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        彩色瀝青路面施工

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        集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響

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        集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響

        發布日期:2018-08-11 作者: 點擊:

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        引言

         

        車轍變形是瀝青路面主要的損壞形式,瀝青路面車轍病害除受溫度及荷載等外界因素的影響,還受到其他多方面因素的綜合作用。以往的許多研究集中在瀝青混合料原材料性能、骨料級配、瀝青路面內部結構及路面車轍發生的機理等方面,關于集料自身的形態特性對瀝青混合料高溫性能影響的研究相對較少。由于針片狀指數指標受人為因素影響大,誤差易較大,且只能反映粗集料的形狀特性;所以越來越多的研究人員采用數字圖像處理技術等直接測量方法對粗集料的形態特征進行測量,試驗結果與混合料的路用性能具有良好的相關性。

         

        眾所周知,集料顆粒的形態特征對成型壓實后的瀝青混合料顆粒之間的相對位置起重要的作用。粗集料顆粒之間形成的嵌擠骨架結構是瀝青混合料高溫抗車轍能力的保證,穩固的嵌擠骨架結構可以有效地抵抗混合料的高溫形變。因此,粗集料的形態特征對瀝青混合料高溫性能有重要意義。

         

        同樣作為瀝青混合料的組成成分,細集料的特性也影響著混合料的高溫性能,常用的細集料有機制砂、天然砂和石屑。天然砂由于呈渾圓狀,棱角性小,粘附性較差,使用過多無益于高溫性能,工程應用中經常被放棄,多使用棱角性較好的機制細集料。因此,細集料的棱角性及相對用量對瀝青混合料高溫穩定性具有重要的影響。本文采用數字圖像處理技術及流動時間法對粗細集料的形態特征進行分析,并研究粗集料形態特征及細集料中河砂摻量對瀝青混合料高溫性能的影響。

         

        試驗材料及方案

         

        原材料

         

        瀝青采用SK-90號基質瀝青,粗集料為石灰巖,細集料為機制砂和河砂。瀝青和集料的技術性能指標均滿足施工技術規范的技術要求。

         

        其中AC-13瀝青混合料的油石比為4.5%,AC-16混合料的油石比為4.8%。

         

        試驗方案

         

        為了保證粗集料形態特征對瀝青混合料性能影響分析試驗的準確性,粗集料選用來自同一產地及批次的石灰巖。用洛杉磯磨耗儀將石灰巖分別磨耗0、500、750、1000次,篩分出單一粒徑的石灰巖,得到不同棱角性的粗集料。為避免砸碎集料,在磨耗時未加入鋼球。

         

        細集料采用河砂與石灰巖機制砂,集料的粒徑范圍均為0.075~2.36mm。為了分析細集料棱角性對瀝青混合料高溫性能的影響,將河砂與石灰巖機制砂按照不同比例混合,細集料按河砂占集料總量的百分比0、10%、20%、40%組合成4種棱角性不同的混合集料。

         

        集料形態特征的測定

         

        集料形態特征主要包括圓度、球度、棱角度及表面紋理等。

         

        粗集料形態特征的測定

         

        粗集料特性量化指標有圓度、棱角度、平均Z小曲率半徑、圓形度、凸度以及基于等效橢圓提出的棱角性等。

         

        測試粗集料棱角性的方法有集料圖像處理分析法、5821法、集料顆粒形狀和構造指數標準試驗法、粗集料未壓實空隙率法和法國18-564方法。為了能夠快速準確地測定單個集料的棱角性,本文采用圖像處理分析法。

         

        粗集料棱角性的數字圖像分析法是利用數碼相機獲取粗集料的圖像,再利用圖像處理系統對圖像進行處理與識別,得到集料單個顆粒的面積、周長、長軸、短軸等基本參數,Z后對粗集料棱角性進行量化。

         

        可以看出,隨著磨耗次數的增加,粗集料的圓度下降,棱角性指標減小。原因是:隨著磨耗次數的增加,粗集料表面的突起部分逐漸被磨掉,粗集料變得越來越光滑,形狀更接近球形;同時,隨著磨耗次數的增加,粗集料的紋理指數越來越小,表面變得越來越平坦。圓度和紋理指標的變化趨勢都是減緩的,在500次之前變化較大,500次之后變化減小。

         

        細集料形態特征的測定

         

        細集料棱角性主要表征了集料顆粒的表面紋理和形狀。評價細集料棱角性的常用試驗方法有滲透系數法、流動時間法、未壓實空隙率法和間隙率法。其中,間隙率法和流動時間法是工程施工中Z常用的方法,也是中國《公路工程集料試驗規程》中評價細集料棱角性的試驗方法。本文采用流動時間法測定細集料棱角性。

         

        可以看出,隨著河砂含量的增加,細集料流動時間減小。當細集料全部為機制砂時,流動時間Z長;當細集料為河砂時,其流動時間Z短,僅為30.170s。其原因為:石灰巖機制砂形狀接近棱角方體,表面棱角豐富,摩擦系數較大,因此流動時間長;河砂由于經過長時間流水沖擊,顆粒圓滑,棱角性小,所以流動時間短。

         

        集料形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響

         

        粗集料形態特征對瀝青混合料高溫穩定性的影響

         

        不同形態粗集料的高溫穩定性。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對采用固定細集料、不同磨耗次數粗集料成型的AC-16試件進行高溫車轍試驗,檢測其動穩定度。

         

        可以看出,隨著磨耗次數的增加,粗集料棱角性指標減小,圓度及紋理指標減小,瀝青混合料動穩定度也隨之減小,車轍深度增加。

         

        當磨耗次數從0次增加到500次的時候,粗集料的棱角性、圓度和紋理變化均較大,瀝青混合料的動穩定度、車轍深度變化較為明顯,說明這段時間內集料特性的變化對瀝青混合料高溫性能影響較明顯??梢钥闯?,粗集料的棱角性指標、圓度和表面紋理指標與動穩定度和車轍深度的相關性較明顯,說明粗集料特性對瀝青混合料的高溫性能影響較顯著??芍?,粗集料棱角性指標、圓度及紋理指標越大,瀝青混合料的動穩定度越大;可知,粗集料的棱角性指標、圓度及紋理指標越大,瀝青混合料的車轍深度越小,其高溫穩定性越好。

         

        不同形態特征粗集料的性能影響分析。集料顆粒形狀對瀝青路面的結構強度有重要影響,隨著粗集料棱角性指標及骨料間的摩擦性增大,瀝青混合料的結構穩定性增加;隨著磨耗次數增加,粗集料棱角性、圓度變差,顆粒間嵌擠作用減小,因此瀝青混合料動穩定度降低。

         

        隨著集料棱角性的減弱,集料顆粒變得圓滑,表面積減小,裹覆集料的結構瀝青變少,相應的自由瀝青變多,因此瀝青混合料的動穩定度降低。

         

        磨耗次數在0~500次時,集料顆粒突起部分Z先被磨掉,集料形態特征發生變化,使混合料動穩定度變化較大;磨耗次數在500~1000次時,集料顆粒的表面特性變化放緩,混合料動穩定度變化較小。

         

        細集料形態特征對瀝青混合料高溫穩定性的影響

         

        不同形態細集料的高溫穩定性。按照相關試驗規程對采用固定粗集料、不同比例河砂的細集料成型的AC-13試件進行車轍試驗。

         

        可以看出,混合料的動穩定度隨細集料流動時間的增大而增大,車轍深度隨流動時間的增大而減小。當細集料全為機制砂時,流動時間Z大,瀝青混合料的動穩定度Z大;當細集料河砂摻量Z大時,細集料流動時間Z小,動穩定度Z小。由此可知,細集料的棱角性對瀝青混合料的高溫性能影響較明顯。

         

        當河砂占集料的比例大于20%時,動穩定度小于800次·mm-1,不能滿足規范對集料動穩定度的要求,故建議河砂比例應小于20%。

         

        不同形態細集料的性能影響分析。由于機制砂棱角性好,在外力的作用下豐富的棱角可以使粒料嵌擠作用加強;而河砂棱角性差,在外力的作用下礦料顆粒之間的抗剪切變形能力不足,因此動穩定度較低。

         

        河砂棱角性小,顆粒圓滑一些,比表面積與機制砂相比較小。在瀝青用量相同的情況下,棱角性小的河砂混合料結構瀝青含量少,自由瀝青含量多,因此動穩定度比棱角性較大一些的機制砂混合料小。

         

        結語

         

        (1)瀝青混合料的動穩定度隨集料棱角性的增大而增大,車轍深度隨棱角性的增加而減??;棱角性好的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

         

        (2)瀝青混合料的動穩定度隨集料圓度的增大而增大,車轍深度隨圓度的增加而減??;圓度大的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

         

        (3)瀝青混合料的動穩定度隨集料紋理復雜程度的增加而增大,車轍深度隨紋理復雜程度的增加而減小,紋理多的粗集料有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

         

        (4)細集料棱角性與混合料的高溫性能有較好的相關性,隨著細集料中河砂含量的增加,瀝青混合料的動穩定度下降,建議瀝青混合料中河砂含量不宜超過集料總量的20%。


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