集料細觀形態變異性及其瀝青混合料性能研究

張登峰 程 明 崔培德 陳美祝

(武漢工大土木工程檢測有限公司1) 武漢 430070) (武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室2) 武漢 430070)

0 引 言

瀝青混合料中,集料在質量和體積方面均占總數的90%以上,是瀝青混合料中最重要的組成材料之一,其理化性能會顯著影響影響瀝青混合料的路用性能[1].

集料的性質可主要分為以下兩種類型:集料的原生資源特性(如化學組成、磨光值、密度、吸水率等)和加工特性(如石料的針片狀顆粒含量、含泥量、棱角性、粗糙度等).其中,集料的形態學特征影響著瀝青混合料的細觀結構和宏觀力學指標,是集料中不可忽視的重要性質[2-3].集料的形態特征主要包括形狀、棱角性和表面紋理三個方面.美國公路戰略研究(SHRP)計劃中表明,屬于細觀形態特征的棱角性和紋理被是決定混合料性能的主要形態因素[4].

研究人員就集料形態特征及其與瀝青混合料性能之間的聯系展開了研究.張磊[5]探究了瀝青混合料中針片狀顆粒含量對瀝青混凝土性能的影響,結果表明:針片狀顆粒含量的增加對瀝青混合料各溫度域的力學性能均產生了負面的影響.趙振軍[6]的研究表明:粗集料的棱角性與瀝青混凝土的高溫性能、低溫抗裂性能和抗滑性能成正相關,而與抗水損害性能成負相關.Cui等[7]通過手工選型的方法,控制了集料的單一形態學變量,發現瀝青混合料的動穩定度隨著棱角性的增加呈現出逐漸上升的趨勢,隨著球形度的增大呈現出逐漸減小的趨勢.劉林[8]的研究表明:集料的表面紋理增加會顯著加強瀝青混合料的抗滑性能.

文中基于集料圖像分析技術,探究集料的表面紋理和棱角性在磨損和沖擊過程中的變異性,明確集料細觀形貌特征參數與瀝青混合料服役性能的相關性.

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

原材料包括SBS改性瀝青,針入度52(0.1 mm)、針入度指數0.7、軟化點89℃、延度38 cm(5℃)、黏度2.3 Pa·s(135℃).玄武巖集料,相對密度2.9、吸水率0.6%、壓碎值11.2%、洛杉磯磨耗值10.9%、黏附性等級4級.石灰石礦粉填料,相對密度2.7、親水系數0.6.

1.2 配合比設計

采用AC-13型瀝青混凝土,它屬于典型的懸浮密實結構.細集料、礦粉和瀝青組成的瑪蹄脂填充在粗集料之間的空隙中,形成密實不透水的整體結構,具有抗水損害性能強,難離析的優點.AC-13型瀝青混凝土的級配曲線見圖1.通過馬歇爾級配設計方法,該瀝青混凝土對應的最佳油石比為4.7%,其主要體積性能為:毛體積相對密度2.56,最大理論相對密度2.68,空隙率4.4%,礦料間隙率15.9%,瀝青飽和度71.6%,均滿足文獻[9]中對體積性能的要求.

圖1 AC-13型瀝青混凝土的級配曲線

1.3 試驗方法

1.3.1集料形貌

借助洛杉磯磨耗試驗儀對9.5～13.2 mm的粗集料進行沖擊和磨耗處理.磨耗過程按照文獻[10]進行,設置磨耗轉數分別為0、300、600、900、1 200和1 500 r/min,每次進行處理的樣品質量為5 kg.此外,為了避免在磨耗過程中集料破碎從而影響粒徑分布,在磨耗過程中沒有添加鋼球.不同磨耗轉數后的集料,分別被用于制備瀝青混凝土,因此共有六種混凝土類型.

采用集料圖像分析系統(AIMS)表征梯度磨耗后玄武巖集料的棱角性和表面紋理.在儀器的內置算法中,集料棱角性的取值范圍是0～10 000,數值越大,表示集料顆粒的棱角性約豐富;表面紋理的取值范圍為0～1 000,數值越大,集料表面的紋理越粗糙.AIMS中的棱角性指數和紋理指數的說明見圖2.

圖2 集料棱角性指數和紋理參數圖解[11]

儀器給出了集料棱角紋理復合指數(CAAT),將棱角和紋理進行整合,反正集料的整體細觀形貌.計算公式為

CAAT=10×TX+0.5×GA

(1)

式中:TX為集料的表面紋理參數;GA為集料的棱角性指數.

1.3.2高溫性能

采用瀝青混合料車轍試驗來評價瀝青混合料的高溫性能,試驗過程按照文獻[12](以下簡稱試驗規程)進行.瀝青混合料的車轍試驗是瀝青混合料在60℃和0.7 MPa的荷載條件下,測定由膠輪往復運動形成的車轍形變,并以動穩定度,即1 mm深度形變的需要的往復次數表示試驗結果.動穩定度越大,表明高溫性能越好.動穩定度的計算公式為

DS=630/(d60-d45)

(2)

式中:DS為動穩定度,次/mm;d60和d45分別為60和45 min時的車轍深度,mm.

1.3.3低溫性能

采用半圓彎曲試驗來評價由不同細觀形態特征的集料制備而成的瀝青混凝土的低溫抗裂性能.試驗樣品見圖3,它為半徑50 mm、厚度30 mm的半圓,且為具有為統一裂紋走向,留出了2 mm×10 mm的凹槽.借助萬能材料試驗機對試件在-10℃的溫度下進行彎曲試驗,最大拉伸強度為

圖3 半圓彎曲試驗示意圖

σ=6PL/tD2

(3)

式中:σ為彎拉強度,MPa;P為荷載峰值,N;L為試件底座間距離,mm;t和D分別為試件厚度和直徑,mm.

1.3.4水損害性能

采用凍融劈裂試驗,對由不同細觀形態特征的集料制備而成的瀝青混凝土的水損害性能進行測試.將待測試樣分為兩組,第一組在25℃的水槽中保溫2 h后測劈裂強度;第二組經過真空飽水后,在-18℃下保溫16 h,在置于60℃水浴中24 h,在25℃的水槽中保溫2 h后測劈裂強度.試樣的凍融劈裂抗拉強度比為

TSR=PT2h1/PT1h2

(4)

式中:PT1和PT2分別為第一組試件和第二組試件的劈裂抗拉強度;h1和h2分別為第一組試件和第二組試件的高度.

2 試驗結果與分析

2.1 集料形貌結果

不同磨耗轉數后集料的棱角和紋理特征見圖4.由圖4可知:隨著磨耗次數的增加,集料的棱角特征逐漸減弱,集料邊緣的銳度持續降低,經過1 500次的磨耗之后,集料輪廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圓形或類橢圓形.同時,隨著磨耗次數的增加,集料的表面紋理特征也逐漸消失,表面變得越來越光滑.集料在不同磨耗轉數后的棱角性指數、紋理指數和棱角紋理復合指數三種細觀形態參數見表1,由表1可知:三種細觀形態參數隨著磨耗轉數的增加都呈現出下降的趨勢,這與圖4中觀察到的現象一致.此外,在磨耗次數達到900之后,集料的棱角性指數變化速度顯著放緩,轉數從900 r/min增加到1 200 r/min的過程中,棱角性參數僅減小了3.8%,說明棱角性的變化在900 r/min轉數時已經到達了平臺期.另一方面,在磨耗次數達到1 200之后,集料的紋理指數變化速度變慢,轉數從1 200增加到1 500的過程中,紋理指數僅減小了2.6%,表明集料的紋理指數平臺期在1 200轉時出現.

表1 不同磨耗轉數后集料的細觀形態參數

圖4 不同磨耗轉數后集料的棱角和紋理特征

2.2 高溫性能結果

棱角紋理復合指數與瀝青混合料高溫性能相關性分析結果見圖5.由圖5可知:隨著棱角紋理復合指數的增加,試樣的動穩定度呈現上升的趨勢,且上升速度相對均勻.棱角紋理復合指數和瀝青混合料的動穩定度之間有明顯的線性關系,相關系數達到了0.96.這是因為隨著集料棱角性增加,集料顆粒的棱角會使得礦料骨架的內摩擦力增大,從而增強了混凝土的內部結構;另一方面,紋理指數的提高了顆粒的比表面積,使其形成了更多的結構瀝青,從而增加了抵抗高溫變形的能力.此外,經過1 200磨耗轉數之后,瀝青混合料的動穩定度不再滿足規范中>3 000次/mm的要求.根據圖中的線性回歸方程,計算出動穩定度3 000 次/mm時對應的棱角紋理復合指數為6 289.0,當棱角紋理復合指數小于此數值時,瀝青混合料的高溫穩定性便不滿足要求.此臨界數值可用于瀝青混合料的前期設計,對高溫穩定性做出初步判斷.

圖5 棱角紋理復合指數與瀝青混合料高溫性能相關性

2.3 低溫性能結果

棱角紋理復合指數與瀝青混合料低溫性能相關性分析結果見圖6.

圖6 棱角紋理復合指數與瀝青混合料低溫性能相關性

由圖6可知:隨著棱角紋理復合指數的增加,試樣的動穩定度呈現下降的趨勢.棱角紋理復合指數和瀝青混合料的彎拉強度之間具有一定的線性關系,相關系數為0.89.造成這種負相關性的的主要原因可能是,在低溫的環境下,瀝青混合料變硬變脆,從半彈性體向彈性體轉變,當集料的細觀形態結構較大時,導致瀝青混合料的空隙上升.由于試件的橫截面積一定,細觀空隙增大使得試件的有效橫截面積減小,承受彎拉荷載的能力也隨之減弱.因此,低溫性能的試驗結果表現為彎拉強度隨著棱角紋理復合指數的增大而減小.

2.4 抗水損害性能結果

棱角紋理復合指數與瀝青混合料水損害性能相關性分析結果見圖7.由圖7可知:隨著棱角紋理復合指數的增加,試樣的抗水損害呈現上升的趨勢.棱角紋理復合指數和瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比之間有明顯的線性關系,相關系數達到了0.93.造成這種現象的主要原因是集料的棱角和紋理等細觀形貌提高了顆粒的比表面積,集料粗糙的表面使得瀝青和集料之間的接觸面積更大,從而導致瀝青和集料之間的黏結作用增強,因此,水損害性能的試驗結果表現為凍融劈裂抗拉強度比隨著棱角紋理復合指數的增大而增大.此外,經過1 200磨耗轉數之后,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比不再滿足規范中>80%的要求.根據圖中的線性回歸方程,計算出凍融劈裂抗拉強度為80%時對應的棱角紋理復合指數為6 828.8,當棱角紋理復合指數小于此數值時,瀝青混合料的抗水損害性能便不滿足要求.此臨界數值可用于瀝青混合料的前期設計,對水損害性能做出初步判斷.

圖7 棱角紋理復合指數與瀝青混合料水損害能相關性

3 結 論

1) 隨著磨耗次數的增加,集料的棱角特征逐漸減弱,集料邊緣的銳度持續降低,經過1 500次的磨耗之后,集料輪廓上的棱角特征基本消失,集料的投影近似于圓形或類橢圓形.對于紋理特征,隨著磨耗次數的增加,集料的表面紋理特征也逐漸消失,表面變得越來越光滑.在磨耗轉數達到900～1 200 r/min之后,集料的棱角性和紋理指數的變化速度顯著放緩,因此900和1 200 r/min轉分別是棱角性和紋理指數的平臺期拐點.

2) 隨著棱角紋理復合指數的增加,試樣高溫性能和抗水損害性能呈現上升的趨勢,而低溫抗裂性能呈現下降趨勢.這是因為集料細觀形貌豐富,會使得礦料骨架內摩擦力增大,同時提高了顆粒的比表面積,使其形成了更多的結構瀝青,從而提高了高溫性能和抗水損害性能;棱角性增大導致的瀝青混合料空隙率上升是低溫抗裂性能呈現下降的主要原因.

3) 根據棱角紋理復合指數與瀝青混合料路用性能的線性回歸方程,計算得到使高溫性能和水損害性能滿足規范要求的最低棱角紋理復合指數分別為6 289.0和6 828.8此臨界數值可用于瀝青混合料的前期設計,對高溫穩定性和抗水損害性能做出初步判斷,為瀝青混合料的集料形態參數調控提供設計參考.