同种类细集料的SMA-13沥青混合料的动稳定度大小顺序为玄武岩细集料>50%玄武岩细集料>石灰岩细集料，均满足规范要求（≥3 000 次/mm）。相比100%石灰岩细集料，采用100%、50%玄武岩细集料的SMA-13动稳定度分别高11%、2%。

不同细集料的二维形状指数和棱角性指数对SMA-13沥青混合料高温性能的影响规律如图1所示。

根据图1可知，随着细集料二维形状指数的增大，瀝青混合料动稳定度随之减小。当细集料二维形状指数增加14%，SMA-13动稳定度降低12%。这是由于随着细集料二维形状指数的增加，其形状更偏离圆形，趋向于针片状，导致沥青混合料在高温荷载作用下变形加大，使混合料高温性能降低。

此外，随着细集料棱角性指数增加，沥青混合料动稳定度随之增大。当细集料棱角性指数增加9%，SMA-13动稳定度提高12%。这是由于细集料棱角性指数越大，细集料的微观棱角性越丰富，细集料与沥青的黏附性增大，沥青混合料结构稳定性增加，故动稳定度增加。

综合上述分析，颗粒形状接近圆形、棱角丰富的细集料能提高SMA-13高温稳定性。

2.2 低温抗裂性能

该文采用低温小梁弯曲试验来评价SMA-13沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表3。由表结果可知，不同细集料的SMA-13沥青混合料最大弯拉应变均满足规范要求，抗弯拉强度和弯曲劲度模量大小顺序为玄武岩细集料>50%玄武岩细集料>石灰岩细集料，最大弯拉应变的大小顺序相反。

弯曲劲度模量综合了抗弯拉强度与最大弯拉应变，其值越小则低温抗裂性能越好。相比石灰岩细集料，采用100%、50%玄武岩细集料的SMA-13弯曲劲度模量分别高14%、8%。由此可见，采用石灰岩细集料的SMA-13混合料的低温性能较好。

不同细集料的二维形状指数和棱角性指数对SMA-13沥青混合料低温性能的影响规律如图2所示。

根据图2可知，随着细集料二维形状指数的增大，沥青混合料弯曲劲度模量随之减小。当细集料二维形状指数增加14%，SMA-13弯曲劲度模量降低12%。此外，随着细集料棱角性指数增加，沥青混合料弯曲劲度模量随之增大。当细集料棱角性指数增加9%，SMA-13弯曲劲度模量提高12%。

综合上述分析，颗粒形状接近圆形、棱角丰富的细集料能降低沥青混合料低温抗裂性。

2.3 水稳定性能

该文通过冻融劈裂试验评价SMA-13沥青混合料的水稳定性能，试验结果见表3。从水稳定性试验结果看，采用石灰岩细集料和50%玄武岩细集料的SMA-13沥青混合料冻融劈裂强度比较大，水稳定性较好。相比石灰岩细集料，采用100%玄武岩细集料的SMA-13混合料的TSR降低5%，混掺50%玄武岩细集料的SMA-13沥青混合料水稳定性与石灰岩细集料的沥青混合料相近。

不同细集料的二维形状指数和棱角性指数对SMA-13沥青混合料水稳定性的影响规律如图3所示。

根据图3可知，细集料二维形状指数、棱角性指数与SMA-13沥青混合料TSR关系均呈线性关系。当细集料二维形状指数增加14%、棱角性指数增加9%，SMA-13混合料的TSR提高6%。

综合上述分析，颗粒形状偏离圆形、棱角丰富的细集料能提高沥青混合料水稳定性。

3 结语

（1）采用100%玄武岩细集料的SMA-13高温稳定性最好，采用50%玄武岩细集料的混合料高温性能次之；SMA-13沥青混合料动稳定度随着细集料二维形状指数的减小、棱角性指数的增大而增加；颗粒形状接近圆形、棱角丰富的细集料能提高SMA-13高温稳定性。

（2）采用100%石灰岩细集料的SMA-13混合料的低温抗裂性最好，采用50%玄武岩细集料的混合料低温性能次之；SMA-13沥青混合料的弯曲劲度模量随着细集料二维形状指数的减小、棱角性指数的增大而增加；颗粒形状接近圆形、棱角丰富的细集料能降低SMA-13沥青混合料低温抗裂性。

（3）采用100%石灰岩细集料和50%玄武岩细集料的SMA-13沥青混合料水稳定性较好；SMA-13沥青混合料的冻融劈裂强度比随着细集料二维形状指数和棱角性指数的增大而增加；颗粒形状偏离圆形、棱角丰富的细集料能提高SMA-13沥青混合料水稳定性。

参考文献

[1]张军昌. 玄武岩粗集料在道路沥青混凝土上面层中的应用[J]. 安徽建筑， 2017（2）： 138-139.

[2]刚增军. 集料颗粒形态特征对沥青混合料高温性能的影响[J]. 筑路机械与施工机械化， 2017（1）： 47-51.

[3]王凤， 肖月， 崔培德， 等. 集料形态特征对沥青混合料性能影响规律的研究进展[J]. 材料导报， 2022（17）： 95-107.

[4]韩海峰， 吕伟民. 细集料棱角性对沥青混合料性能的影响[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2002（3）： 302-306.

[5]张立安， 刘振清， 杨永顺， 等. 沥青混凝土路面细集料棱角性表征方法及技术标准研究[J]. 公路， 2010（10）： 177-182.

收稿日期：2024-01-10

作者简介：周权（1974—），男，本科，高级工程师，研究方向：道路工程。

通信作者：王濤利（1978—），男，硕士研究生，副高级工程师，研究方向：道路材料。