開級配瀝青混合料的細觀結構特征與影響因素研究★

李 博，梁 爽，趙振國

(1.江蘇中設集團股份有限公司,江蘇 無錫 214000; 2.黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

開級配瀝青混合料因較大的空隙結構使其鋪設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。但在使用過程中,易發生空隙衰變問題,使其喪失基本的路用性能要求[1]。開級配混合料作為包含空隙、集料與瀝青砂漿的多相復合材料,其結構性能必然與內部空隙分布、形貌等規律有關。因此,需要從細觀結構層面對開級配瀝青混合料的空隙結構進行研究。

通常采用計算機斷層掃描技術和數字圖像處理技術進行開級配瀝青混合料細觀空隙結構的研究[2]。Masad通過兩種方式研究了混合料的空隙分布[3],發現它們隨著深度的增加而變化。Jiang進一步使用三維重建技術來研究各種瀝青混合料的空隙特點[4],發現隨著顆粒尺寸的增加,其對應的空隙直徑也會增加。此外,研究還發現,空隙的形態與混合料的飛散損失、動穩定度以及防止堵塞有著密切的聯系。通過CT技術[5],蔣瑋等探討了多孔瀝青混合料的細微結構,并研究了它們的性質。裴建中等利用數學建模理論[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。

綜合以上研究成果可知,國內外學者對于瀝青混合料細觀空隙結構特征的研究已逐步開展,但是很多都集中于細觀空隙特征參數的計算,對瀝青混合料細觀結構特征表征和混合料各項性能的影響關系研究較少。基于此,本文重點研究主要空隙參數同混合料性能之間的相關性關系。

1 材料設計與試驗方案

1.1 試驗材料

1)瀝青。試驗采用高黏度的改性瀝青,并根據排水瀝青路面設計與施工規范[7]對其進行了檢驗,其技術指標如表1所示。

表1 高黏度改性瀝青的主要技術指標

2)集料。采用玄武巖和石灰巖作為原料,其主要技術指標[8]如表2所示。

表2 集料的主要技術指標

1.2 級配設計

為了分析空隙率對OGFC混合料細觀空隙特征的影響,通過調整關鍵篩孔的集料通過率,確定了3條級配(OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ),見圖1,目標空隙率分別為17%,20%和23%。

1.3 試驗方案

采用馬歇爾雙面擊實50次成型OGFC混合料標準試件(63.5 mm±1.3 mm),利用數字圖像處理技術獲取縱向高度方向上斷面圖像的細觀空隙特征數據,如圖2所示為試件斷面圖像數據的提取過程。通過試件斷面圖像分析空隙率對OGFC混合料細觀空隙特征的影響規律并進一步結合高溫性能、降噪性能測試等室內試驗研究細觀空隙特征對混合料抵抗車轍能力和降噪功能等的影響。

2 細觀空隙特征影響規律

2.1 細觀空隙特征的表征

通過對試件斷面的數據采集、統計、分析,獲取有關該斷面的重要信息,這些信息可以反映出該斷面的結構、形狀、大小、尺寸、形狀變化趨勢以及其他相關性質。其中,數據采集的方式為通過閾值處理,對數據的大小進行加權,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構形狀、大小以及其他相關性質。具體包括:加權空隙數量、加權空隙面積、加權空隙等效直徑和分形維數(見表3)。

表3 OGFC混合料細觀空隙特征

2.2 細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的體積法實際測得的空隙率與其等效直徑以及斷面的平均空隙數量之間存在線性回歸,其中X表明了這種聯系,Y表明了這種聯系的程度,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性。根據圖3及其相關的數據,當空隙率上升時,開級配混合料的斷面上的平均空隙數會顯著降低,但是,空隙的尺寸(面積)會不斷擴張,因此其相應的平均等效直徑會有所提升。

2)分形維數。隨著分形維數的增加,試件斷面里的空隙構造變得更加復雜化,這可以從分形維數的變化中得到明顯的體現。如圖4所示為開級配混合料空隙率同分形維數DB之間的相關性關系。可以得知,DB隨著開級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造也變得越復雜。

2.3 細觀空隙特征對混合料的影響

開級配混合料屬于骨架-空隙結構,在荷載作用下易出現車轍和松散病害,影響路面行車安全和發揮降噪、抗滑等功能性,因此有必要進一步分析細觀結構對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系的參數——空隙等效直徑,分析其對開級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,瀝青混合料的結構穩定性下降,因而其動穩定度逐漸減小。而空隙等效直徑越大,說明空隙的級配相對較粗,較粗的級配使得空隙通道更加復雜,當噪聲進入空隙里時,進一步增加聲音發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,因此吸聲系數較好。

2)分形維數的影響。開級配混合料的空隙分形維數與高溫動穩定度、吸聲系數峰值之間的線性關系見圖6。可以看出,隨著試件斷面空隙的分形維數數值增加,混合料的動穩定度呈現逐漸降低趨勢,高溫抗車轍能力降低。而降噪效果增加,表明隨著分形維數增加,混合料中空隙路徑變得復雜化,當聲波進入空隙后,空隙中空氣隨之與空隙壁面摩擦振動,空氣黏滯阻力等聲能轉化為內能耗散,因此吸聲效果越來越好。

3 結論

1)除去構成骨架-空隙型結構的開級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其力學強度和功能特性產生顯著影響,從而導致這些因素變化既造成混合料力學性能的差異,也影響了混合料功能特性的發揮。

2)當開級配瀝青混合料的空隙率不斷提高時,其斷面的平均空隙數會顯著降低,但是其空隙的面積會不斷擴張,其相應的等效直徑和分形維數會相應地提高。

3)隨著空隙等效直徑和分形維數的增大,開級配混合料的結構穩定性下降,其動穩定度呈現逐漸下降的趨勢;而吸聲系數峰值增加,混合料中空隙通道更加復雜,當聲波進入空隙后,空隙壁面與空氣摩擦產生振動,聲能逐漸被轉化為內能耗散,吸聲效果較好。