細集料形貌特征參數的表征及對SMA瀝青混合料性能影響研究

周權 王濤利 羅正宇

摘要 文章采用數字圖像處理技術對玄武巖細集料和石灰巖細集料以及混摻細集料的二維形狀指數和棱角性指數進行定量表征，并評價了細集料形貌特征對SMA-13瀝青混合料路用性能的影響規律。試驗結果顯示：隨著細集料二維形狀指數的減小，SMA-13瀝青混合料的高溫性能提高，低溫抗裂性和水穩定性降低；隨著細集料棱角性指數的增大，SMA-13瀝青混合料的高溫性能和水穩定性提高，低溫抗裂性降低。

關鍵詞 玄武巖細集料；二維形狀指數；棱角性指數；SMA-13瀝青混合料；路用性能

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0081-03

0 引言

細集料在瀝青混凝土中起著充填縫隙、傳遞荷載和膠結的作用^[1]，細集料形貌特征對瀝青混合料的體積、力學和路用性能有顯著影響^[2-4]。我國《公路瀝青路面施工技術規范》雖然提出采用棱角性（流動時間）評價細集料形貌特征^[5]，但現有研究尚未表明此方法對細集料形貌特征評價的合理性與準確性。

玄武巖集料由于其耐久性好、穩定性高、壓碎值較小、抗磨耗性能好、耐腐蝕性能好等優點被廣泛用于路面材料。因此，該文針對玄武巖細集料和石灰巖細集料，通過AIMS集料成像系統開展細集料形貌特征研究，并探究細集料形貌特征對SMA-13瀝青混合料性能的影響規律。

1 試驗材料及細集料形貌特征

1.1 原材料

試驗用瀝青為SBS改性瀝青，其軟化點為92 ℃，5 ℃延度為43.8 cm，針入度為53.1（0.1 mm），技術性能指標滿足規范要求。試驗用粗集料為玄武巖，細集料采用玄武巖和石灰巖，礦粉為石灰巖，均由浙江交投麗新礦業有限公司生產提供。SMA-13設計級配組成見表1，油石比為6.0%。

1.2 細集料形貌特征

為了分析細集料形貌特征對瀝青混合料路用性能的影響，將玄武巖細集料和石灰巖按照不同比例混合，按玄武巖細集料占細集料總量的100%、50%、0%組成3種不同形貌特征的混合細集料，主要獲得細集料的棱角性和二維形狀指標。試驗樣品數為50，試驗結果見表2。

由表2可知，隨著玄武巖細集料含量的減少，細集料的二維形狀指數增加，棱角性指數降低。100%玄武巖細集料二維形狀指數比100%石灰巖細集料小約12%，細集料二維形狀指數越小，細集料更接近圓形，說明玄武巖細集料形狀比石灰巖細集料更接近圓形；玄武巖細集料棱角性指數比石灰巖細集料高9%，說明玄武巖細集料微觀棱角性比較豐富。

2 細集料形貌特征對SMA-13瀝青混合料路用性能的影響

2.1 高溫性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）對采用固定玄武巖粗集料、不同細集料的SMA-13瀝青混合料進行路用性能評價，每種細集料的混合料進行三組平行實驗，試驗結果見表3。

由表3結果可知，采用不同種類細集料的SMA-13瀝青混合料的動穩定度大小順序為玄武巖細集料>50%玄武巖細集料>石灰巖細集料，均滿足規范要求（≥3 000 次/mm）。相比100%石灰巖細集料，采用100%、50%玄武巖細集料的SMA-13動穩定度分別高11%、2%。

不同細集料的二維形狀指數和棱角性指數對SMA-13瀝青混合料高溫性能的影響規律如圖1所示。

根據圖1可知，隨著細集料二維形狀指數的增大，瀝青混合料動穩定度隨之減小。當細集料二維形狀指數增加14%，SMA-13動穩定度降低12%。這是由于隨著細集料二維形狀指數的增加，其形狀更偏離圓形，趨向于針片狀，導致瀝青混合料在高溫荷載作用下變形加大，使混合料高溫性能降低。

此外，隨著細集料棱角性指數增加，瀝青混合料動穩定度隨之增大。當細集料棱角性指數增加9%，SMA-13動穩定度提高12%。這是由于細集料棱角性指數越大，細集料的微觀棱角性越豐富，細集料與瀝青的黏附性增大，瀝青混合料結構穩定性增加，故動穩定度增加。

綜合上述分析，顆粒形狀接近圓形、棱角豐富的細集料能提高SMA-13高溫穩定性。

2.2 低溫抗裂性能

該文采用低溫小梁彎曲試驗來評價SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結果見表3。由表結果可知，不同細集料的SMA-13瀝青混合料最大彎拉應變均滿足規范要求，抗彎拉強度和彎曲勁度模量大小順序為玄武巖細集料>50%玄武巖細集料>石灰巖細集料，最大彎拉應變的大小順序相反。

彎曲勁度模量綜合了抗彎拉強度與最大彎拉應變，其值越小則低溫抗裂性能越好。相比石灰巖細集料，采用100%、50%玄武巖細集料的SMA-13彎曲勁度模量分別高14%、8%。由此可見，采用石灰巖細集料的SMA-13混合料的低溫性能較好。

不同細集料的二維形狀指數和棱角性指數對SMA-13瀝青混合料低溫性能的影響規律如圖2所示。

根據圖2可知，隨著細集料二維形狀指數的增大，瀝青混合料彎曲勁度模量隨之減小。當細集料二維形狀指數增加14%，SMA-13彎曲勁度模量降低12%。此外，隨著細集料棱角性指數增加，瀝青混合料彎曲勁度模量隨之增大。當細集料棱角性指數增加9%，SMA-13彎曲勁度模量提高12%。

綜合上述分析，顆粒形狀接近圓形、棱角豐富的細集料能降低瀝青混合料低溫抗裂性。

2.3 水穩定性能

該文通過凍融劈裂試驗評價SMA-13瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果見表3。從水穩定性試驗結果看，采用石灰巖細集料和50%玄武巖細集料的SMA-13瀝青混合料凍融劈裂強度比較大，水穩定性較好。相比石灰巖細集料，采用100%玄武巖細集料的SMA-13混合料的TSR降低5%，混摻50%玄武巖細集料的SMA-13瀝青混合料水穩定性與石灰巖細集料的瀝青混合料相近。

不同細集料的二維形狀指數和棱角性指數對SMA-13瀝青混合料水穩定性的影響規律如圖3所示。

根據圖3可知，細集料二維形狀指數、棱角性指數與SMA-13瀝青混合料TSR關系均呈線性關系。當細集料二維形狀指數增加14%、棱角性指數增加9%，SMA-13混合料的TSR提高6%。

綜合上述分析，顆粒形狀偏離圓形、棱角豐富的細集料能提高瀝青混合料水穩定性。

3 結語

（1）采用100%玄武巖細集料的SMA-13高溫穩定性最好，采用50%玄武巖細集料的混合料高溫性能次之；SMA-13瀝青混合料動穩定度隨著細集料二維形狀指數的減小、棱角性指數的增大而增加；顆粒形狀接近圓形、棱角豐富的細集料能提高SMA-13高溫穩定性。

（2）采用100%石灰巖細集料的SMA-13混合料的低溫抗裂性最好，采用50%玄武巖細集料的混合料低溫性能次之；SMA-13瀝青混合料的彎曲勁度模量隨著細集料二維形狀指數的減小、棱角性指數的增大而增加；顆粒形狀接近圓形、棱角豐富的細集料能降低SMA-13瀝青混合料低溫抗裂性。

（3）采用100%石灰巖細集料和50%玄武巖細集料的SMA-13瀝青混合料水穩定性較好；SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨著細集料二維形狀指數和棱角性指數的增大而增加；顆粒形狀偏離圓形、棱角豐富的細集料能提高SMA-13瀝青混合料水穩定性。

參考文獻

[1]張軍昌. 玄武巖粗集料在道路瀝青混凝土上面層中的應用[J]. 安徽建筑， 2017（2）： 138-139.

[2]剛增軍. 集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響[J]. 筑路機械與施工機械化， 2017（1）： 47-51.

[3]王鳳， 肖月， 崔培德， 等. 集料形態特征對瀝青混合料性能影響規律的研究進展[J]. 材料導報， 2022（17）： 95-107.

[4]韓海峰， 呂偉民. 細集料棱角性對瀝青混合料性能的影響[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2002（3）： 302-306.

[5]張立安， 劉振清， 楊永順， 等. 瀝青混凝土路面細集料棱角性表征方法及技術標準研究[J]. 公路， 2010（10）： 177-182.

收稿日期：2024-01-10

作者簡介：周權（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向：道路工程。

通信作者：王濤利（1978—），男，碩士研究生，副高級工程師，研究方向：道路材料。