开级配沥青混合料的细观结构特征与影响因素研究★

李 博，梁 爽，赵振国

(1.江苏中设集团股份有限公司,江苏 无锡 214000; 2.黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

开级配沥青混合料因较大的空隙结构使其铺设的沥青路面具备降噪、排水和抗滑等功能性,并在“海绵城市”中被广泛使用。但在使用过程中,易发生空隙衰变问题,使其丧失基本的路用性能要求[1]。开级配混合料作为包含空隙、集料与沥青砂浆的多相复合材料,其结构性能必然与内部空隙分布、形貌等规律有关。因此,需要从细观结构层面对开级配沥青混合料的空隙结构进行研究。

通常采用计算机断层扫描技术和数字图像处理技术进行开级配沥青混合料细观空隙结构的研究[2]。Masad通过两种方式研究了混合料的空隙分布[3],发现它们随着深度的增加而变化。Jiang进一步使用三维重建技术来研究各种沥青混合料的空隙特点[4],发现随着颗粒尺寸的增加,其对应的空隙直径也会增加。此外,研究还发现,空隙的形态与混合料的飞散损失、动稳定度以及防止堵塞有着密切的联系。通过CT技术[5],蒋玮等探讨了多孔沥青混合料的细微结构,并研究了它们的性质。裴建中等利用数学建模理论[6],研究了多孔沥青混合料空隙的垂直分布情况,并探究了不同材料的组成,如粒径、维数。

综合以上研究成果可知,国内外学者对于沥青混合料细观空隙结构特征的研究已逐步开展,但是很多都集中于细观空隙特征参数的计算,对沥青混合料细观结构特征表征和混合料各项性能的影响关系研究较少。基于此,本文重点研究主要空隙参数同混合料性能之间的相关性关系。

1 材料设计与试验方案

1.1 试验材料

1)沥青。试验采用高黏度的改性沥青,并根据排水沥青路面设计与施工规范[7]对其进行了检验,其技术指标如表1所示。

表1 高黏度改性沥青的主要技术指标

2)集料。采用玄武岩和石灰岩作为原料,其主要技术指标[8]如表2所示。

表2 集料的主要技术指标

1.2 级配设计

为了分析空隙率对OGFC混合料细观空隙特征的影响,通过调整关键筛孔的集料通过率,确定了3条级配(OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ),见图1,目标空隙率分别为17%,20%和23%。

1.3 试验方案

采用马歇尔双面击实50次成型OGFC混合料标准试件(63.5 mm±1.3 mm),利用数字图像处理技术获取纵向高度方向上断面图像的细观空隙特征数据,如图2所示为试件断面图像数据的提取过程。通过试件断面图像分析空隙率对OGFC混合料细观空隙特征的影响规律并进一步结合高温性能、降噪性能测试等室内试验研究细观空隙特征对混合料抵抗车辙能力和降噪功能等的影响。

2 细观空隙特征影响规律

2.1 细观空隙特征的表征

通过对试件断面的数据采集、统计、分析,获取有关该断面的重要信息,这些信息可以反映出该断面的结构、形状、大小、尺寸、形状变化趋势以及其他相关性质。其中,数据采集的方式为通过阈值处理,对数据的大小进行加权,从而获取其中的重要信息,这些信息可以反映出该断面的结构形状、大小以及其他相关性质。具体包括:加权空隙数量、加权空隙面积、加权空隙等效直径和分形维数(见表3)。

表3 OGFC混合料细观空隙特征

2.2 细观空隙特征的影响因素

1)空隙率。从图3可以看出,OGFC-13Ⅰ,OGFC-13Ⅱ,OGFC-13Ⅲ的体积法实际测得的空隙率与其等效直径以及断面的平均空隙数量之间存在线性回归,其中X表明了这种联系,Y表明了这种联系的程度,Z表明了它们之间的等效直径,而R2则表明了它们之间的相关性。根据图3及其相关的数据,当空隙率上升时,开级配混合料的断面上的平均空隙数会显著降低,但是,空隙的尺寸(面积)会不断扩张,因此其相应的平均等效直径会有所提升。

2)分形维数。随着分形维数的增加,试件断面里的空隙构造变得更加复杂化,这可以从分形维数的变化中得到明显的体现。如图4所示为开级配混合料空隙率同分形维数DB之间的相关性关系。可以得知,DB随着开级配混合料空隙率的增大而增大。即随着空隙率的逐渐增大,沥青混合料试件断面图像里的空隙构造也变得越复杂。

2.3 细观空隙特征对混合料的影响

开级配混合料属于骨架-空隙结构,在荷载作用下易出现车辙和松散病害,影响路面行车安全和发挥降噪、抗滑等功能性,因此有必要进一步分析细观结构对其高温性能和功能特性的影响。

1)空隙等效直径的影响。使用表示空隙大小关系的参数——空隙等效直径,分析其对开级配混合料高温性能和降噪性能的影响。由图5可知,随着空隙等效直径增加,沥青混合料的结构稳定性下降,因而其动稳定度逐渐减小。而空隙等效直径越大,说明空隙的级配相对较粗,较粗的级配使得空隙通道更加复杂,当噪声进入空隙里时,进一步增加声音发生多次碰撞的可能性,空隙壁面的摩擦和空气阻力等使声能逐渐被消耗,因此吸声系数较好。

2)分形维数的影响。开级配混合料的空隙分形维数与高温动稳定度、吸声系数峰值之间的线性关系见图6。可以看出,随着试件断面空隙的分形维数数值增加,混合料的动稳定度呈现逐渐降低趋势,高温抗车辙能力降低。而降噪效果增加,表明随着分形维数增加,混合料中空隙路径变得复杂化,当声波进入空隙后,空隙中空气随之与空隙壁面摩擦振动,空气黏滞阻力等声能转化为内能耗散,因此吸声效果越来越好。

3 结论

1)除去构成骨架-空隙型结构的开级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对其力学强度和功能特性产生显著影响,从而导致这些因素变化既造成混合料力学性能的差异,也影响了混合料功能特性的发挥。

2)当开级配沥青混合料的空隙率不断提高时,其断面的平均空隙数会显著降低,但是其空隙的面积会不断扩张,其相应的等效直径和分形维数会相应地提高。

3)随着空隙等效直径和分形维数的增大,开级配混合料的结构稳定性下降,其动稳定度呈现逐渐下降的趋势;而吸声系数峰值增加,混合料中空隙通道更加复杂,当声波进入空隙后,空隙壁面与空气摩擦产生振动,声能逐渐被转化为内能耗散,吸声效果较好。