集料形態(tài)特征對集料-瀝青黏附及水穩(wěn)定性的影響

王志祥，李建閣，張爭奇

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420）

水損害是瀝青路面早期病害最主要的表現(xiàn)形式之一［1］.瀝青混合料水損害的主要原因在于瀝青與集料的黏附性不足.因此，對于集料-瀝青體系的黏附性及其體系水穩(wěn)定性的試驗(yàn)及評價(jià)方法被廣泛研究，歸納起來可分為3類：（1）以未經(jīng)壓實(shí)的松散瀝青混合料（宏觀材料本身）為對象進(jìn)行定性的研究，如水煮法、浸水法、拉拔試驗(yàn)以及示蹤鹽法等，通過主觀評價(jià)裹在集料表面的瀝青膜的剝離程度，據(jù)此判定瀝青和集料的黏附性及混合料的水穩(wěn)定性［2?3］.（2）以瀝青混合料試件為對象進(jìn)行定量研究，如馬歇爾試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、改進(jìn)的洛特曼試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)等，這種方法反映了瀝青混合料在路面使用過程中所處的真實(shí)狀態(tài)［4?5］.（3）采用微觀手段對瀝青-集料的界面性能進(jìn)行研究.李曉燕等［6］開發(fā)了形態(tài)特征研究系統(tǒng)來定量表征集料的特征；Guo等［7］采用集料圖像采集系統(tǒng)（AIMS），對集料的棱角性、球度（或二維形狀）以及表面紋理等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)集料形態(tài)與瀝青混合料的路用性能關(guān)系密切；Valdés等［8］研究發(fā)現(xiàn)，集料的幾何特性對瀝青混合料的黏結(jié)強(qiáng)度具有一定程度的影響.但是，缺少瀝青混合料宏觀性能與微觀表現(xiàn)聯(lián)系的研究，

因此，本文借助AIMS研究集料的微觀形態(tài)，并建立其與瀝青宏觀黏度的關(guān)系，為瀝青與集料黏附性及抗水損害性能的合理評價(jià)提供借鑒.

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，主要性能指標(biāo)見表1.集料采用粒徑為10~15 mm的石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、輝綠巖和輝長巖等5種常用的石料，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示.

表1 瀝青的性能Table 1 Properties of asphalts

表2 粗集料的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of coarse aggregates

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)AC?16級配（見表3），油石比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.7%，瀝青混合料中粒徑為10~15 mm的集料分別選擇石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、輝綠巖和輝長巖，其余粒徑的石料均采用石灰?guī)r礦粉.

表3 AC-16級配Table 3 Gradation of AC-16

1.3 試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)

1.3.1 集料-瀝青黏附性定量測試

本研究提出一種新的方法來定量測試集料-瀝青間的黏附性能，主要步驟如下：

（1）集料洗凈后分為2組，每組至少5顆，1組在室溫下水泡24 h，另外1組在105℃的烘箱中烘24 h，分別稱量其質(zhì)量，記為mw0、md0.

（2）2組集料分別在熱瀝青中浸泡60 s，冷卻后稱量其質(zhì)量，記為mw1、md1.

（3）黏附瀝青的2組集料分別在100℃的開水中煮30 min，冷卻后稱量其剩余質(zhì)量mw2、md2.

（4）按照式（1）、（2）分別計(jì)算浸水和干燥環(huán)境下集料的瀝青黏附率BRw和BRd，采用式（3）計(jì)算集料的水敏感系數(shù)Ms，以此評價(jià)集料與集料的黏附性.

1.3.2 集料形態(tài)特征測試

集料的物理形態(tài)可以由棱角性、球度和表面紋理3個(gè)指標(biāo)來評價(jià)［9?10］.采用AIMS對粒徑為10~15 mm，表面潔凈、干燥的粗集料的形態(tài)特征進(jìn)行測試［11］.

采用梯度棱角性GA來評價(jià)集料的棱角性.依據(jù)Socel mask算法，通過計(jì)算集料二維圖像輪廓邊界各個(gè)點(diǎn)的梯度來獲得GA（見式（4））.采用球度指標(biāo)SP來評價(jià)粗集料的三維形狀特征（見式（5））.采用紋理指標(biāo)TX來表征粗集料的紋理結(jié)構(gòu)（見式（6））.

式中：θ為集料圖像邊緣點(diǎn)的梯度向量；n為集料圖像邊緣點(diǎn)的總數(shù)量，個(gè)；i為集料圖像邊緣的第i個(gè)點(diǎn)；dS為集料短軸長（高度），mm；dI為集料次軸長（寬度），mm；dL為集料長軸長（長度），mm；D為分解函數(shù)；N為一張圖像中細(xì)節(jié)系數(shù)的總數(shù)量，個(gè)；i為第i張高精度圖像；j為小波指數(shù)；x，y為在轉(zhuǎn)換域中細(xì)節(jié)系數(shù)的橫、縱坐標(biāo).

1.3.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

進(jìn)行凍融劈裂、肯塔堡浸水飛散、浸水漢堡車轍試驗(yàn)，分別采用劈裂強(qiáng)度比（TSR）、浸水飛散損失（ΔS）、剝落變形拐點(diǎn)（SIP）［12］指標(biāo)來評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青與集料黏附性定量測試

試驗(yàn)采用具有常規(guī)形態(tài)特征的5種集料和2種瀝青進(jìn)行黏附性定量測試與評價(jià).為了排除形態(tài)特征對集料黏附性的影響，將5種集料均加工成球形，然后分別測試常規(guī)形態(tài)集料、球形集料的黏附率和水敏感系數(shù)，以此驗(yàn)證黏附性定量測試的適用性，結(jié)果見圖1、2.由圖1、2可見：（1）在瀝青相同的條件下，具有常規(guī)形態(tài)特征的石灰?guī)r黏附率最大，其次是玄武巖、輝綠巖和輝長巖，花崗巖最??；在集料相同的條件下，SBS改性瀝青與集料的黏附比大于基質(zhì)瀝青；且BRd值總是大于BRw，表明水的存在會(huì)導(dǎo)致集料-瀝青結(jié)合料之間的黏附力降低.（2）在瀝青相同的條件下，石灰?guī)r的水敏感性指標(biāo)Ms最小，其次是玄武巖、輝綠巖和輝長巖，花崗巖最大，也就是說石灰?guī)r集料在水的影響下，仍然與瀝青具有較好的黏附力，而花崗巖與瀝青的黏附力最小，水敏感性指標(biāo)Ms對不同巖性的集料具有適用性.（3）球形集料的黏附率及水敏感性指標(biāo)比常規(guī)集料高，說明顆粒形狀對瀝青與集料之間的黏附性有一定的影響；球形集料-瀝青的黏結(jié)性能與常用的非球形集料相似，這說明該方法同樣能夠有效區(qū)分不同瀝青、集料之間的黏結(jié)性能，這為工程上提供了一種簡單、可靠、有效的判別瀝青與集料黏附性的試驗(yàn)方法.

圖1 集料-瀝青的黏附率Fig.1 Bonding ratios of aggregate?asphalt

圖2 集料-瀝青的水敏感系數(shù)Fig.2 Ms of aggregate?asphalt

2.2 集料形態(tài)特征及其對瀝青-集料黏附性的影響

為獲得集料形態(tài)特征，按照AIMS分類規(guī)則將不同來源的粒徑為10~15 mm的5種集料各分為5組（G1、G2、G3、G4、G5），如圖3所示.通過AIMS獲得不同集料的數(shù)字化形態(tài)特征，如圖4所示.由圖4可見：（1）同一來源的5組粗集料形態(tài)特征之間存在明顯的差異.G1組骨料棱角性較小，G5組棱角性 最大.從G1到G5，GA增加的 同時(shí)，SP下降，這種規(guī)律性的單調(diào)變化，為集料的棱角性和球度作為控制變量與其他性能對比提供了依據(jù)，同時(shí)也證實(shí)了根據(jù)棱角性劃分粗集料是有效的.（2）對于相同來源的石料，紋理值略有不同，不同來源集料的紋理存在顯著差異，花崗巖的紋理值最大，石灰?guī)r的紋理值最小.

圖3 不同來源的典型集料形態(tài)Fig.3 Typical aggregates characteristic of different sources

圖4 粗集料的形態(tài)特征Fig.4 Morphological characteristics of coarse aggregates

2.3 集料形態(tài)特征對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性的影響

2.3.1 集料的棱角性對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性的影響

圖5為Ms、ΔS、TSR、SIP與GA的擬合關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)見表4.由圖5可見：（1）GA與Ms存在線性正相關(guān)關(guān)系；隨著GA的增加，Ms增加，表明GA值越大，瀝青越容易從集料表面脫落，瀝青的存在對集料-瀝青的黏附不利.（2）對于相同來源的集料，瀝青混合料的抗水損害指標(biāo)ΔS、TSR、SIP隨著集料GA的變化呈規(guī)律性變化；隨著集料GA的增大，瀝青混合料的ΔS先減小后增大，TSR和SIP先增大后減小，并且GA與ΔS、TSR、SIP分別呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90.（3）集 料 存在最佳GA，使得ΔS最小，TSR和SIP最大，此時(shí)瀝青混合料的抗水損害性能最好；除了輝綠巖的最佳GA為2 500~3 000，石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、輝長巖的最佳GA均為3 000~3 500.

圖5 Ms、ΔS、TSR、SIP與GA的關(guān)系Fig.5 Relationships between Ms，ΔS，TSR，SIP and GA

2.3.2 集料的球度對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性影響

圖6為ΔS、TSR、SIP、Ms與SP的擬合關(guān)系（采用SBS改性瀝青），其相關(guān)系數(shù)見表5.由圖6可見：（1）SP與Ms存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著SP的增大，Ms減小，表明集料越圓潤，瀝青與集料的黏附性越強(qiáng).（2）對于相同來源的集料，瀝青混合料的ΔS、TSR、SIP隨著集料SP的變化呈規(guī)律性變化；隨著集料SP的增大，瀝青混合料的ΔS先減小后增大，TSR和SIP先增大后減小，并且SP與ΔS、TSR、SIP分別呈二次函數(shù)關(guān)系，并且相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，如表4所示.（3）集料存在最佳球度，使得ΔS最小，TSR和SIP最大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好；SP在0.75左右時(shí)，不同來源集料的ΔS出現(xiàn)最小值；石灰?guī)r、花崗巖的SP在0.65左 右 時(shí)，TSR出 現(xiàn)最大值，輝長巖的SP在0.70左右時(shí)，TSR出現(xiàn)最大值，玄武巖、輝綠巖的SP在0.75左右時(shí)，TSR出現(xiàn)最大值；花崗巖、輝長巖的SP在0.70左右時(shí)，SIP出現(xiàn)最大值，石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖的SP在0.75左右時(shí)，SIP出現(xiàn)最大值.分析可知，隨著集料SP的增大，集料更加圓潤，集料與瀝青間的黏附性增強(qiáng)，集料間的嵌擠作用先增強(qiáng)后減弱，所以集料的SP在0.65~0.75時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性最佳.

表4 Ms、ΔS、TSR、SIP與GA的回歸關(guān)系Table 4 Regression relation between Ms，ΔS，TSR，SIP and GA

表5 Ms、ΔS、TSR、SIP與SP的回歸關(guān)系Table 5 Regression relation between Ms，ΔS，TSR，SIP and SP

圖6 Ms、ΔS、TSR、SIP與SP的關(guān)系Fig.6 Relationships between Ms，ΔS，TSR，SIP and SP

2.3.3 集料表面紋理對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性的影響

為了排除棱角性、球度的影響，采用5組集料（GA?G1、GA?G2、D?G2、D?G3、B?G3）來研究集料表面紋理對SBS改性瀝青與集料黏附性的影響，其GA值分別為2 405、2 418、2 388、2 578、2 378，SP值分別為0.78、0.76、0.78、0.74、0.79.

圖7為Ms、ΔS、TSR、SIP與TX的關(guān)系.由圖7可見：（1）TX與Ms之間存在非線性正相關(guān)關(guān)系；隨著集料TX的增加，Ms減小，這說明粗糙的表面紋理有利于提高瀝青與集料的黏附力.（2）ΔS、TSR、SIP指標(biāo)隨著集料紋理TX的變化出現(xiàn)規(guī)律性的變化，ΔS、TSR、SIP與TX呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.810、0.885、0.862；在保證集料GA、SP基本一致的情況下，隨著TX的增大，集料的比表面積增大，瀝青與集料之間的黏附面積增大，所以瀝青與集料之間的黏附性增強(qiáng)，瀝青混合料的抗水損害性能增強(qiáng).

圖7 Ms、ΔS、TSR、SIP和TX的關(guān)系Fig.7 Correlation of parameters between Ms，ΔS，TSR，SIP and TX

2.4 集料形態(tài)特征與集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素之間關(guān)聯(lián)程度的，其核心是首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)［13-14］.

將集料-瀝青的黏附性指標(biāo)Ms及水穩(wěn)定性指標(biāo)ΔS、TSR、SIP作為參考數(shù)列，將25組集料（5種集料、各5組）的形態(tài)特征GA、SP、TX作為比較數(shù)列，不同集料的形態(tài)特征及黏附性指標(biāo)如表6所示.分析不同的集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定指標(biāo)與集料形態(tài)特征的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果如表7所示.

表6 不同集料形態(tài)特征及黏附性指標(biāo)Table 6 Morphological characteristics and adhesion index of different aggregates

表7 集料-瀝青的黏附性及水穩(wěn)定性與集料形態(tài)特性的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between aggregate asphalt adhesion，moisture stability and aggregate morphological characteristics

由表7可見：（1）集料形態(tài)特征對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)定性的影響程度不同；關(guān)聯(lián)系數(shù)集中分布在0.73~0.86，變化幅度不大，這說明3個(gè)形態(tài)指標(biāo)對集料-瀝青黏附性及水穩(wěn)性都有較大的影響.（2）集料形態(tài)特征與集料-瀝青黏附性指標(biāo)Ms的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)門X＞GA＞SP，在水、溫耦合且無外界作用力環(huán)境下，集料表面紋理對集料-瀝青黏附性影響最大，棱角性次之，球度影響相對較小，集料通過粗糙紋理結(jié)構(gòu)在與瀝青產(chǎn)生黏附作用時(shí)發(fā)揮了最大的作用.（3）集料形態(tài)特征與浸水飛散損失指標(biāo)ΔS的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋篏A＞SP＞TX，在水、溫、多向力耦合作用下，集料的表面紋理對瀝青混合料抗水損害性能的影響相對較小，棱角性和球度影響較大，這可能因?yàn)榧贤ㄟ^棱角的嵌擠比集料僅通過粗糙紋理對瀝青黏附作用和混合料中集料-瀝青-集料結(jié)構(gòu)的黏附特征影響更大.（4）集料形態(tài)特征與凍融劈裂強(qiáng)度比TSR、車轍剝落變形拐點(diǎn)SIP的關(guān)聯(lián)度排序均為：SP＞TX＞GA，在水、溫、豎向力耦合作用下，瀝青混合料良好的水穩(wěn)定性主要依賴集料的形狀（球度）和表面紋理結(jié)構(gòu).

3 結(jié)論

（1）本文提出的集料-瀝青黏結(jié)性能定量測試方法可靠、實(shí)用，能夠有效區(qū)分并評價(jià)不同瀝青與集料的黏附性及抗水損壞性能.

（2）隨著集料球度SP的增大，棱角性GA減小，瀝青混合料的水穩(wěn)定性先提升后降低.瀝青混合料的水穩(wěn)定性最佳的GA值為2 500~3 000，SP值為0.65~0.75.隨著集料紋理TX值的增大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性增強(qiáng).

（3）集料的形態(tài)特征指標(biāo)對集料-瀝青黏附性的影響排序由大到小依次為：TX>GA>SP；對浸水飛散損失指標(biāo)的影響排序由大到小依次為：GA>SP>TX；對凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水車轍指標(biāo)的影響排序由大到小依次為：SP>TX>GA.