矿料/沥青体系微细观接触摩擦效应对压实特性的影响

宿金菲，栗培龙，朱 磊，董 超

(长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室, 陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青混合料的压实质量直接影响着沥青路面的使用性能[1]。在压实过程中，沥青混合料由松散状态逐渐过渡到高抗拉强度的黏聚态，颗粒之间的接触点逐渐增多，颗粒之间的空隙逐渐减小。随着压实的完成，温度恢复到常温，沥青混合料形成具有一定强度和承载能力的整体结构。国内外众多学者一直致力于沥青混合料压实特性的研究。F. PÉREZ-JIMÉNEZ等[2]分析了垂直压力、旋转角和压实温度对压实质量的影响；张争奇等[3,4]根据压实曲线提出用密实曲线平均斜率和压实能量指数表征沥青混合料的压实特性；LIU Juanyu等[5]发现温拌Sasobit改性技术可以降低沥青混合料的拌和压实温度，并提高其工作性和高温抗车辙性能；GAO Lei等[6]基于压实曲线，采用控制变量法对冷再生沥青混合料进行了CIR试验；LI Peilong等[7-8]采用铁粉裹覆及内嵌钢钉指针等手段对特征矿料颗粒进行标记，对不同沥青混合料进行分步压实成型试验，并提出颗粒空间迁移指标和滚动指标等概念；JIA Jie等[9]采用振动压实理论的模型探究沥青混合料的变形特性，基于共振原理，建立了夯实/沥青垫层交互的动态模型，以预测铺筑过程沥青混合料的压实度；WANG Xue等[10]开发了一种可实时获取沥青路面内部压实温度的智能压实技术，从而实现对压实质量的实时控制。

压实过程中，集料颗粒发生相对滑移和旋转进而形成稳定的结构，沥青胶结料的存在对颗粒的滑移、摩擦等行为起到了润滑效应。越来越多的学者从宏观试验转入从微细观水平探究颗粒间的接触特性，以揭示沥青混合料的压实机理。M.HASKETT等[11]分析了沥青混合料剪切界面的摩擦作用力以及颗粒之间的嵌锁行为；MIAO Yinghao等[12]采用离散元数值模拟技术分析了沥青混合料的骨架结构，计算了颗粒间的平均接触数和相互作用力；HU Jing等13]采用工业CT 扫描结合数字图像处理技术实现了沥青混合料的三维重建，并探究了压实功与空隙率之间的关系；SHI Liwan等[14]分析了沥青混合料的细观力学响应并计算了混合料内部接触点的数量；LIU Yu[15]采用数值模拟技术构建了沥青混合料的黏弹性力学模型，并探究了AC类沥青混合料内部微观交互作用。

沥青混合料是由沥青、集料和空隙组成的多相颗粒性材料，对沥青混合料在压实过程中的微细观作用行为缺乏深入的认识。笔者采用自主开发的矿料接触试验仪和界面接触滑移试验装置探究颗粒系统和沥青混合料的接触特性，探究颗粒接触特性与压实特性之间的关系，并基于颗粒的接触效应探究不同因素对沥青混合料压实特性的影响。研究成果有利于揭示压实机理，为沥青混合料的级配设计、确定最佳沥青用量以及压实温度提供理论基础。

1 原材料

试验研究中选取陕西某地石灰岩作为试验原材料，集料的相对密度如表1。参照JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关要求对壳牌90# 沥青进行测试，试验结果如表2。拌制AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和OGFC-13 共5种沥青混合料所用矿料级配如表3。

表1 集料的相对密度Table 1 Relative density of aggregates

表2 沥青的技术性质Table 2 Technical properties of asphalt

表3 混合料级配Table 3 Aggregate gradations

2 试验方法

2.1 接触滑移试验

为了研究矿质集料颗粒间的接触特性，笔者采用了自主研发的“矿质集料接触滑移试验仪”，如图1。该试验仪主要由3个可滑动试验腔体嵌套形成复合结构，矿质集料分别填充于3个腔体中，形成两个宏观的滑动面。颗粒系统在滑移过程中不断地进行重组、调整，在试验行程内会出现一个最佳稳定状态。颗粒接触效应强烈，导致需要施加更大的拉力来破坏这种稳定状态，从而产生了最大滑移作用力。试验时，采用“等量分装”的方法将集料装入试验仪以降低级配颗粒混合料的离析现象，并采用MTS万能试验机以标准试验速率10 mm/min、试验行程80 mm对试验仪进行加载，然后对施加的拉力进行采样，获得接触滑移曲线，如图2。采用最大滑移作用力Fm评价颗粒系统的接触特性，计算方法如式(1):

Fm=max(Fi)

(1)

式中：Fi为各采样点的作用力大小。

图1 矿质集料接触滑移试验仪Fig. 1 Mineral aggregate contact slip tester

图2 典型接触曲线Fig. 2 Typical contact curve

笔者采用自主开发的“界面接触滑移试验装置”探究沥青混合料的颗粒接触特性，如图3。其原理是通过控制加载压头直径与支撑环内径的大小使沥青混合料试件在MTS的作用下沿着一定斜面发生剪切破坏。加载压头和支撑环内径的尺寸分别为28.5、80 mm。试验温度为60 ℃，试验速率为5 mm/min。采用最大滑移剪应力τsl评价接触滑移面上沥青混合料克服剪切滑移破坏的能力，如式(2)：

(1)

式中：Fm为最大荷载；S为锥形界面剪切面面积。

图3 界面接触滑移试验装置Fig. 3 Interface contact slip tester

2.2 旋转压实试验

旋转压实仪通过对试件施加竖向压力实现试件体积上的密实，而且通过控制旋转角使沥青混合料受到剪切作用，能较好地模拟实际路面摊铺后进行压实的密实过程[16-17]。旋转压实仪的旋转角为1.15°，垂直压力为600 kPa，旋转速率为30 r/min。根据沥青的黏温曲线确定沥青混合料的最佳拌和与压实温度。试验结束后，将压实次数以及对应的压实高度导入计算机中进行数据处理，获取不同压实次数下的密实度，比如式(2)：

(2)

式中：hdes和γdes分别为达到压实次数时的试件高度和密实度；hx和γx分别为某一压实次数下的试件高度和密实度比。

以压实次数为横坐标，密实度比为纵坐标绘制压实曲线，如图4。

图4 旋转压实密实曲线Fig. 4 Gyratory compactor densification curves

为研究沥青混合料旋转压实过程中的压实特性，根据现有研究成果[3,18]，提出密实曲线平均斜率K1、K2、密实能量指数CEI共3个指标来表征沥青混合料的在压实阶段所具有的压实特性。K1评价混合料从初始状态压实至4%空隙率过程中颗粒的嵌挤效应；K1越大混合料的可压实性越好。K2评价混合料从空隙率4%压实到2%的难易程度；K2越小，混合料压实成型后接触效应越好，抗剪变形能力越好，路面抗车辙能力越强。CEI将混合料从初始状态压实至目标压实度(96%)所需的能量；CEI值越大说明沥青混合料越难以压实，所需压实功越多。3个指标的计算方式如式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

3 结果与讨论

3.1 矿料接触摩擦效应对压实特性的影响

选择AC-13、SMA-13和OFGC-13共3种颗粒系统进行矿料接触试验，然后分别采用橡胶粉改性沥青、SBS改性沥青和高黏度改性沥青拌制沥青混合料，通过旋转压实仪成型试件。试验结果如图5。

图5 不同级配类型的参数对比Fig. 5 Comparison of parameters of different grading types

由图5可知，SMA-13的K1最大、CEI最小，而OGFC-13的K1最小、CEI最大。这说明SMA-13的可压实性最好，在压实过程中达到目标压实度所需的能量最少。AC-13颗粒间的Fm小于SMA-13，但SMA-13的可压实性却比AC-13好。其原因在于Fm表征的是颗粒系统内部颗粒间的接触特性，AC-13和SMA-13的Fm相差不大，但SMA-13颗粒系统中粗集料的数量比AC-13多，沥青对粗集料的润滑效应更强，因此松散态AC-13沥青混合料的接触强度大于SMA-13。OGFC-13颗粒系统的Fm显著大于AC-13和SMA-13，在加入沥青后，颗粒间的接触、滑移效应依然非常显著。因此OGFC-13的工作性最差，SMA-13的工作性最好。

由图5可知，对于K2来说，OGFC-13

采用AC-13、AC-16和 AC-20探究公称最大粒径(NMAS)对沥青混合料压实特性的影响。压实指标和颗粒接触指标随公称最大粒径的变化如图6。

图6 不同公称最大粒径沥青混合料的参数对比Fig. 6 Comparison of parameters of asphalt mixture withdifferent nominal maximum particle sizes

由图6可知，K1随公称最大粒径的增大而减小，CEI随公称最大粒径的增大而增大。这说明公称最大粒径越大，沥青混合料的工作性越差。公称最大粒径决定了颗粒系统中粗集料粒径的大小，并且决定了粗细集料的比例和骨架结构稳定性。对于颗粒系统来说，公称最大粒径越大，相对应的颗粒系统中粗集料的数量越多，细集料的数量越少。细集料对粗集料的接触起润滑作用，不利于颗粒系统形成稳定的骨架结构，而且较多的粗集料会导致滑动面上粗颗粒发生接触、摩擦、滑移的概率增大。因此AC-20颗粒系统的接触作用大于AC-13和AC-16。

AC类沥青混合料压实后属于密实悬浮结构。虽然其粗集料少而细集料多使得粗集料悬浮于沥青胶浆中，然而公称最大粒径越大，粗集料间的接触距离越短且接触概率越大，因此压实成型后AC-20沥青混合料中颗粒的接触效应依然最强烈。虽然沥青对粗集料的润滑效应更显著，但AC-20沥青混合料中粗集料的数量仅相对AC-13和AC-16较多，并未达到OGFC-13中粗集料的水平，因此由润滑效应导致的接触强度差异不大。所以AC-20沥青混合料的抗滑移变形能力最强。由图6可知，AC-20沥青混合料对应的K2最大。K2代表开放交通后沥青路面的密实特性，K2越大，抵抗车辙能力越差。这说明对于评价压实成型后沥青路面的压实特性，τsl比K2更准确、有效。

3.2 沥青的黏结润滑效应对压实特性的影响

沥青结合料具有强烈的感温性，在不同的条件下在矿料界面具有黏结/润滑双重效应。在沥青混合料的拌和、摊铺和压实过程中，矿料/沥青体系在沥青的黏结润滑作用下需要克服集料颗粒的接触、摩擦效应，通过颗粒的迁移实现结构自组织，从而达到稳定状态。为了探究沥青的黏结润滑效应对沥青混合料压实特性的影响，在不同沥青用量、不同压实温度下展开试验研究。不同沥青用量下，压实特性指标K1、K2和CEI与接触指标τsl的相关性如图7。

图7 接触摩擦效应与压实特性的比较Fig. 7 Comparison between contact friction effect andcompaction characteristics

由图7可知，τsl与K2的相关性最好，相关系数为0.962 74；τsl与CEI的相关性最差，相关系数为0.776 90。这说明可以通过自行开发的接触滑移装置测得的τsl预测开放交通后沥青混合料的压实特性。压实特性和接触参数随沥青用量的变化如图8。

图8 不同沥青用量的参数对比Fig. 8 Parameter comparison of different asphalt dosage

由图8可知，K1随沥青用量的增大而增大，CEI随沥青用量的增大而减小。这说明沥青用量越大，沥青混合料的可压实性越好，所需要的压实能量越少。在140 ℃的压实温度下，沥青体系中润滑基团的比例大于黏结基团，松散态AC-13沥青混合料的最佳沥青用量小于4.3%。随着沥青用量的增大，颗粒系统中颗粒间自由沥青的厚度逐渐增加，这对颗粒间的接触起润滑作用，而且会增大颗粒之间的接触距离，极大地影响沥青混合料的接触作用。因此K1和CEI不仅随沥青用量的增加分别呈上升和下降趋势，而且变化程度较大。

由图8可知，K2随沥青用量的增大而增大，τsl虽呈下降趋势，但在成型态最佳沥青用量为4.3%处达到最大。当沥青用量小于4.3%时，裹覆在颗粒表面的沥青膜厚度小于沥青与集料交互作用形成的最大黏结力对应的膜厚；当沥青用量超过4.3% 时，除了裹敷在矿料颗粒表面的结构沥青之外，自由沥青逐渐形成且填充在矿料颗粒体系所形成的骨架结构中。因此沥青混合料的抗滑移变形能力在4.3% 时最大，这也与对沥青混合料的宏观抗剪能力的认知相符。在探究不同的沥青用量对沥青混合料压实特性的影响时，K2有一定的局限性，不能完全用于评价开放交通后沥青路面的抗滑移变形能力。

不同压实温度下的压实参数和接触指标如图9。

图9 不同压实温度的参数对比Fig. 9 Parameter comparison of different compaction temperatures

由图9可知，随着温度的升高，K1和K2逐渐增大，CEI逐渐降低。温度越高，沥青的流动性越好，对颗粒系统的润滑效应越显著。因此压实混合料需要克服的阻力逐渐减小，工作性变好且所需的压实能量减小。τsl随温度的升高呈现先增大后减小的趋势。沥青混合料的力学强度主要取决于颗粒之间的接触、摩擦作用以及沥青与集料之间的黏结力。压实温度越高，沥青混合料被压得越密实。但当温度超过最佳压实温度时，在压实功的作用下，沥青会被挤出而形成自有沥青，从而导致空隙率下降，沥青混合料的抗剪切滑移能力降低。由图9可知，表征开放交通后沥青混合料抗剪能力的K2随压实温度的升高而增大，这也进一步验证了K2虽然可以有效评价颗粒系统对压实特性的影响，但对于沥青的影响则存在局限性。经过笔者的研究，可采用来τsl评价开放交通后沥青混合料的压实特性。

4 结 论

笔者采用由旋转压实仪计算得到的密实曲线平均斜率K1、K2和压实能量指数标CEI表征沥青混合料的压实特性。通过自主研发的矿料接触试验仪和界面剪切滑移试验装置评价颗粒系统和沥青混合料内部颗粒的接触特性。基于颗粒接触特性从微细观水平探究了颗粒和沥青对压实特性的影响。

OGFC-13颗粒系统中含有较多的粗集料，压实颗粒间的接触作用比较强烈，其工作性比SMA-13和AC-13差，开放交通后抗滑移变性能力最好，但高温稳定性不如SMA-13。公称最大粒径越大，粗集料接触的概率越大，从而容易形成稳定的骨架结构。与AC-13和AC-16相比，AC-20的可压实性最差但结构稳定性最好。

沥青用量增加会增大颗粒间的接触距离，温度升高会导致沥青体系内润滑基团的比例上升，从而导致沥青混合料工作性变好且所需的压实能量减小。K2在评价沥青对压实特性的影响上有一定的局限性，压实特性指标与最大滑移剪应力的相关性较好，可采用最大滑移剪应力来表征开放交通后沥青混合料的压实特性。