粗集料棱角性對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗拉性能的影響

謝濤 徐龍 汪秀根 張直云

為研究粗集料棱角性對(duì)半剛性基層抗拉性能的影響，采用等效橢圓法對(duì)2種不同集料的不同粒徑進(jìn)行棱角性評(píng)價(jià)，再采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)制定試驗(yàn)方案，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。研究表明，在9.5～19 mm粒徑范圍內(nèi)，隨著集料A的替換率增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大；當(dāng)9.5～19 mm 和19～26.5 mm 2個(gè)粒徑中的集料A替換率都為50.0%，劈裂強(qiáng)度相對(duì)于集料B未被替換時(shí)的強(qiáng)度提高了3.4%，所以棱角性的變換，會(huì)引起集料的強(qiáng)度和抗拉性能的變化，粗集料的棱角性越凸出，整個(gè)混合料的強(qiáng)度和抗拉性能會(huì)越好。

半剛性基層； 棱角性； 抗拉強(qiáng)度； 抗壓強(qiáng)度

TU528.041 A

［定稿日期］2021-12-21

［作者簡(jiǎn)介］謝濤（1987—），男，本科，工程師，從事道路橋梁施工工作。

在經(jīng)過(guò)粉碎的材料中，摻入足量的水泥和水，經(jīng)拌和得到的混合料，在壓實(shí)和養(yǎng)生后，當(dāng)其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定的要求時(shí)，稱(chēng)為水泥穩(wěn)定碎石材料，是半剛性基層材料中的一種。集料的質(zhì)量占整個(gè)水泥穩(wěn)定碎石的比例超過(guò)90%，所以集料的性能很大程度決定了混合料的性能。骨架之間的相互嵌擠作用，摩擦作用對(duì)混合料的力學(xué)性能有很大影響［1］，基層作為主要的路面承重層，在受力不均勻的狀況下，路面容易受到剪切應(yīng)力，所以基層不但要具有一定抗壓強(qiáng)度也要有一定的抗拉強(qiáng)度［2］。目前無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度同為基層的強(qiáng)度指標(biāo)，并且劈裂強(qiáng)度可以作為水泥穩(wěn)定碎石基層的破壞指標(biāo)，在半剛性基層瀝青面層中的結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)和材料組成設(shè)計(jì)中，越來(lái)越重視混合料的抗拉特性［3-4］。半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)的反射裂縫，大部分的原因就來(lái)自于基層抵抗拉應(yīng)力的能力不足。較多學(xué)者［5-8］從水泥含量、齡期、配合比、壓實(shí)度、溫度、外摻劑等多方面的影響對(duì)劈裂強(qiáng)度展開(kāi)研究，并有了較多的顯著性成果。但對(duì)于粗集料棱角性及其形態(tài)特征對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響，其研究對(duì)象多是對(duì)于瀝青混合料面層［9-12］，對(duì)基層的研究較少，為此，筆者采用等效橢圓法［13-15］來(lái)評(píng)價(jià)棱角性，再基于棱角性對(duì)半剛性基層抗拉性能的影響分析來(lái)展開(kāi)研究，以及探討劈裂強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，也就是探索抗壓性能與抗拉性能之間的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

磷渣和粉煤灰一樣具有火山灰效應(yīng)，但由于磷渣的緩凝作用，對(duì)水泥的早期水化均有一定程度的減緩［16］。磷渣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度較低、凝結(jié)較為緩慢，可作為拉薩地區(qū)施工時(shí)使用的水泥，便于施工操作和基層質(zhì)量的保證。

磷渣硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 集料與級(jí)配

本試驗(yàn)采用了2種集料，一種是工程上常用集料碎石，

簡(jiǎn)稱(chēng)：集料A；另一種是拉薩河里經(jīng)過(guò)破碎后的破碎礫石，簡(jiǎn)稱(chēng)：集料B（表2、表3）。

2 試驗(yàn)

2.1 棱角性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1.1 CCD數(shù)字圖像獲取

CCD數(shù)字圖像處理是把相機(jī)獲得的圖像使用計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字圖像處理技術(shù)硬件，進(jìn)行數(shù)字圖像信息對(duì)電信號(hào)的一個(gè)轉(zhuǎn)換，再而進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的識(shí)別和讀取本文采用有效像素為1 400萬(wàn)的數(shù)碼相機(jī)，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行采集，采集過(guò)程中采用自制的逆光燈箱去消除外界光線(xiàn)和拍攝角度造成的陰影。為了減少粗集料數(shù)字圖像采集一個(gè)面的單一性造成的誤差，對(duì)集料的正反面都進(jìn)行了圖像采集［17］。

2.1.2 數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理是對(duì)數(shù)字圖像中的信息進(jìn)行提取。本文使用ImageJ對(duì)粗集料圖像進(jìn)行灰度化、去噪、二值化、形態(tài)學(xué)處理以及輪廓邊緣的提取，如圖1所示。對(duì)處理圖像的周長(zhǎng)、面積和形心位置、主軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度等信息進(jìn)行采集。

2.1.3 棱角性評(píng)價(jià)

本文基于DIP（數(shù)字圖像）技術(shù)對(duì)棱角性指標(biāo)進(jìn)行量化。李嘉等［18］證明了4個(gè)棱角性評(píng)價(jià)指標(biāo)AR、ARmax、APc、AP與未壓實(shí)孔隙率都有較好的相關(guān)性，但AP指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)最大。等效橢圓法（圖2）最小量化了形狀因素對(duì)棱角性指標(biāo)的干擾［19-20］。

P′=（PPe）2（1）

P″=∑ni（Ai×P′i）∑niAi（2）

式中：P是集料的輪廓周長(zhǎng)，Pe是輪廓的等效橢圓周長(zhǎng)，P′i是粗集料中第i顆集料的棱角性，Ai是第i顆集料的輪廓投影面積，P″是粗集料棱角性的加權(quán)指標(biāo)值，n是集料的總數(shù)。本文比較集料A和集料B，在不同粒徑范圍的棱角性：從2個(gè)不同的投影面共同計(jì)算棱角性，得到結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4、表4。

等效橢圓的理論計(jì)算與其長(zhǎng)軸和短軸有關(guān)，當(dāng)該指標(biāo)越接近1.000時(shí)，表示原輪廓越接近于圓，其棱角性越差，對(duì)于大于1.000的數(shù)值，值越大，棱角性越好。由圖3和表4可知：在19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)，2種集料的變異性系數(shù)最大，所以對(duì)于大粒徑來(lái)說(shuō)，采集的數(shù)量需要相對(duì)的增多；集料A的棱角性?xún)?yōu)于集料B，隨著粒徑的增大，A集料的棱角性在16～19 mm的粒徑范圍內(nèi)的棱角性最好，棱角性的變化規(guī)律是先增大后減小。集料B隨著粒徑的增大棱角性也逐漸增大。在9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm粒徑范圍內(nèi)，集料A的棱角性都優(yōu)于集料B的1%左右，所以可把4個(gè)粒徑歸類(lèi)為2個(gè)粒徑范圍：9.5～19 mm，19～26.5 mm。

即棱角性大小的排列順序?yàn)椋?.5～19 mm：集料A＞集料B，19～26.5 mm：集料A＞集料B，并且在AB 2種集料中，19～26.5 mm的棱角性都優(yōu)于9.5～19 mm。

2.2 水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案

本文采用正交法來(lái)制定試驗(yàn)方案，該方案采用4因素3水平，共9組試驗(yàn)。試驗(yàn)因素：①水泥含量；②9.5～19.5 mm粒徑范圍內(nèi)集料B被集料A替換的替換率（文中簡(jiǎn)稱(chēng)：9.5～19 mm）；③19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)集料B被集料A替換的替換率（文中簡(jiǎn)稱(chēng)：19～26.5 mm）。在因素①中的水平數(shù)：水泥含量4.0%、5.0%、6.0%；因素②中的水平數(shù)：0.0、50.0%、100.0%；因素③中的水平數(shù)：0.0、50.0%、100.0%。3個(gè)因素各自的水平值設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。標(biāo)準(zhǔn)正交表見(jiàn)表6。

其中第4列為為空列，為誤差列。

根據(jù)JTGE 51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定，使用丙法重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定在該配合比下混合料的最大干密度和最佳含水量分別為：ρmax=2.352 g/cm3，ωopt=5.3 %。按照壓實(shí)度為97%的要求，來(lái)計(jì)算集料、水泥和水的用量，拌和均勻后裝模，采取液壓式壓力機(jī)VE-200來(lái)制作無(wú)側(cè)限抗壓試件和劈裂試件，直徑×高為：150 mm×h150 mm。經(jīng)過(guò)2～6 h，采用脫模機(jī)YTM-300進(jìn)行脫模，將脫模后的試件進(jìn)行裝袋，并把袋內(nèi)空氣排干凈，放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度：20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%）養(yǎng)護(hù)，無(wú)側(cè)限試件養(yǎng)護(hù)7天，劈裂試件養(yǎng)護(hù)90天，2種試件都在最后1天浸水養(yǎng)護(hù)。然后對(duì)2種試件進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。

2.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

使用數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)好的試件進(jìn)行抗壓，記錄各組試件破壞時(shí)的峰值，得到相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（表7）。

使用極差分析（直觀(guān)分析法）對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3個(gè)因素的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值都超過(guò)7.00 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。3個(gè)因素互相獨(dú)立，并且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量線(xiàn)性相關(guān)。在9.5～19 mm粒徑范圍內(nèi)，當(dāng)集料A替換率為50.0%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較未被集料A替換的混合料的強(qiáng)度提高了12.0%，當(dāng)集料A替換率為100.0%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較集料A替換率為50.0%的強(qiáng)度提高了5.8%。隨著集料A替換率的增大，混合料的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度逐漸變緩，但整體來(lái)說(shuō)，提高了混合料的抗壓強(qiáng)度，即在9.5～19 mm內(nèi)，棱角性對(duì)抗壓強(qiáng)度正性相關(guān)，棱角性越好，越有利于抗壓強(qiáng)度的增大；在19～26.5 mm粒徑范圍內(nèi)，當(dāng)集料A的替換率為50.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較替換率為0.0%的強(qiáng)度提高了3.5%，替換率為100.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較替換率為50.0%的強(qiáng)度提高了3.2%。在19～26.5 mm內(nèi)，集料A的替換率與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較好，隨著集料A 替換率的增大，抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，即棱角性越好，越有利于提高抗壓強(qiáng)度（圖5）。

2.2.3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

在半剛性基層瀝青面層的結(jié)構(gòu)和材料的組成設(shè)計(jì)中，已經(jīng)把材料的抗拉性能列為重要的測(cè)量指標(biāo)。規(guī)定水穩(wěn)基層采用劈裂試驗(yàn)測(cè)得的劈裂強(qiáng)度作為抗拉強(qiáng)度。筆者采用CSS

軟件對(duì)電腦和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，設(shè)置電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的速率為1 mm/min，記錄試件破壞時(shí)的最大壓縮力P（N），結(jié)果如表8所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3個(gè)因素之間互不干擾，在不考慮水泥因素的條件下，當(dāng)集料B未被集料A替換時(shí)，混合料的劈裂強(qiáng)度平均值為1.17 MPa，已超過(guò)了此時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/6，滿(mǎn)足規(guī)范。當(dāng)2個(gè)粒徑范圍內(nèi)集料A的替換率都為50.0%時(shí)，混合料的劈裂強(qiáng)度的平均值為1.21 MPa；當(dāng)9.5～19 mm和19～26.5 mm的集料都被集料A替換時(shí)，即集料A的替換率為100.0%，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.19 MPa。所以，棱角性對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響，不僅與棱角性的好壞有關(guān)，還與不同棱角性集料之間的相互嵌合作用有關(guān)。為了滿(mǎn)足基層的施工、設(shè)計(jì)和使用，需要對(duì)集料的棱角性進(jìn)行一定評(píng)價(jià)和相應(yīng)的組合（圖6）。

2.2.4 劈裂回彈模量

規(guī)范規(guī)定材料的抗拉強(qiáng)度為劈裂強(qiáng)度，所以為了確定拉應(yīng)力和拉應(yīng)變之間的關(guān)系，筆者對(duì)抗拉模量也采用間接法確定，及劈裂回彈模量。該試驗(yàn)的試件與劈裂強(qiáng)度所用的試件相同，在測(cè)量回彈模量時(shí)，各組的拉應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)大同小異，其中以正交試驗(yàn)中的第五組為例，畫(huà)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

由應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可知，在一級(jí)加載時(shí)，試件已經(jīng)出現(xiàn)塑性變形，在之后的逐級(jí)加載中，塑性變形隨著加載級(jí)數(shù)的增大而減小，這可能是因?yàn)樵诩虞d壓力值較小時(shí)，只對(duì)起膠結(jié)作用的砂漿有一定的擾動(dòng)作用，但該擾動(dòng)是一個(gè)不可恢復(fù)的變形，而隨著加載級(jí)數(shù)的增大，變形也逐漸增大，直至試件出現(xiàn)裂縫，試件破壞。

2.2.5 劈裂強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限強(qiáng)度的關(guān)系

劈裂強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度調(diào)整后的相關(guān)度R2=0.87069，兩者相關(guān)性較好，對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)可用于劈裂強(qiáng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)估，但在瀝青鋪筑完成后，基層受溫度和濕度影響較大，基層材料會(huì)承受較大的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，一旦超過(guò)其抗拉強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度，基層就出現(xiàn)裂縫，所以劈裂強(qiáng)度可作為基層的破壞強(qiáng)度指標(biāo)，然后推測(cè)此時(shí)的破壞強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的施工技術(shù)指標(biāo)抗壓強(qiáng)度的大小，由圖8可知，劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度線(xiàn)性正相關(guān)，即可通過(guò)劈裂強(qiáng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，可由抗拉強(qiáng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估。

2.2.6 劈裂強(qiáng)度與劈裂回彈模量的關(guān)系

劈裂回彈模量是基層抵抗水平拉應(yīng)力的能力，在車(chē)輪荷載條件下，基層層底受較大的拉應(yīng)力，抵抗拉應(yīng)力不足時(shí)，基層會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫會(huì)擴(kuò)展到面層出現(xiàn)反射裂縫，從而影響道路的正常使用。由圖9可知，劈裂強(qiáng)度與劈裂回彈模量的相關(guān)性較好，由于回彈模量的測(cè)量，相對(duì)于較困難，可以用劈裂強(qiáng)度對(duì)劈裂回彈模量進(jìn)行預(yù)估，大大減少工作量。

3 結(jié)論

（1）整體來(lái)說(shuō)，粗集料的棱角性對(duì)基層強(qiáng)度的影響是正向的，粗集料棱角性越好基層的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度越高。

（2）劈裂強(qiáng)度作為基層的強(qiáng)度和破壞指標(biāo)，對(duì)組成混合料的粗集料進(jìn)行棱角性的替換，可以減少基層和面層裂縫的產(chǎn)生，減少道路病害。并且可以在知道劈裂強(qiáng)度的條件下對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂回彈模量進(jìn)行預(yù)估。

（3）在配合比、齡期和水泥摻量相同的情況下，可以通過(guò)改善集料本身的性質(zhì)來(lái)提高混合料的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王彥喆. 粗集料細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)特征對(duì)瀝青混合料性能的影響研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

［2］ 賴(lài)錦華. 水泥穩(wěn)定再生骨料路面基層力學(xué)性能及疲勞性能研究［D］.福州：福州大學(xué)，2017.

［3］ 袁國(guó)柱. 無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土強(qiáng)度控制指標(biāo)［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［4］ 李德國(guó). 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

［5］ 魏連雨，葛景峰，朱旭紅，等， 季節(jié)性環(huán)境溫度下二灰碎石基層強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律研究［J］. 中外公路， 2012. 32（1）： 80-83

［6］ 徐靜. 水泥穩(wěn)定碎石基層抗彎拉性能試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013

［7］ 陳峰林， 凌晨，李豪. 高速公路改擴(kuò)建工程新舊路面基層拼接界面處理方案研究［J］. 公路， 2017. 62（11）： 14-18.

［8］ 高伏良，黃永強(qiáng)，李飛，等， 工業(yè)廢渣路面基層材料試驗(yàn)研究［J］. 公路工程， 2012. 37（5）： 214-217.

［9］ 王彥喆， 粗集料細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)特征對(duì)瀝青混合料性能的影響研究［D］. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)， 2012.

［10］ 譚憶秋，宋憲輝，紀(jì)倫，等， 粗集料性能對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2009. 22（1）： 29-33

［11］ 刁志軍， 基于粗集料形態(tài)特征參數(shù)的瀝青混合料力學(xué)性能影響因素分析［D］. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2020.

［12］ 岳寶峰， 基于骨架和凸包特征的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法研究［D］. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)， 2018.

［13］ FLETCHER T， CHANDAN C， MASAD E，eta1. Aggregate Imaging System （AIMS） for Characteirzing the Shape of Fine and Coarse Aggregates［J］. Transportation Research Record 2003， 1832： 67-77.

［14］ KU0 Chun-yi. Correlating Permanent Deformation Characteristics of Hot Mix Asphalt with Aggregate Geometric Irregularities ［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2002，30（2）：13-14.

［15］ WILSONJD，KL0TZLD. Quantitative Analysis of Aggregate Based on Hough Transform［J］. Transportation Research Record， 1996， 1530：111-115.

［16］ 楊代六，徐迅.磷渣對(duì)硅酸鹽水泥水化硬化的影響研究［J］.混凝土，2006（12）：46-48.

［17］ 肖倩，張蕾， 路用粗集料形態(tài)可視化識(shí)別及其評(píng)價(jià)方法綜述［J］. 公路交通科技， 2016. 33（5）： 46-52.

［18］ 李嘉， 林輝. 基于數(shù)字圖像處理的粗集料棱角性量化研究［J］. 公路交通科技， 2008， 25（7）：27-31.

［19］ 程小云. 基于礦料顆粒量化指標(biāo)的瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.西安： 長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

［20］ 熊琴. 粗集料形狀特征的數(shù)字圖像分析［D］.重慶： 重慶交通大學(xué)2011.