礫石棱角性對瀝青混合料路用性能的影響

劉力僑，徐龍，謝濤，汪秀根

（1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.拉薩市政設(shè)計院，西藏 拉薩 850000；3.中交一公局海威工程建設(shè)有限公司，北京 通州 101100；4.國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計院，云南 昆明 650000）

礫石是一種巖性較為復(fù)雜的沉積物，其主要成分為硅質(zhì)巖、脈石英、石英砂巖、粉砂質(zhì)板巖、粉砂巖、斷裂巖等物質(zhì)[1]。礫石可用于道路的基層和底基層，而面層使用相對較少，其主要原因是礫石表面光滑，集料骨架互鎖性弱，導致瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)特性下降。其次，礫石中SiO2含量較高，堿性活性不足，使得骨料與瀝青反應(yīng)較少，會造成瀝青與骨料的黏附性較差。

國內(nèi)對于礫石的研究主要集中于提高礫石與瀝青的黏附性，而對集料特性研究相對較少[2-4]。粗集料的特性主要體現(xiàn)在形狀、棱角、紋理等方面，決定了瀝青膠漿與集料的微觀裹附效果，集料-瀝青-集料夾層的剪切與拉伸性能受集料特性的影響較為顯著，同時，對瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性能、疲勞性能產(chǎn)生直接影響[5-6]。在美國公路戰(zhàn)略研究（strategic highway research program，簡稱為SHRP）計劃認定的集料特性中，粗集料的棱角性最重要，其重要性僅次于級配[7-8]。中國對礫石粗集料的棱角有要求，但缺乏相應(yīng)的實驗，目前僅對破碎面作了要求。對于粗集料棱角特性的研究主要是采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，以圓度、長短比、棱角點、凸包面積差、梯度棱角性等指標對集料棱角進行表征，研究集料棱角特性對瀝青混合料的影響[9-11]。但林豪[12]通過數(shù)字圖像的粗集料形態(tài)學特征測試，發(fā)現(xiàn)與玄武巖和安山巖相比，卵石形態(tài)指標變異性大。通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對粗集料棱角表征雖然可以做到定量分析，但是各評價指標仍未有統(tǒng)一定論，并且用于工程實際存在一定難度。而通過集料特性優(yōu)化瀝青混合料的級配設(shè)計，當前研究較少[13]。因此，本研究采用ASTMD3398-97 和AASHTO TP56 方法對礫石粗集料的棱角性進行表征，基于灰色關(guān)聯(lián)理論建立礫石粗集料的棱角值與瀝青混合料路用性能指標灰色關(guān)聯(lián)，分析礫石粗集料的棱角特性對瀝青混合料的影響。為礫石瀝青混合料級配的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料及表征

1.1 原材料

采用拉薩地區(qū)礫石作為研究對象，經(jīng)XRF 檢測得到礫石的化學成分，其中，w（SiO2）=68.82%，w（Al2O3）=16.10%，w（Fe2O3）=3.76%，w（K2O）=3.40%，w（Na2O）=2.75%，w（CaO）=2.43%，w（MgO）=1.76%。礫石粗骨料的物理性質(zhì)見表1，而瀝青選用克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，主要性能指標見表2。

表1 礫石粗骨料的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of gravel coarse aggregate

表2 90#基質(zhì)瀝青性能指標Table 2 Performance index of the 90#base asphalt

1.2 礫石粗集料的棱角性表征

1.2.1 ASTMD3398-97方法

ASTMD3398-97 法是由美國材料與試驗協(xié)會（american societyfor testing and materials，簡稱為ASTM）提出，用粗集料顆粒指數(shù)lap，進行表征粗集料的棱角性，但此法難以明顯區(qū)分不同粗集料形狀特性的差異。因此，劉振清等人[14]考慮自然堆積狀態(tài)下的粗集料間隙率進行方法修正，修正過后lap的計算式為：

式中：V0為自然堆積狀態(tài)下的粗集料間隙率；V10為搗實10 次狀態(tài)下的粗集料間隙率；V50為搗實50次狀態(tài)下的粗集料間隙率。

式中：I為整個級配的平均棱角性系數(shù)；Pi為各粒徑集料的質(zhì)量百分含量；lapi為單級粒徑的棱角性系數(shù)。

1.2.2 AASHTO TP56方法

該方法是美國國家公路與運輸協(xié)會（american association of state highway and transportation officials，簡稱為AASHTO）確定的測定粗集料棱角性的標準試驗方法，在高等路面設(shè)計時用于檢驗粗集料棱角性是否滿足高溫抗車轍的要求[15]，其計算式為：

式中：V為接收容器的體積；F為粗集料試樣的凈重；G為粗集料試樣的干容重由（AASHTO T85）方法測得；U為未壓實空隙率。

以破碎面的數(shù)量為依據(jù)，將各單檔粒徑的礫石粗集料分成棱角性差異較大的兩組，測其I、U值后，將棱角性好的礫石粗集料分別按20%、40%、60%、80%的比例替換棱角性較差的礫石粗集料，再分別測出不同摻配下各單檔粒徑的棱角性參數(shù)。ASTMD3398-97 方法和 AASHTO TP56 方法表征下的礫石粗集料棱角性參數(shù)見表3。

表3 礫石粗集料棱角性參數(shù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of angularity parameters of gravel coarse aggregate %

1.2.3 礫石瀝青混合料的級配設(shè)計

本試驗選用AC-16 連續(xù)密級配，見表4。試驗過程中采用分檔篩分，再用回配方式來保證混合料試件級配。采用6種不同棱角性的礫石粗集料進行混合料骨架結(jié)構(gòu)的搭建。細集料則是破碎礫石、機制砂、河沙的互摻，同時，以石灰?guī)r礦粉對混合料骨架作進一步填充。瀝青選用克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，以5%油石比進行混合料配合比設(shè)計。

表4 礫石級配Table 4 Gravel grading

2 試驗方法及結(jié)果分析

2.1 礫石粗集料棱角值對瀝青混合料路用性能的影響

2.1.1 水損害

為探究礫石粗集料棱角性差異對瀝青混合料抗水損害能力的影響。首先，采用平均棱角性及壓實空隙率對礫石粗集料的棱角性表征，為控制級配對瀝青混合料抗水損害的影響，將不同棱角性的礫石粗集料按相同級配進行設(shè)計。然后，馬歇爾試件按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2011）[16]進行成型，馬歇爾體積指標見表5。礫石瀝青混合料的力學性能隨棱角性變化如圖1～2 所示，礫石瀝青混合料抗水損害能力隨棱角性變化如圖3～4所示。

表5 馬歇爾體積指標Table 5 The Marshall volume index

圖1 30 min穩(wěn)定度隨棱角值變化關(guān)系Fig.1 Relationship between the 30 min stability and the edge angle value

圖2 48 h穩(wěn)定度隨棱角值變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the 48 h stability and the edge angle value

圖3 浸水殘留穩(wěn)定度隨棱角值變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the MS0 and the edge angle value

圖4 凍融劈裂抗拉強度比隨棱角值變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the TSR and the edge angle

由表5可知，礫石粗骨料的棱角性越差，細骨料對瀝青混合料的骨架填充作用越強，導致空隙率逐漸降低，馬歇爾試件的毛體積相對密度越大。在相同配合比設(shè)計下，當瀝青用量不變時，隨著礦料骨架的空隙率隨著降低瀝青飽和度逐漸增大。

從圖1～2 中可以看出，礫石粗骨料棱角與穩(wěn)定度具有良好的線性相關(guān)性，其相關(guān)度大于0.7。當?shù)[石粗骨料的棱角性變差時，無論是30 min 時的馬歇爾浸水殘留穩(wěn)定度，還是48 h 的浸水穩(wěn)定度，都是逐漸降低的。一方面，隨著礫石粗骨料的光滑面增多，在整個瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)當中粗糙界面減少，粗骨料之間的接觸點數(shù)目減少。同時，粗骨料趨于圓潤之后，角度降低，導致瀝青混合料的骨架互鎖性減弱。隨著紋理減少，不利于瀝青膠漿與粗骨料的裹附，從而影響瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性。另一方面，粗集料的棱角減少之后，細集料對骨架填充作用明顯，瀝青混合料的空隙率降低。在加載過程中，馬歇爾試件內(nèi)部的應(yīng)力無足夠空間得到釋放，最終導致瀝青混合料的穩(wěn)定度降低。

從圖3～4 中可以看出，浸水殘留穩(wěn)定度與礫石粗骨料棱角值具有良好的二次相關(guān)性。在小范圍內(nèi)，礫石粗骨料的棱角能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但隨著棱角性降低之后，骨架的互鎖性減弱，并且礫石表面孔隙率大，結(jié)構(gòu)疏松，表面微觀結(jié)構(gòu)比較平順，微觀比表面積較小，不利于瀝青與集料充分接觸，使得瀝青膠漿裹附效果變差[17]。礫石中二氧化硅含量高達68.82%，呈酸性，其表面堿性活性中心較少，降低了瀝青與骨料的黏附作用。因此，礫石粗骨料對水的敏感程度隨集料的棱角變差而增大，尤其是在平均棱角性＜42.85，未壓實空隙率＜17.82 時表現(xiàn)突出。表明：以凍融劈裂抗拉強度比評價礫石粗骨料棱角變化對礫石瀝青混合料抗水損害時，凍融劈裂抗拉強度比的值出現(xiàn)較大離散。采用融劈裂抗拉強度比相較于用浸水殘留穩(wěn)定度評價瀝青混合料的抗水損害能力的實驗條件更為嚴格。礫石集料與瀝青的黏接性能相較于混合料的結(jié)構(gòu)特性，影響更為顯著。

2.1.2 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗，探究礫石粗集料棱角性對瀝青混合料的影響，瀝青混合料車轍試件按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2011）[16]進行成型，將成型好的試件在60℃環(huán)境下保溫5 h 后，將輪碾儀荷重調(diào)至700 N，輪壓力設(shè)置為0.7 MPa 時進行試驗，試驗全過程為計算機控制，動穩(wěn)定度隨粗集料棱角性的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 DS隨棱角值變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the DS and the edge angle value

從圖5中可以看出，礫石粗集料棱角值的變化與瀝青混合料的高溫性能較高二次相關(guān)性，相關(guān)度高達 0.942 5。就相關(guān)性而言，0.942 5，因此，未壓實空隙率法優(yōu)于平均棱角性法。根據(jù)擬合曲線可知，當平均棱角性在47.47%，未壓實空隙率約19.52%時，礫石粗集料棱角值顯著提高了混合料的高溫性能；當平均棱角性小于43.41%，未壓實空隙率小于18.29%時，礫石棱角值對動穩(wěn)定度的影響程度顯著，導致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性已經(jīng)無法滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTC F40-2004）[18]中的設(shè)計要求。而當平均棱角性大于43.41%，未壓實空隙率大于18.29%時，礫石集料棱角值對瀝青混合料的高溫抗變形能力有限。一方面，瀝青瀝青混合料的骨架隨著棱角值的增大使得互鎖作用增強；另一方面，礫石粗骨料的尖角處在荷載作用下，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，制約了瀝青混合料高溫穩(wěn)定度的提高。因此，在平均棱角性為43.41%～47.47%，未壓實空隙率為18.29%～19.52%時，隨著棱角值的提高，瀝青混合料動穩(wěn)定度的變化浮動范圍較小。

2.1.3 低溫性能

瀝青混合料在低溫環(huán)境下受拉開裂，被視為能量消耗過程[19]。當瀝青混合料內(nèi)部儲存的彈性應(yīng)變能更大時，抵抗載荷與低溫耦合作用的性能更好，低溫性能也會得到改善[20]。因此，本研究以應(yīng)變能密度作為評價指標，分析礫石粗骨料棱角值的變化對瀝青混合料低溫性能的影響，應(yīng)變能密度計算式為：

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2011）中混合料彎曲試驗的要求進行試驗。試件長為250±2 mm、寬為30±2 mm、高為35±2 mm，試驗溫度為－10℃±0.5℃，加載速率為50 mm/min。試驗在UTM 上進行，在開始加載前，預(yù)先將試件放置在環(huán)境箱中進行保溫處理。

礫石瀝青混合料的應(yīng)變能密度隨棱角值變化關(guān)系如圖6 所示。從圖6 中可以看出，礫石粗集料的棱角值與瀝青混合料在低溫環(huán)境下開裂時，應(yīng)變能密度具有良好的二次相關(guān)性，相關(guān)性大于0.6。就相關(guān)性而言，因此，未壓實空隙率法優(yōu)于平均棱角性法。根據(jù)擬合曲線可知，當平均棱角性為47.47%，未壓實空隙率約19.52%時，礫石粗集料棱角值對混合料的低溫性能提高顯著。當平均棱角性小于43.41%，未壓實空隙率小于18.29%時，應(yīng)變能密度下降顯著；當平均棱角性大于43.41%，未壓實空隙率大于18.29%時，應(yīng)變能密度隨著礫石粗集料的棱角值增大，出現(xiàn)了先增大后減小的變化。一方面，隨著棱角值變大，集料表面紋理豐富，瀝青混合料的骨架互鎖作用增強；另一方面，隨著礫石粗集料棱角值增大，集料之間的接觸點數(shù)增加，伴隨著接觸點所在的軟弱層增加，導致集料在受力情況下出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，削弱了瀝青混合料的骨架互鎖作用。雖然棱角值的提高增加了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性，但抵抗低溫抗變形的能力始終較小，這是由于礫石這種酸性集料與瀝青的黏接性能較差，降低了瀝青混合料的低溫抗變形能力。

圖6 應(yīng)變能密度隨棱角值變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the strain energy density and the edge angle value

2.2 礫石粗集料單檔粒徑棱角值對瀝青混合料路用性能的灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過多種因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度，找出對系統(tǒng)影響程度最大的主要因素或者特征，在瀝青混合料的研究中運用廣泛[21-22]。用關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度對相似程度進行描述，而關(guān)聯(lián)度指各個因素對結(jié)果的影響程度。關(guān)聯(lián)度的計算式為：

式中：χ0、χι分別是參考數(shù)列和比較數(shù)列的平均值。

3）關(guān)聯(lián)系數(shù)計算式為：

以瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、應(yīng)變能密度作為參考數(shù)列，將礫石粗骨料各級粒徑棱角值作為比較數(shù)列，建立礫石粗骨料各級棱角值變化對瀝青混合料路用性能影響的關(guān)聯(lián)度。分析礫石粗骨料中不同粒徑的棱角值對瀝青混合料路用性能的影響，礫石粗集料棱角值與路用性能指標關(guān)系見表6，通過MATLAB 程序計算關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表7。

表6 礫石粗集料棱角值與路用性能指標關(guān)系Table 6 Relationship between the edge angle value of gravel coarse aggregate and the road performance index

表7 路用性能指標與各級粗集料棱角值的相關(guān)度計算結(jié)果Table 7 Calculation results of correlation between the road performance index and the edge angle value of coarse aggregate of all levels

由表7可知，礫石粗集料棱角值對瀝青混合料路用性能的影響程度為：低溫性能＞高溫性能＞抗水損害能力。對于抗水損害能力影響而言，粒徑為16.00～19.00 mm 集料棱角值的影響最大，這是因為在瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性中，由粗集料提供骨架，受外部荷載情況下抵抗變形，大粒徑集料棱角值直接影響了其表面紋理的粗糙程度，決定了與其周圍集料的互鎖能力和瀝青的裹附效果，但由于礫石瀝青混合料對水敏感較高，降低了瀝青與集料的黏接性能，此時結(jié)構(gòu)特性影響較為顯著。而對于瀝青混合料的高低溫而言，粒徑為13.20～16.00 mm 集料棱角值的影響最大，這是因為13.20～16.00 mm 的集料在粗集料中所占比例較多且骨料較大，棱角值大小決定了集料之間的接觸特性，進一步影響了瀝青混合料在受外部荷載時抵抗變形的能力。

3 結(jié)論

通過 ASTMD3398-97 法和 AASHTO TP56 法進行礫石粗集料的棱角表征，以AC-16 礫石瀝青混合料為例，研究了礫石粗集料棱角值對瀝青混合料路用性能的影響，得到結(jié)論為：

1）通過函數(shù)擬合所得到的相關(guān)度可知，集料通過AASHTO TP56 法進行棱角值表征是優(yōu)于ASTMD3398-97法的。

2）礫石瀝青混合料的抗水損害能力主要受瀝青與集料的黏接性能影響較大，棱角值的影響較小。

3）基于灰色關(guān)聯(lián)分析可知，礫石粗集料棱角值對瀝青混合料路用性能的影響程度為：低溫性能＞高溫性能＞抗水損害能力。

4）礫石粗集料棱角值與瀝青混合料的高低溫性能具有二次相關(guān)性。當平均棱角性在47.47%，未壓實空隙率約19.52%時，礫石粗集料棱角值顯著提高了瀝青混合料的高溫性能。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可知，13.20～16.00 mm 集料的棱角值對礫石瀝青混合料的高低溫性能影響最大。