不同成型方法對瀝青混合料路用性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響

任天琦，張海濤，張雪芹，孫俊鋒

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

顆粒級配、瀝青用量、溫度和試件成型方式等多種因素影響瀝青混合料本身的力學(xué)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)。不同成型方式使瀝青混合料的顆粒分布不同，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙分布不同，使其性能產(chǎn)生變化。擊實(shí)成型方法是在瀝青混合料上層進(jìn)行沖擊，將試件壓實(shí)，但是這種方法往往導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法能大量減少瀝青混合料在壓實(shí)過程中產(chǎn)生的集料破壞，并且提供更大的壓實(shí)功。因此，研究不同成型方法對瀝青混合料路用性能和空隙結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義[1]。

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件能夠較好地模擬實(shí)際路面的體積指標(biāo)[2]。易富等[3]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法更符合實(shí)際，并且旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型得到的瀝青混合料比馬歇爾擊實(shí)成型得到的瀝青混合料更加均勻。周杰等[4]以通遼—魯北公路作為實(shí)例，得出旋轉(zhuǎn)壓實(shí)得到的試件毛體積密度較大,空隙率和礦料間隙率較小，瀝青飽和度較大。柴金玲等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的試件在高溫性能和抗水損壞能力上比較優(yōu)秀，謝銀博等[6]采用CT掃描技術(shù)確定了實(shí)驗(yàn)過程中的瀝青混合料的空隙內(nèi)部變化過程。顏川奇等[7]分析了面空隙平均周長、面空隙等效半徑、面空隙數(shù)量、面空隙率間的區(qū)別與聯(lián)系,并對被掃描試件的空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重構(gòu)。楊瑞華等[8]認(rèn)為骨架密實(shí)型的SAC瀝青混合料采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次成型設(shè)計(jì),會得到較好的綜合路用性能。何兆益等[9]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)可以通過控制次數(shù)來控制目標(biāo)壓實(shí)度。有關(guān)專家研究了不同的壓實(shí)方法對馬歇爾法和高性能瀝青路面(Superior Performing Asphalt Pavement，Superpave)法骨料級配的影響[10-15]，結(jié)果表明，雖然Superpave密實(shí)方法對級配的影響一般小于馬歇爾沖擊密實(shí)方法對級配的影響，但是這2種方法對粗、中、細(xì)集料的影響各不相同。馬歇爾壓實(shí)對粗骨料級配和細(xì)骨料級配的影響較大，Superpave壓實(shí)對細(xì)骨料級配的影響較大，但是兩者對中等骨料級配的影響都較小。

基于空隙參數(shù)特征對瀝青混合料路用性能的重要影響，本研究從力學(xué)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面，分別對AC-16(粗集料最大公稱粒徑為16 mm碎石的中粒式瀝青混凝土，級配連續(xù))、SUP-16(粗集料最大公稱粒徑為16 mm碎石的中粒式瀝青混凝土，連續(xù)級配但有禁區(qū))和PAC-13(粗集料最大公稱粒徑為13 mm碎石的瀝青混凝土，開級配)的瀝青混合料進(jìn)行了馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)分析。采用空隙圖像識別(PCAS)和斷面掃描(Matlab)的圖像處理方法，計(jì)算得到其空隙參數(shù)。進(jìn)而比較分析2種成型方法下不同混合料類型的路用性能和空隙參數(shù)的變化規(guī)律。以期為工程實(shí)踐和試驗(yàn)室壓實(shí)方法的選擇提供新的途徑和參考。

1 材料設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

1.1 材料設(shè)計(jì)

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青(特1-C)，符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青(特1-C)的技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

試驗(yàn)中使用的集料均符合“《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)”中瀝青混合料用粗、細(xì)集料的質(zhì)量技術(shù)要求。其具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical index of aggregate %

1.1.3 瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

集料級配見表3。對AC-16、SUP-16、PAC-13瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其中，AC-16的最佳瀝青用量為5.0%[16]，SUP-16為4.7%，PAC-13為5.2%。

表3 集料級配(通過不同篩孔的質(zhì)量百分率)

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究不同成型方法對瀝青混合料路用性能的影響，采用自行改裝的圓形車轍試驗(yàn)?zāi)＞遊17]，通過馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)2種成型方法，進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并選取AC-16、SUP-16以及PAC-13瀝青混合料作為對比研究。試驗(yàn)裝置如圖1所示。其原理是在標(biāo)準(zhǔn)的車轍試驗(yàn)?zāi)＞呱蠞仓?，使其中間留下能放置旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件或擊實(shí)成型試件的空隙。待其凝結(jié)后，通過切割等手段將試件高度切割成與車轍模具相同的高度，再進(jìn)行相應(yīng)的車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)前，試件AC-16和SUP-16的擊實(shí)次數(shù)為雙面75次，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100次；PAC-13的擊實(shí)次數(shù)為50次，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為80次[11-12]。在試件成型過程中通過控制溫度等因素來確保只有成型方式這一變量。

圖1 車轍實(shí)驗(yàn)自制模具Fig.1 Rut test self-made mold

在試件成型后，通過高、低溫性能和水穩(wěn)定性能進(jìn)行路用性能的對比分析，研究2種成型方法之間的差異性。同時(shí)，對2種成型方式下的瀝青混合料試件進(jìn)行斷面掃描和空隙圖像識別(PCAS)，以混合料內(nèi)部空隙參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，分析不同成型方法對瀝青混合料空隙特征的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同成型方法對路用性能的影響

2.1.1 不同成型方法對瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響

車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在瀝青混合料試件同一成型條件下，其動(dòng)穩(wěn)定度由大到小依次為：AC-16、SUP-16、PAC-13。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的動(dòng)穩(wěn)定度均高于馬歇爾擊實(shí)成型試件，其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的動(dòng)穩(wěn)定度較擊實(shí)成型試件提高了25%，SUP-16提高了21%，PAC-13提高了31%。這是因?yàn)樵跒r青混合料試件成型過程中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀更加全面、多方位地將集料與瀝青結(jié)合起來，瀝青包裹集料后，兩者間的嵌合更加緊密，瀝青混合料的骨架更加密實(shí)，因此旋轉(zhuǎn)壓實(shí)條件下，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更好。

圖2 不同成型方法瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Rutting test results of asphalt mixtures with different forming methods

2.1.2 不同成型方法對瀝青混合料低溫彎曲性能的影響

采用半圓彎曲試件測定瀝青混合料的低溫彎曲性能，彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，同一試件成型條件下，AC-16的低溫性能最好，SUP-16次之，PAC-13最差。這是因?yàn)锳C-16內(nèi)部充斥著大量的礦粉和瀝青，形成了膠漿，在低溫下具有較好的延展性，具有較大的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變。對于PAC結(jié)構(gòu)類型而言，較多的空隙使其低溫性能有所降低。在2種瀝青混合料試件成型條件下，旋轉(zhuǎn)成型試件的抗彎拉強(qiáng)度均高于擊實(shí)成型試件。其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的抗彎拉強(qiáng)度較擊實(shí)成型試件提高了40%，SUP-16提高了29%，PAC-13提高了53%。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)壓實(shí)成型的方法，使得瀝青混合料集料與瀝青之間在成型時(shí)更加靠近，瀝青混合料的骨架比擊實(shí)成型的瀝青混合料骨架更加密實(shí)。因此在瀝青混合料的低溫性能上表現(xiàn)為抗彎拉強(qiáng)度更高。而對于排水瀝青混合料而言，不同的成型方式對其低溫性能影響更大。這是因?yàn)樵谕患壟錀l件下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙更低,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，因此其低溫抗裂性更好。

圖3 不同成型方式瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Low temperature bending test results of asphalt mixture with different forming methods

2.1.3 不同成型方法對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

瀝青混合料浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，同一試件成型條件下，AC-16和SUP-16的凍融劈裂強(qiáng)度比大于PAC-13。這是因?yàn)镻AC結(jié)構(gòu)類型易遭受水損壞，而AC-16和SUP-16的密實(shí)度較高，不易遭受水損壞。2種試件成型條件下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的凍融劈裂強(qiáng)度均高于擊實(shí)成型試件。其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的凍融劈裂強(qiáng)度較擊實(shí)成型試件提高了4%，SUP-16提高了1.7%，PAC-13提高了7.5%。這是由于在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的影響下，瀝青混合料內(nèi)部瀝青和集料相互之間的黏結(jié)比擊實(shí)成型條件的更強(qiáng)，骨架更加密實(shí)、緊湊，在瀝青混合料的水穩(wěn)定性上表現(xiàn)為劈裂強(qiáng)度更高。同時(shí)，對于排水瀝青混合料而言，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的作用下，瀝青混合料之間的空隙更小，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，更加穩(wěn)定，因此其劈裂強(qiáng)度更好。

圖4 不同成型方式對凍融劈裂強(qiáng)度的影響

2.2 不同成型方法對細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的影響

2.2.1 數(shù)字圖像處理

將試驗(yàn)中制作的2種成型方式生成的瀝青混合料進(jìn)行豎向切割實(shí)驗(yàn)，得到瀝青混合料的縱斷面。再對縱斷面進(jìn)行掃描，獲得其縱向切面圖像。再用PCAS軟件對瀝青混合料縱斷面進(jìn)行孔隙識別。處理后的斷面空隙如圖5所示[17]。

圖5 PCAS處理前后斷面空隙圖Fig.5 Section void diagram before and after PCAS treatment

2.2.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析

(1)內(nèi)部空隙參數(shù)分析

瀝青混合料斷面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字處理結(jié)果見表4。

表4 不同類型試件的空隙率、空隙數(shù)量與面積空隙度Tab.4 Voidage, number of voids and area voidage of different types of specimens

空隙率數(shù)據(jù)分析表明，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的AC-16試件的空隙率比擊實(shí)成型的空隙率從4.25%減少到了3.51%；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型SUP-16試件的空隙率比擊實(shí)成型的空隙率從4.69%減少到了4.09%；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的PAC-13試件的空隙率比擊實(shí)成型的空隙率從20.83%減少到了19.35%。因而，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法可以在一定程度上降低混合料的空隙率。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的AC-16、SUP-16和PAC-13試件的空隙數(shù)量相比擊實(shí)試件而言，其空隙數(shù)量從25、17和49個(gè)下降到了12、6和26個(gè)。所以，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式可以有效減少空隙數(shù)量。

面積空隙度是指空隙面積占總面積的百分?jǐn)?shù)，用來對縱斷面進(jìn)行分析。面積空隙度數(shù)據(jù)分析表明，對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，擊實(shí)成型試件的面積空隙度從3.39%、3.71%和11.98%下降到了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的1.92%、0.26%和3.36%，分別減少了1.47%、3.45%和8.62%。因此。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式可以在縱斷面上有效地減小面積空隙度。

(2)空隙長度、寬度分析

空隙的平均長度和寬度是影響空隙的主要因素之一?？障兜男螤罡鞣N各樣，大致可以分為圓形和長條形這2種類型。對于長條形空隙來說，空隙的長度和寬度就顯得至關(guān)重要。無論是瀝青混合料的橫向空隙還是豎向空隙，都會影響其本身的性能?？障兜拈L度越長，寬度越小，會導(dǎo)致其受力時(shí)產(chǎn)生的裂隙越大，瀝青混合料越容易開裂，路用性能越差。通過對試件進(jìn)行PCAS處理后得到空隙的平均長度和寬度，來分析2種成型方式的區(qū)別。不同級配的平均長度與平均寬度如圖6所示。

圖6 不同級配空隙的平均長度與平均寬度Fig.6 Average length and mean width of different grades

瀝青混合料的空隙長度、寬度在一定程度上受成型方式的影響[19]。對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的平均長度比擊實(shí)試件的平均長度減小了11.33%、0.24%、20.49%，平均寬度減小了7.94%、1.54%、20.42%，見表5。從表5的數(shù)據(jù)和圖5中可以看出，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料空隙比擊實(shí)成型的瀝青混合料少，并且旋轉(zhuǎn)壓實(shí)可以很明顯改善瀝青混合料的空隙情況。因此，對于瀝青混合料來說，由于其成型方式的不同，導(dǎo)致其內(nèi)部空隙不同，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件由于在成型時(shí)更加緊實(shí)，相比較擊實(shí)試件而言其內(nèi)部空隙長度、寬度更小，面積空隙度更低，抗破壞能力更強(qiáng)。

表5 擊實(shí)試件與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件內(nèi)部空隙數(shù)據(jù)Tab.5 Internal void data of compacted and gyratory compacted specimens

(3)空隙面積、周長分析

空隙的平均面積和周長也是影響瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的主要因素之一。對于圓形空隙來說，周長和面積是關(guān)鍵的影響因素?？障睹娣e越大，周長越大，空隙越長，進(jìn)而降低了瀝青混合料的顆粒內(nèi)部密集程度，在宏觀上就表現(xiàn)為更容易破裂。不同級配的平均面積與平均周長如圖7所示。

圖7 不同級配的平均面積與平均周長Fig.7 Mean area and average circumference of different grades

對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的平均空隙面積分別比擊實(shí)成型的平均空隙面積減小了13.12%、15.81%、47.52%，平均周長減小了12.21%、10.79%、16.01%，見表5。從表5的數(shù)據(jù)和圖5的斷面圖可以看出，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式可以明顯地改善試件中的空隙情況，無論是空隙周長還是面積，相比擊實(shí)成型方式而言都大大減少，這可以表示旋轉(zhuǎn)壓實(shí)可以使試件內(nèi)部的集料分布得更加均勻。隨著空隙情況的改善，面積空隙度的下降，在宏觀上就表現(xiàn)為各項(xiàng)路用性能更強(qiáng)。

(4)空隙分形維數(shù)分析

分形維數(shù)是通過分形來表征不規(guī)則事物的內(nèi)在規(guī)律的程度，一般用來描述復(fù)雜形體的不規(guī)則性的量度，數(shù)值越小，則表示該物體的形狀越規(guī)則，數(shù)值越大，表明其形狀越復(fù)雜。其表達(dá)式為

lnP=C+ (D/2)×lnA。

式中：P表示形體周長；A表示面積；C為常數(shù)；D為不規(guī)則圖形邊界線的分形維數(shù)[20]。

不同類型試件的空隙分形維數(shù)如圖8所示。由圖8可以看出，無論是AC-16、SUP-16還是PAC-13試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙分形維數(shù)都要比擊實(shí)成型試件的空隙分形維數(shù)要小。空隙分形維數(shù)小，則證明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙形狀更規(guī)則，內(nèi)部空隙更少，面積空隙度更低，更加密實(shí)，性能更強(qiáng)。分析其原因可能是因?yàn)樵谙嗤募壟湎?，試件在成型過程中大粒徑顆粒先形成骨架，然后細(xì)集料在內(nèi)部壓實(shí)的作用下填充內(nèi)部空隙。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件相對于擊實(shí)成型的試件來說，在成型過程中由于底座會以一定角度旋轉(zhuǎn)，會使集料產(chǎn)生細(xì)微變化，整個(gè)試件既受豎直方向上的壓力也受水平方向上的剪力，使整個(gè)試件整體受力更加均勻，細(xì)集料能更好地填充內(nèi)部空隙。

圖8 不同級配的空隙分形維數(shù)Fig.8 Void fractal dimension of different grades

(5)整體空隙結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖5的斷面圖，通過軟件分析可以得到不同試件的內(nèi)部空隙數(shù)據(jù)(表5)。從而可以看出，無論是馬歇爾擊實(shí)試件還是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，上側(cè)下側(cè)的空隙都要比中間的空隙多，呈現(xiàn)中間少上下多的分布形式。另外旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的空隙明顯要更加均勻，而馬歇爾擊實(shí)試件空隙形狀更不規(guī)則，孔隙更多。究其原因，可能是因?yàn)轳R歇爾擊實(shí)試件在從松散到緊實(shí)的過程中，先形成了外部骨架，然后在內(nèi)部細(xì)集料填充進(jìn)去，所以會導(dǎo)致內(nèi)部空隙分布不均勻，空隙較多。而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件在形成過程中由于旋轉(zhuǎn)的作用，導(dǎo)致在形成過程中細(xì)集料填充與骨架成型同時(shí)進(jìn)行，使得內(nèi)部空隙更加均勻，空隙更少。

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料有著相對于擊實(shí)成型的瀝青混合料更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閾魧?shí)成型的瀝青混合料在擊實(shí)成型時(shí)只是簡單地將瀝青混合料上下壓實(shí)，在壓實(shí)過程中，集料相互之間的位置已經(jīng)基本固定，導(dǎo)致?lián)魧?shí)時(shí)除了將粗集料擊碎以外，不會產(chǎn)生位置間的相互移動(dòng)。而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料在成型時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀內(nèi)部的底座在實(shí)驗(yàn)時(shí)會以一定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此會導(dǎo)致在集料相互擠壓過程中產(chǎn)生微小的相對移動(dòng)，使集料相互之間發(fā)生細(xì)小的位移變化，從而形成更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)。在圖5中不同成型方式的斷面掃描圖中可以看出來，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙數(shù)量比擊實(shí)成型試件的空隙數(shù)量少得多。

3 結(jié)論

(1)不同成型方法對瀝青混合料路用性能有著明顯的影響。無論是試件AC-16、SUP-16，還是試件PAC-13，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能都比擊實(shí)成型試件更好。相對于擊實(shí)成型試件而言，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件斷面的空隙更少、結(jié)構(gòu)更密實(shí)、密度更大，水分更難以進(jìn)入瀝青混合料空隙中，從而增大了瀝青混合料的強(qiáng)度和集料的黏結(jié)性。

(2)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)可以明顯改善瀝青混合料的空隙情況。相比較擊實(shí)成型試件來說，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的各個(gè)斷面空隙數(shù)據(jù)均有不同程度的減小，對于多孔瀝青混合料來說更為明顯。

(3)對AC-16、SUP-16和PAC-13瀝青混合料試件來說，擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料空隙都呈現(xiàn)出中間少、上下多的分布形式，并且旋轉(zhuǎn)壓實(shí)使瀝青混合料內(nèi)部空隙更加均勻，空隙率相對更少。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型可以改善瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布，無論是密集配瀝青混合料還是多孔瀝青混合料，其內(nèi)部的空隙都有明顯的減少，并且對多孔瀝青混合料的影響相對來說比較大。

(4)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料試件在壓實(shí)過程中，會因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，從而導(dǎo)致集料分布更加均勻，空隙更加合理，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因此，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的路用性能比擊實(shí)成型試件的路用性能好。