基于粗集料形態特征的AC瀝青路面路用性能研究

楊皓丹,莫榮江,肖賀旭,張 闖,張菁鈺,鄭藝偉

(1.中國建筑第七工程局有限公司,鄭州 450000;2.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

瀝青混合料性能受瀝青[1]、集料級配[2]、集料特征[3]、外加劑[4-5]、施工技術[6-7]等因素的影響。集料形態特征直接影響瀝青混合料最佳油石比、路用性能。筆者選用鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ、玄武巖4種粗集料成型AC-13瀝青混合料,開展基于集料形態特征的瀝青混合料級配設計及路用性能研究。

粗集料形態特征量化方法有數字圖像處理法[8-9],CT(Computed Tomography)掃描法[10],分析儀測定法[11],數學建模法[12]等。本文采用數字圖像處理法對粗集料形態量化分析,通過凍融劈裂試驗、高溫車轍試驗、低溫劈裂試驗對瀝青混合料水穩定性能、高溫穩定性能和低溫抗裂性能進行評價[13-14]。建立灰色關聯模型對粗集料形態特征與瀝青混合料路用性能進行關聯度分析。

1 集料形態特征研究

試驗選用粒徑9.5～13.2 mm的鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ、玄武巖4種集料進行圖像采集,采用Image-Pro Plus對集料圖像進行色彩降噪、要素拾取、界面渲染。提取參數面積A、周長Pe、輪廓周長Pec、近似圓周長Pee、輪廓長BX、輪廓寬BY、費雷特直徑最大值Fmax、費雷特直徑均值Fmean、費雷特直徑最小值Fmin等。

基于平面投影原理,采用電感深度儀測定集料厚寬比ζ。根據等效橢圓理論,采用棱角凸起度P、圓形相似度R和長短軸差異量As表征集料二維形態特征,針狀程度Nd、片狀程度Sd、球形相似度Ds和綜合形態因子Sf表征集料三維形態特征,公式如表1所示。

表1 集料形態特征指標計算公式

鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ、玄武巖宏觀形態特征指標,如圖1所示。4種集料的宏觀形態特征參數統計量如表2所示。

圖1 集料形態特征數據3D條狀圖

表2 集料形態特征指標數據

分析得到,鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ、玄武巖4種粗集料形態特征指標依次增強。

2 配合比設計

采用鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖4種粗集料,石灰巖細集料,礦粉,AH-70#瀝青作為原材料,成型AC-13瀝青混合料。

2.1 礦料級配設計

設計采用粗型密集配,控制2.36 mm篩孔尺寸通過率低于40%,礦粉用量確定為6%,通過級配驗證試驗得到集料配合比篩孔通過率,繪制集料級配曲線如圖2所示。

2.2 最佳油石比確定

設定初始油石比4.0%,4.5%,5.0%,5.5%,6.0%。根據混合料物理力學指標確定4種粗集料AC-13瀝青混合料最佳油石比。玄武巖AC-13瀝青混合料最佳油石比確定試驗指標參數,如表3所示。

表3 玄武巖AC-13馬歇爾試件參數

根據瀝青混合料參數繪制關系曲線,如圖3所示。

圖3 油石比與玄武巖AC-13馬歇爾試件參數的關系

由圖3可得,最大密度所對應的油石比a1=5.2%;最大馬歇爾穩定度所對應的油石比a2=5.0%;根據規范[15]設計空隙率范圍中值為5%,其對應的油石比a3=4.4%;按照規范[15]規定瀝青飽和度的中值為70%,其對應的油石比a4=4.7%;其平均值為OCA1:

(1)

根據試驗結果可知,滿足各項要求的油石比范圍為4.0%～4.9%。其平均值為OCA2:

OCA2=4.45%

(2)

根據OCA1和OCA2確定玄武巖AC-13瀝青混合料的最佳油石比OCA:

(3)

保留1位小數,玄武巖作為粗集料最佳油石比取4.6%,瀝青含量為4.6%/(4.6%+1)≈4.4%。

根據同樣的方法得到鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ和破碎鵝卵石Ⅱ作為粗集料成型AC-13瀝青混合料的最佳油石比,如表4所示。

3 瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩定性能研究

采用高溫車轍試驗評價瀝青混合料高溫穩定性,試驗結果顯示:鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖4種不同形態特征粗集料成型的AC-13瀝青混合料動穩定度依次增大,為307,755,1960,3115次/mm,其中鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ AC-13瀝青混合料動穩定度低于800次/mm,不滿足規范[15]要求。

3.2 低溫抗裂性能研究

采用試驗溫度(-10±0.5) ℃加載速率1 mm/min低溫劈裂試驗測定瀝青混合料劈裂強度、劈裂拉伸應變和勁度模量,泊松比μ值取0.25,試驗結果如表5所示。

表4 AC-13瀝青混合料的最佳油石比匯總 %

表5 AC-13瀝青混合料低溫劈裂試驗結果

鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖4種AC-13瀝青混合料在(-10±0.5) ℃下的劈裂強度和劈裂應變均依次增大,4種瀝青混合料抵抗劈裂荷載破壞能力依次增強;4種瀝青混合料在(-10±0.5) ℃下的勁度模量依次減小,抵抗變形破壞能力依次增強。

3.3 水穩定性能研究

采用凍融劈裂試驗對4種AC-13瀝青混合料進行測定,匯總試驗結果,如表6所示。

鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖4種AC-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗強度比依次增大,增大幅度比較明顯。

4 集料形態特征對瀝青混合料路用性能的影響分析

4.1 建立集料形態特征與瀝青混合料路用性能灰色關聯模型

1) 收集分析數據。設鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖4類瀝青混合料路用性能指標為X1,X2,X3,X4,7種形態特征指標P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf為Xi(1),Xi(2),…,Xi(7),形成如下矩陣:

(4)

則

(5)

2) 確定參考數據列。集料形態特征與路用性能指標灰色關聯模型的參考數據列是一個比較標準,記作:

(6)

式中:X0(1),X0(2),…,X0(7)分別為P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf7種形態特征指標的參考數據。

3) 集料形態特征數據無量綱化。采用數據等效均值化處理方法對集料形態特征參數和路用性能指標進行無量綱化處理,計算過程為

(7)

無量綱化后的集料形態特征參數和路用性能指標序列形成矩陣:

(8)

采用路用性能指標序列作為比較序列,7個集料形態特征作為參考序列,計算比較序列集料形態特征參數與參考序列元素抗滑衰變指標的絕對差值:

|X0(k)-Xi(k)|,k=1,2,…,7i=1,2,3,4

(9)

4) 數理運算

(10)

5) 各指標之間的關聯系數運算。根據式(10)對每個路用性能指標和集料形態特征指標進行計算:

(11)

其中,0<ρ<1,本文取ρ=0.5。

6) 計算關聯序。集料形態特征參數與路用性能指標關聯系數均值為關聯序,記為

(12)

7) 依據集料形態特征參數關聯序,得出分析結果。

4.2 集料形態特征與瀝青混合料路用性能灰色關聯度分析

對7個評價項(P,As,R,Nd,Sd,Ds,Sf)與3個路用性能指標(動穩定度,勁度模量,凍融劈裂強度比)進行灰色關聯度分析,統計灰色關聯度,如圖4所示。

AC-13瀝青混合料動穩定度關聯度最高參數為P,且關聯度大于0.7;勁度模量關聯度大于0.8的參數為As,Nd;凍融劈裂強度比關聯度較高參數為Nd,Sf,Sd,且關聯度大于0.8。

分析得出,AC-13瀝青混合料高溫穩定性受粗集料棱角性影響最大,低溫抗裂性能和水穩定性能受粗集料棱角性和針片狀影響很大。

5 結束語

鵝卵石、破碎鵝卵石Ⅰ、破碎鵝卵石Ⅱ和玄武巖AC-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗強度比、動穩定度均依次增大,AC-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗強度的勁度模量依次減小,說明這4種粗集料瀝青混合料的抵抗變形破壞能力依次增強。研究表明,粗集料棱角性、針片狀形態特征對瀝青混合料路用性能有直接影響,粗集料棱角性越明顯瀝青混合料的高溫穩定性越好、抵抗變形破壞能力越強,粗集料針片狀越明顯瀝青混合料的低溫抗裂性能能力越好。