開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與影響因素研究★

李 博，梁 爽，趙振國(guó)

(1.江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 無(wú)錫 214000; 2.黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

開(kāi)級(jí)配瀝青混合料因較大的空隙結(jié)構(gòu)使其鋪設(shè)的瀝青路面具備降噪、排水和抗滑等功能性,并在“海綿城市”中被廣泛使用。但在使用過(guò)程中,易發(fā)生空隙衰變問(wèn)題,使其喪失基本的路用性能要求[1]。開(kāi)級(jí)配混合料作為包含空隙、集料與瀝青砂漿的多相復(fù)合材料,其結(jié)構(gòu)性能必然與內(nèi)部空隙分布、形貌等規(guī)律有關(guān)。因此,需要從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面對(duì)開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

通常采用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行開(kāi)級(jí)配瀝青混合料細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)的研究[2]。Masad通過(guò)兩種方式研究了混合料的空隙分布[3],發(fā)現(xiàn)它們隨著深度的增加而變化。Jiang進(jìn)一步使用三維重建技術(shù)來(lái)研究各種瀝青混合料的空隙特點(diǎn)[4],發(fā)現(xiàn)隨著顆粒尺寸的增加,其對(duì)應(yīng)的空隙直徑也會(huì)增加。此外,研究還發(fā)現(xiàn),空隙的形態(tài)與混合料的飛散損失、動(dòng)穩(wěn)定度以及防止堵塞有著密切的聯(lián)系。通過(guò)CT技術(shù)[5],蔣瑋等探討了多孔瀝青混合料的細(xì)微結(jié)構(gòu),并研究了它們的性質(zhì)。裴建中等利用數(shù)學(xué)建模理論[6],研究了多孔瀝青混合料空隙的垂直分布情況,并探究了不同材料的組成,如粒徑、維數(shù)。

綜合以上研究成果可知,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于瀝青混合料細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)特征的研究已逐步開(kāi)展,但是很多都集中于細(xì)觀空隙特征參數(shù)的計(jì)算,對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征表征和混合料各項(xiàng)性能的影響關(guān)系研究較少?；诖?本文重點(diǎn)研究主要空隙參數(shù)同混合料性能之間的相關(guān)性關(guān)系。

1 材料設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

1)瀝青。試驗(yàn)采用高黏度的改性瀝青,并根據(jù)排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[7]對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn),其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高黏度改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

2)集料。采用玄武巖和石灰?guī)r作為原料,其主要技術(shù)指標(biāo)[8]如表2所示。

表2 集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

為了分析空隙率對(duì)OGFC混合料細(xì)觀空隙特征的影響,通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵篩孔的集料通過(guò)率,確定了3條級(jí)配(OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ),見(jiàn)圖1,目標(biāo)空隙率分別為17%,20%和23%。

1.3 試驗(yàn)方案

采用馬歇爾雙面擊實(shí)50次成型OGFC混合料標(biāo)準(zhǔn)試件(63.5 mm±1.3 mm),利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取縱向高度方向上斷面圖像的細(xì)觀空隙特征數(shù)據(jù),如圖2所示為試件斷面圖像數(shù)據(jù)的提取過(guò)程。通過(guò)試件斷面圖像分析空隙率對(duì)OGFC混合料細(xì)觀空隙特征的影響規(guī)律并進(jìn)一步結(jié)合高溫性能、降噪性能測(cè)試等室內(nèi)試驗(yàn)研究細(xì)觀空隙特征對(duì)混合料抵抗車(chē)轍能力和降噪功能等的影響。

2 細(xì)觀空隙特征影響規(guī)律

2.1 細(xì)觀空隙特征的表征

通過(guò)對(duì)試件斷面的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、分析,獲取有關(guān)該斷面的重要信息,這些信息可以反映出該斷面的結(jié)構(gòu)、形狀、大小、尺寸、形狀變化趨勢(shì)以及其他相關(guān)性質(zhì)。其中,數(shù)據(jù)采集的方式為通過(guò)閾值處理,對(duì)數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行加權(quán),從而獲取其中的重要信息,這些信息可以反映出該斷面的結(jié)構(gòu)形狀、大小以及其他相關(guān)性質(zhì)。具體包括:加權(quán)空隙數(shù)量、加權(quán)空隙面積、加權(quán)空隙等效直徑和分形維數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 OGFC混合料細(xì)觀空隙特征

2.2 細(xì)觀空隙特征的影響因素

1)空隙率。從圖3可以看出,OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ的體積法實(shí)際測(cè)得的空隙率與其等效直徑以及斷面的平均空隙數(shù)量之間存在線性回歸,其中X表明了這種聯(lián)系,Y表明了這種聯(lián)系的程度,Z表明了它們之間的等效直徑,而R2則表明了它們之間的相關(guān)性。根據(jù)圖3及其相關(guān)的數(shù)據(jù),當(dāng)空隙率上升時(shí),開(kāi)級(jí)配混合料的斷面上的平均空隙數(shù)會(huì)顯著降低,但是,空隙的尺寸(面積)會(huì)不斷擴(kuò)張,因此其相應(yīng)的平均等效直徑會(huì)有所提升。

2)分形維數(shù)。隨著分形維數(shù)的增加,試件斷面里的空隙構(gòu)造變得更加復(fù)雜化,這可以從分形維數(shù)的變化中得到明顯的體現(xiàn)。如圖4所示為開(kāi)級(jí)配混合料空隙率同分形維數(shù)DB之間的相關(guān)性關(guān)系。可以得知,DB隨著開(kāi)級(jí)配混合料空隙率的增大而增大。即隨著空隙率的逐漸增大,瀝青混合料試件斷面圖像里的空隙構(gòu)造也變得越復(fù)雜。

2.3 細(xì)觀空隙特征對(duì)混合料的影響

開(kāi)級(jí)配混合料屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu),在荷載作用下易出現(xiàn)車(chē)轍和松散病害,影響路面行車(chē)安全和發(fā)揮降噪、抗滑等功能性,因此有必要進(jìn)一步分析細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其高溫性能和功能特性的影響。

1)空隙等效直徑的影響。使用表示空隙大小關(guān)系的參數(shù)——空隙等效直徑,分析其對(duì)開(kāi)級(jí)配混合料高溫性能和降噪性能的影響。由圖5可知,隨著空隙等效直徑增加,瀝青混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,因而其動(dòng)穩(wěn)定度逐漸減小。而空隙等效直徑越大,說(shuō)明空隙的級(jí)配相對(duì)較粗,較粗的級(jí)配使得空隙通道更加復(fù)雜,當(dāng)噪聲進(jìn)入空隙里時(shí),進(jìn)一步增加聲音發(fā)生多次碰撞的可能性,空隙壁面的摩擦和空氣阻力等使聲能逐漸被消耗,因此吸聲系數(shù)較好。

2)分形維數(shù)的影響。開(kāi)級(jí)配混合料的空隙分形維數(shù)與高溫動(dòng)穩(wěn)定度、吸聲系數(shù)峰值之間的線性關(guān)系見(jiàn)圖6?？梢钥闯?隨著試件斷面空隙的分形維數(shù)數(shù)值增加,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì),高溫抗車(chē)轍能力降低。而降噪效果增加,表明隨著分形維數(shù)增加,混合料中空隙路徑變得復(fù)雜化,當(dāng)聲波進(jìn)入空隙后,空隙中空氣隨之與空隙壁面摩擦振動(dòng),空氣黏滯阻力等聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散,因此吸聲效果越來(lái)越好。

3 結(jié)論

1)除去構(gòu)成骨架-空隙型結(jié)構(gòu)的開(kāi)級(jí)配混合料自身材料特性之外,空隙大小、分布和形貌特征等因素對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度和功能特性產(chǎn)生顯著影響,從而導(dǎo)致這些因素變化既造成混合料力學(xué)性能的差異,也影響了混合料功能特性的發(fā)揮。

2)當(dāng)開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的空隙率不斷提高時(shí),其斷面的平均空隙數(shù)會(huì)顯著降低,但是其空隙的面積會(huì)不斷擴(kuò)張,其相應(yīng)的等效直徑和分形維數(shù)會(huì)相應(yīng)地提高。

3)隨著空隙等效直徑和分形維數(shù)的增大,開(kāi)級(jí)配混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,其動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì);而吸聲系數(shù)峰值增加,混合料中空隙通道更加復(fù)雜,當(dāng)聲波進(jìn)入空隙后,空隙壁面與空氣摩擦產(chǎn)生振動(dòng),聲能逐漸被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散,吸聲效果較好。