（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料集料几何特性与结构研究.pdf

摘要 集料几何特性与结构对沥青混合料的性能有着重要的作用，集料的几何特性及其在 混合料中的结构形态，骨架性能和填充性能直接影响沥青混合料性能和质量，我国高速 公路沥青路面使用的各种规格碎石大多源于不同碎石场，集料质量参差不齐；而且建设 管理人员对集料几何特性重视程度不够，使得新建沥青路面出现早期破坏现象。如何控 制集料的几何特性成为迫切需要解决的问题。因此，深入研究集料几何特性与结构对沥 青混合料性能影响有着重要的意义。 粗型密级配沥青混合料( c 型) 和骨架型沥青混合料( s m a ) 对针片状含量敏感程度 远大于细型密级配沥青混合料( f 型) ；对密级配沥青混合料( 包括粗型和细型) ，针片 状含量不宜超过1 3 ；对骨架型沥青混合料( s m a ) ，针片状含量不宜超过1 0 。细集料 未压实空隙率f a a 与沥青混合料性能的相关性较好，可作为评价沥青混合料细集料棱角 性指标；细集料未压实空隙率f a a 不宜小于4 5 ；对于未压实空隙率f a a 小于4 0 的天 然砂，工程中不宜使用；对于未压实空隙率f a a 大于4 5 的天然砂，砂用量不宜超过1 0 。 集料的结构组成对沥青混合料的性能影响非常显著。粗集料的骨架支撑作用对沥青 混合料的高温性能起着决定性作用，论文首次提出动稳定指数( d y n a m i cs t a b i l i t yi n d e x ， 简称d s i ) 评价沥青混合料骨架性能。相关性、回归分析得出：对沥青混合料骨架性 能最敏感、影响幅度最大的是4 7 5 q 5 m m 颗粒，其余依次排序为1 6 1 9 姗、 1 3 2 1 6 姗；9 5 1 3 2 m m 敏感性不强；依据动稳定指数( d s i ) 的不同，划分了沥青 混合料级配骨架性能的强、中、弱区。 细集料填充性能显著影响沥青混合料的耐久性。论文首次提出细集料填充敏感性评 价指标：单位筛余量的空隙率变化率r r v 。r r v 值不仅能很好的表征细集料的填充敏感 性能，还能很好的表征干涉敏感性能。沥青混合料干涉敏感筛孔为：1 1 8 m m ，0 6 m m 筛 孔，填充敏感筛孔为：0 3 m m 筛孔；细集料填充敏感筛孔与沥青混合料路用性能有很好 的相关性。 关键词：沥青混合料，集料，几何特性，结构，针片状，未压实空隙率f a a ，骨架，填充， 敏感性，动稳定指数d s i ，单位筛余量的空隙率变化率r r v a b s t r a c t g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c sp l a yai m p o r t a n tr o l et op e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ，t h e s h a p eo fa g g r e g a t ea n di t sc o n f i g u r a t i o ni na s p h a l tm i x t u r es u c ha ss k e l e t o np e r f o r m a n c ea n d f i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa l lh a v es t r o n gi m p a c tt op e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e f o rt h er e a s o n o ft h ea g g r e g a t ew h i c hw a su s e di na s p h a l tp a v e m e n to fh i g h w a yi sg a t h e r e df r o md i f f e r e n t f i e l d ，t h eq u a l i t yo fa g g r e g a t ei sr o p yw h o l l y a n df o rt h eo t h e rr e a s o nw h i c ht h em a n a g e ri s l a c ko fa t t e n t i o nt og e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fa g g r e g a t e ，s o m en e w p a v e m e n tw e r ed a m a g e d i ne a r l yt i m e s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fa g g r e g a t ef o r a s p h a l tm i x t u r e t h ec o a r s ea s p h a l tm i x t u r ea n ds m ah a v em o r es e n s i t i v i t yt h a nf i n ea s p h a l tm i x t u r e ；t h e c o n t e n to ff l a ta n de l o n g a t e dp a r t i c l e ss h o u l db el e s st h a n1 3 ；f o rs m a ，i ts h o u l db el e s s t h a n1 0 t h ef a ao ff i n ea g g r e g a t eh a ss t r o n gr e l a t i v i t yw i t hp e r f o r m a n c eo fa s p h a l t m i x t u r ea n di tc a l lb eu s e di ne v a l u a t ea n g u l a r i t yo ff i n ea g g r e g a t e t h ef a ao ff i n ea g g r e g a t e s h o u l db el e s st h a n4 5 ；w es h o u l dn o tu s en a t u r a ls a n dw h i c hi t sf a al e s st h a n4 0 ，w e s h o u l du s es a n dl e s st h a n1 0 w h i c hi t sf a al e s st h a n4 5 t h es t r u c t u r eo fa g g r e g a t ep l a yai m p o r t a n tr o l et op e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e s u s t e n s a t i o no fs k e l e t o nh a ss t r o n gi m p a c tt oh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t m i x t u r e t h es t u d yt a k e sd s it oe v a l u a t e s k e l e t o np e r f o r m a n c ea s p h a l tm i x t u r ef i r s t l y a c c o r d i n gt o r e l a t i v ea n dr e g r e s s i v ea n a l y s i s ，t h em o s ts e n s i t i v ef a c t o ri s4 7 5 9 5 m m a g g r e g a t e ，t h eo t h e ri s1 6 - - 1 9 r a m 、1 3 2 一1 6 m ma g g r e g a t e ，t h e9 5 1 3 2 m ma g g r e g a t ei s t h em o s ti ns e n s i t i v ef a c t o r a c c o r d i n gt od i f f e r e n td s i ，w ep a r t i t i o nt h es t r o n g 、o r d i n a r y 、 f e e b l ea r e ao fa s p h a l tm i x t u r e t h ef i l l i n gp e r f o r m a n c ep l a yai m p o r t a n tr o l et ol a s t i n g - p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e t h es t u d yt a k e sf i l l i n gs e n s i t i v ei n d e xo ff i n ea g g r e g a t er r v f i r s t l y t h er r v n o to n l yr e f l e c t f i l l i n g s e n s i t i v ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s or e f l e c t i n t e r v e n i n g s e n s i t i v e p e r f o r m a n c e t h e i n t e r v e n i n gs e n s i t i v es i z ei s ：1 1 8 m m 、0 6 r a m ，t h ef i l l i n gs e n s i t i v es i z ei s ：0 3 m m ；t h ef i l l i n g s e n s i t i v es i z eo ff i n ea g g r e g a t eh a ss t r o n gr e l a t i v i t yw i t hp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e k e yw o r d ：a s p h a l tm i x t u r e ，a g g r e g a t e ，g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r e ，f l a ta n de l o n g a t e d p a r t i c l e s ，f 从，s k e l e t o n ，f i l l i n g ，s e n s i t i v i t y , d s i ，r r v 论文独创性声明 人声明：人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 声明的法律责任由人承担。 论文作者签名：彭放 矽彦年月夕日 论文知识产权权属声明 人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。 人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彩篪 导师签名： 裁纺貉 翮年占只e l og 年占只l 口e l 长安大学博上学位论文 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 按照沥青混合料的功能要求来设计沥青混合料结构，是近十年来世界各国研究的主 要方向。尽管投入了巨大的研究费用，广泛研究沥青混合料的组成设计理论、方法及应 用技术n h 射，但到目前为止，工程技术人员仍然需要根据经验来确定沥青混合料的结构 组成，并采用一些缺乏足够力学依据和实际验证的方法来评价沥青混合料的路用性能。 而对于如何很好的控制沥青混合料的结构组成，尤其是控制对沥青混合料影响比较大的 集料，使设计的各档集料、沥青和矿粉能形成良好的结构，满足各项路用性能的要求， 现有的理论与方法尚不完善阳1 。 沥青混合料的结构从本质上而言是一种平衡设计，在各种路用性能之间找到一个最 佳的切入点，即要满足各方面的基本要求，又要突出特定结构层、特定环境、特定目的 下必须突出的性能。这种权衡是必要的，因为沥青路面各项路用性能的需求往往是互相 矛盾或者相互制约的，照顾了某一种性能，很可能就削弱了另一方面的性能。 沥青混合料结构的平衡设计就是寻找各种路用性能之问的平衡点进行优化组合的过 程，也是确定沥青混合料材料组成的过程，主要包括两部分：一是集料组成设计，一是 沥青用量设计；当沥青用量确定以后，混合料的性能就取决于集料的组成。实践证明， 集料结构对沥青混合料的性能有着重要的作用，因此早在1 0 0 年前，在美国就有一些学 者开始研究集料的组成问题。在此期间也产生了一些级配理论和级配设计方法，但是都 存在种种缺点嘲。 我国多数高速公路沥青路面使用的各种规格碎石大多是从不同的碎石场采购，这些 小碎石场生产出的集料质量差。建设管理人员对集料认识上也存在错误的倾向，即对集 料的资源特性( 集料的原生性质) ：如集料岩性、压碎值、磨耗值、磨光值、密度、吸 水率等要求很严；但对几何特性：集料的粒形、破碎砾石的破碎面比例、棱角性、含泥 量、粗糙度、集料在混合料中的存在状态等指标并不重视砷1 。因此，采用质量不高的集 料成为新建沥青路面出现早期破坏现象的主要原因之一。如何控制集料的几何特性成了 迫切需要解决的问题。 集料的粒形，主要指集料的空间几何形状、棱角性等指标。粒形不同，对沥青混合 料性能产生的影响是否显著，是目前研究尚未深入涉及的一个领域。 粗集料粒形，主要指粗集料的针片状含量，针片状含量含量过大，易引起沥青混合 第一章绪论 料级配退化及性能衰减。细集料粒形，主要指细集料的棱角性，包括机制砂、石屑和天 然砂。通常情况下，天然砂的棱角性差于机制砂和石屑，控制棱角性不好的细集料含量 是提高沥青混合料性能的一种重要手段。 集料的结构组成对沥青混合料的性能影响非常显著n 引。粗集料的骨架支撑作用对沥 青混合料的高温性能起着决定性作用，有关骨架和填充问题，探讨如何在有限空间达到 颗粒的密排，从伽利略时代就开始了，牛顿当年也试图解决用圆型颗粒最大程度填充某 个空间的问题，但是没有结果。多年来，虽然出现了一批理论和模型解决这个问题，但 始终都存在着不同的问题n 。对于集料而言，到底什么样的状态才算形成骨架，什么样 的状态才算稳定骨架还很值得研究。目前骨架状态的评估基本上还仅仅限于定性的分 析，判别骨架的形成是一个急待解决的问题。 沥青混合料的耐久性是一个非常复杂的课题。从骨架和填充的角度看，粗集料的骨 架，细集料的填充对耐久性的影响是明显的，其中，细集料的填充性影响更是显著n 2 1 。 但不同粒径细集料在填充行为中作用如何，其用量变化对沥青混合料空隙率影响是否敏 感，敏感程度如何，这些对细集料的填充性都是非常关键的问题，但却是目前研究尚未 涉及的一个灰色领域。 综上所述，开展集料几何特性及结构对沥青混合料性能影响研究，分析集料粒形对 沥青混合料性能影响，深入研究集料骨架的形成规律，研究骨架形成条件下集料的填充 特性，对现有沥青混合料结构组成设计指导思想进行必要的改进，使混合料具备稳定的 路用性能，从而使沥青混合料高、低温性能，抗水损害等性能得到兼顾，避免早期损坏 的发生变得尤为重要。因此，探索一种沥青混合料中集料作用状态的评价方法，最终设 计出施工可行、成本可控、基于功能要求的沥青混合料，满足人们对高速公路的性能和 寿命的双重要求变得尤为迫切。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 集料的表面纹理和破碎砾石的破碎面比例对混合料性质有较大的影响。h e r r i n 和 g o e t z n 3 3 使用三轴压力试验方法研究了集料形状对h m a 的影响，他们认为随着破碎集料 含量的增加，沥青混合料的抗拉强度也随着增大，但对密级配混合料的影响很小。 f i e l d n 羽研究了粗集料破碎颗粒含量对h m a 的影响，他指出，当破碎集料含量从0 增加到4 5 的过程中，h m a 的马歇尔稳定度变化很小。当破碎集料含量继续增加至1 0 0 2 长安大学博士学位论文 的过程中，稳定度会有明显的增大。含1 0 0 破碎集料的h m a 的稳定度比含3 5 破碎集料 的h m a 的稳定度增大5 5 。当混合料中破碎集料含量变化时，w 和v m a 变化很小。 g a u d e t t e 和w e l k e u 3 1 研究了粗集料破碎面对e d a 的影响。研究表明，当破碎集料含 量从0 增加到5 0 时，无论破碎面个数多与少，h m a 的马歇尔稳定度都会增加1 7 左右。 m s h a n eb u c h a n a n n 剞、w i1 1i a mr v a v r i k n 朝等人研究了针片状颗粒对沥青混合 料性能的影响，研究结果表明，随着针片状含量增大，混合料空隙率和集料破碎率增大。 ： 细集料的表面纹理和棱角性对沥青混合料性能有较大的影响。当细集料表面粗糙、 棱角性好时，经过压实后，颗粒之间能形成良好的齿合嵌锁，有利于增强混合料的稳定 性。当细集料的表面光滑、棱角性差时，颗粒之间的嵌挤能力差，在荷载作用下极易滑 移，使路面出现变形，导致混合料的抗剪性能和高温稳定性减小。 s h k l a r s k y 和l i v n e hu 鄙研究了天然砂和机制砂对沥青混合料性能的影响。研究表 明，机制砂代替天然砂可以明显提高沥青混合料的路用性能，增大其稳定性，提高其抗 车辙能力和水稳性，降低其对沥青的敏感性。m o o r e 和w e l k en 町在保持粗集料、沥青含 量、矿粉不变的条件下，选用1 1 0 种砂进行了沥青混合料性能测试。结果表明，细集料 的棱角性和混合料的级配对提高马歇尔稳定度非常关键，细集料的棱角性越好，其稳定 度越高，混合料的级配越接近最大密度曲线。 在美国对于传统的连续级配沥青混凝土，天然砂的含量限制不超过2 0 。德国的s 淞 采用天然砂与人工砂各5 0 。瑞士规定在多孔隙沥青混凝土中全部采用破碎砂n 引。 j o e w b u t t o n n 8 1 等人试验表明，在沥青混合料的空隙率相同时，混合料中天然砂含量愈 多，沥青混合料的抗永久变形能力愈小。 a n t h o n yd s t a k s t o n n 钉等研究了细集料棱角性( f a a ) 对混合料压实和抗剪能力的 影响，结果发现，f a a 对施工阶段和路面服务初期的混合料压实影响较大，对交通营运 期内混合料的长期压实影响较小。 c - a g 魏矛斯( w e g m o u t h ) 协1 提出的粒子干涉理论认为：为达到最大密度，前一级颗 粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余的空隙又由再次一级的颗粒所填充，以此类 推。但填隙的颗粒不得大于其间隙距离，否则大小颗粒之间势必发生干涉现象。 粒子干涉理论同样是以追求最大密度为目的，而且采用与最大密度曲线理论相同的 假设。但是他提出的逐级填充理论，理论上会使骨架更密实，同时考虑了颗粒间干涉影 响，使生成的混合料更加稳定。粒子干涉理论又一优点是既可用于计算连续级配又可用 于计算间断级配。所以粒子干涉理论的逐级填充和考虑干涉对于混合料稳定骨架的形成 的研究是具有重要参考意义的，但是目标函数不应片面追求最大密度的实现。 3 第一章绪论 s u p e r p a v e 级配组成设计方法在国外被认为是实现多级嵌挤的骨架密实型沥青混 凝土的一种设计方法。s u p e r p a v e 的集料组成是在集料的特性和质量符合其规范要求的 前提下，总结了前人的理论和经验，以控制点和禁区妲的形式得出的。其中有继承、有 发展、有创新。s u p e r p a v e 的集料组成设计重视集料的特性和质量是非常重要的，他对 骨架的形成有着先天的影响。控制点是对粗集料组成进行一定的范围控制，这个理念也 是很重要的，虽然这个指标不够量化，但是它给出了粗料部分不离析不推挤，骨架相对 稳定的一个范围，是具有很大参考意义的。禁区主要针对的是细集料部分，保证填充的 稳定性。但现在研究认为，级配限制区理念是有意义的，但指标不够量化。 同时，国外比较成功的研究当属r b a i l e y 提出的贝雷法n 纠。贝雷法设计的核心是设 计密度的选择，然后根据设计密度进行级配设计，最后用贝雷法三参数c a 比、随、 f a ，进行检验，不合格重新选择设计密度再次设计。所以贝雷法的一大贡献就是用设计 密度来引导整个设计，控制集料结构的实现。因为据w i l l i a mrv a v r i k 研究，设计 密度同能否形成骨架之间有很好的相关性。但c a 比、f a 。、f a ，等指标判定范围过宽， 不够严谨。 1 2 2 国内研究现状 同济大学的韩海峰和吕伟民乜3 通过大量试验研究了细集料棱角性对沥青混合料体 积性质和水稳定性影响，研究结果表明，细集料棱角性( f 从：f i n ea g g r e g a t e a n g u l a r i t y ) 对沥青混合料的体积指标、水敏感性有一定影响，但影响的程度并未表现 出显著的线性规律。他们认为，f a a 值不适合单独作为评价细集料品质的技术指标。 台湾成功大学土木系的陈建旭瞳钉等人研究表明，集料的形状对沥青混合料抗车辙能 力有明显的影响。扁平率( 颗粒短轴中轴) 较低的集料( 如圆盘状、叶片状颗粒) ，经 轮迹试验后，其级配改变较大。集料颗粒的扁平率与细长比( 颗粒的中轴长轴) 相比， 扁平率对沥青混合料抗车辙性能的影响更显著。路面材料应避免使用扁平率过低的集 料，以免铺筑时发生集料破碎现象。 沙庆林院士提出了s a c 矿料级配设计方法乜射，其设计原则是用粗集料形成骨架，用 细集料和沥青填充骨架中的孔隙，使设计的沥青混凝土既密实、空隙率小，使水不容易透 入，又具有较高的高温抗永久形变能力。在此基础上，沙院士提出了骨架密实结构的两个 检验方法：v c a d r c 法和v c a a c 法。从思想上看，这两个方法是一致的，目标函数都是 使基本方程两边的差异尽量小，区别在于一个是干捣状态下的检验，一个是马歇尔试验 下的检验；实质上，两种方法都只能确定密实状态，对是否形成骨架结构判断并不准确。 4 长安大学博士学位论文 张肖宁教授等提出了c a v f ( 粗集料孔隙填充法) 哺1 。该法用大于4 7 5 m m 的粗集料 的紧装密度和表观密度( 或称视密度) 计算粗集料的孔隙率，在此孔隙率中保留少量混合 料所要求的孔隙，其余的孔隙都被细集料、填料和沥青的体积填充。但他没有明确用什么 方法确定紧装密度；此外，c a v f 法只能用来检验原材料矿料级配是否符合骨架密实结 构和据此确定粗集料、细集料和填料各自占的质量百分比，没有提供粗集料和细集料各自 应有的矿料级配组成。 东南大学交通学院的赵永利和黄晓明教授田3 为了深入研究集料混合后的骨架作用 和填充作用，分别进行了从1 9 m m 到2 3 6 m m 不同粒径集料的压碎试验，并用标准筛对压 碎后的集料颗粒分别进行筛分，结果表明：( 1 ) 随着荷载的增加破碎后的颗粒重新填充 原有的骨架结构，混合料结构的承载力逐渐提高，当荷载增加到4 0 0 k n 时破碎后的颗粒 所组成的混合料也具有了最大的承载力。筛分结果显示破碎后4 7 5 m m 的颗粒含量最大， 是骨架的主要受力部分，而原始粒径是4 7 5 m m 和2 3 6 m m 颗粒在压碎后的级配中没有出 现峰值，说明小于4 7 5 m m 的颗粒只能起到填充作用。由此可以断定4 7 5 m m 应是构成骨 架的主要部分，也应是粗细集料的划分标准。( 2 ) 逐级填充试验得到的矿料最大密实状 态曲线表明：随着在混合料中添加颗粒粒径的减小，混合料的孔隙率逐渐减小，且整条 曲线明显的出现了两个拐点，第一个拐点在4 ? 5 m m 处，第二个拐点在0 3 m m 处，其将 整条曲线分成三个部分，这三个部分的斜率明显不同，表明不同粒径范围的颗粒降低孔 隙率的效率不同：小于0 3 m m 的颗粒具有最高的填充效率，大于4 7 5 m m 的颗粒的填充 效率最低，0 3 - - 2 3 6 m m 的颗粒同样具有较高的填充效率。这进一步表明大于4 7 5 m m 的颗粒主要构成骨架结构，而小于4 7 5 m m 的颗粒主要起到填充孔隙的作用。 在此研究基础上，他们提出了基于多点支撑骨架状态的沥青混合料体积设计模型， 并建立起以沥青混合料体积参数为核心设计参数的混合料设计方法。 长安大学刘中林、郝培文、戴经梁在研究大碎石沥青混合料( l s a m ) 组成结构时， 提出了骨架接触度s s c 和骨架稳定度s ，这些都是骨架评定定量化的有益尝试。卢永贵 博士在研究s m a 骨架形成标准时认为，采用变化细集料比例制作马歇尔试件，以体积法 测量的毛体积密度指标换算v c a i l i i x ，通过寻找v c a l l i x 增长率突变点所对应的细集料含 量范围，作为判断s m a 骨架是否形成的标准，可以更准确地优选出合理的级配。 同济大学的许志鸿教授啪圳提出：越细的集料筛余对混合料的间接抗拉强度影响越 大，沥青混合料的空隙率受细集料的影响明显大于中档的集料，细集料多的混合料空隙 率小，提高了间接抗拉强度，且较细集料对沥青的硬化作用也促使沥青混合料的间接抗 拉强度增加。充分证明了细集料对沥青混合料空隙率的贡献，即混合料的填充性能。 s 第一章绪论 许志鸿、马卫民1 提出混合料的空隙率与细料含量有着密切的关系，粗料含量要比 细料含量敏感性差。粗料区、中料区和细料区含量对空隙率的影响以细料区最为明显， 矿粉对空隙率的影响十分明显。但是也没有提出一个具体的指标来评价其影响性，还需 要用经验来不断的调整级配。 美国公路战略研究计划( s h r p ) 口订吨3 5 3 及我国公路沥青路面施工技术规范中强 调细集料棱角性对沥青混合料的施工质量使用性能起着重要作用。且试验研究结果证 明：细集料的棱角性是评定天然砂、人工砂、石屑等细集料颗粒对沥青混合料的内摩擦 角和抗流动变形能力影响的重要指标，对沥青混合料的体积指标、水敏感性、v m a 以 及抗剪阻力均有重要的影响。但由于一直以来沥青混合料对细集料的要求被忽略，因此 对于细集料的研究还是一个起步阶段。 集料几何特性反映集料空间几何形状对沥青混合料性能的影响，而粗集料骨架和细 集料填充则反映集料结构组成对沥青混合料性能的影响，这两者是密不可分的。 综上所述，我国对于沥青混合料的研究还处于经验阶段，对集料，特别是粗、细集 料的几何特性及集料结构组成对沥青混合料性能影响性的研究更是处于起步阶段，缺乏 全面、系统的研究。几十年来，我们在吸收国外经验的同时，自己也在不懈的探索，虽 然有了一定的成果，但我们还有很长的一段路要走。希望通过论文的研究，对集料几何 特性和结构给予足够重视，得到良好的沥青混合料设计及评价方法，这也是论文研究的 最终目标。 1 3 主要研究内容 论文在充分吸收国内外研究成果的基础上，结合国内实际情况开展沥青混合料集料 几何特性与结构研究。研究的主要内容有： 1 、集料粒形对沥青混合料性能影响研究： 2 、集料粒形评价方法研究； 3 、粗集料骨架判别评价方法研究； 4 、粗集料骨架性能研究。 5 、细集料填充性能研究。 6 长安大学博：l 二学位论文 第二章集料几何特性及结构对沥青混合料性能影响 集料几何特性主要指粒形、粒径、粗糙度以及表面纹理等。集料颗粒为不规则形状， 是沥青混合料中人们熟知的内容，却也是历来研究极不充分的内容。集料在沥青混合料 中作用，包括集料粒形影响、粗集料骨架作用及细集料填充作用三大主要方面。 2 1集料粒形 集料粒形主要包括以下几个方面： 2 1 1 圆度 圆度嘲( 或其反面棱角度) 是指集料颗粒的棱边及各隅角的相对尖锐程度。按照 h w a d d e l l 的定义，圆度为颗粒各隅角及棱边平均曲率半径对于颗粒最大内接圆半径的 比值，如图2 1 1 ( 石料在长轴及中间轴平面上投影) ，圆度r 。计算公式见式2 1 1 ： r 。= ( e r 。r ) n ( 2 1 1 ) 式中：r ；石料任意突出部分的半径； r 石料最大内接圆的半径； n 突出部分数目。 图2 1 1 圆度定义 从理论上讲，根据w a d d e l l 方法，制出圆度图，如图2 1 2 ，测定时将石料图像和 图比较，就可迅速确定圆度。但实际上，实测计算圆度比较麻烦，而且存在测试人员对 图形认识的偏差。因此，园度测定尚未广泛应用。 7 辩= i * h n 特性m “i m 台性能弗响 滋 臣= 03 圈 赶= 06 哩目= 0 t 圆= o 8 国谚磅 移镑留 留函够 鬻 目= 09 目辐 圈212 骨科颗粒圆度图 212 球度 球度。”由颗粒表面积对其体积的比例来度量，也可以由其三个主轴或其外接矩形棱 柱体丰轴的相对比例度最，或用颗粒0 t 降速度、或颗粒体积对外接球体体积的比例度量。 实用上有几种近似方法，或用主轴的比例或其综合关系，从数值上衷征球度。 lw a d d e l l 提出的球度掣计算公式见式2l2 ： s 9 i 式中s 为集料表面积； s i 一和集料同体积球体的表嘶积。 式212 中的s 值测定凼难。此厉w a d d e l l 又提出公式21 ( 2l2 ) 3 计算球度近似值 ，- 妒鲁 c z ， 灿糖。才 姑1 _ 3 ) 式中v 为集料体积： v ，_ 一和集料外接最小球的体积： d i 和集料同体积球体的直径； d 广一和集料外接最小球的直径。 上述圆度及球度定义，无论是概念或测定方法都是优秀的，问趣在十测定过于复杂 耗时较多。早在1 9 3 0 年岩上专家已经通过实铡颗粒长轴a 、中问轴b 与矩轴c 确定扁 平比q = b t a 、纵长比p = c b 、粒形园子f = p q 和球度掣( 1 l i 的计算公式”1 如式2 14 ) ， 舣据l 一面的颗粒参数将集料分为脚盘状( b a 2 3 c b 4 2 3 ) 、球状( b a 2 3 ，c b 2 3 ) 、 圉闰国 长安大学博上学位论文 叶片状( b a 2 3 ，c b 2 3 ) 和棒状( b a 2 3 ) ，并绘制了集料形状分类啪1 图2 1 3 。虽然经过简化，但从应用角度看，仍过于繁琐，工程应用受到极大限制。 l t , 一 型塑)汜，= 一= ! ：! ：! ! ! ：， l 么l qj j + p ( 1 + q ) 十6 0 1 十p 2l + q 2 ) 烈状沙 耄 藩 c b 图2 1 3 集料形状分类图 2 1 3 棱角性 l e e s 啪1 发现两种形状不同的集料计算得到的圆度结果相同，尤其是破碎集料，于是 他提出了确定棱角度的方法，棱角度不仅与突起部分曲率有关，而且和突起部分与内接 圆的距离有关。棱角度凡计算公式见式2 1 5 ： 4 - 。o s o 。一a ) x 厂 式中：口测量角； x 突起部分与内接圆的距离； r 内接圆半径。 图2 1 4 棱角度测量参数 9 ( 2 1 5 ) 第= f 燕料几何特性”青e 辑性脆# 响 a s t md2 4 8 8 9 0 ( 1 9 9 6 ) 将集料棱角性分为棱角状、次棱角状、次潭圆状和浑圆状， 如表21 i 和图2 i5 。棱角性的级别划分是非常有意义的，目前欧美一些国家已经开 展此方面研究，德国“”州正在考虑集料棱角性的分级标准。即便如此，棱角性对沥青 混合料性能的影响仍然处于一种未完全清晰的灰色状态。 表2 11集辩棱角分类标准( s 删d2 4 8 8 - 9 0 ) 分类描述 棱角状具有粗糙的表面及明显的棱边 次棱角状具有棱角但有一蝗磨损 次浑圆棱角相当多磨损各面面积减缩 浑圆状无棱角。颗粒浑圆 眵。醪。穸 乡k 矽 次浑卿次睦角状 圈21 5 集料棱角性圈 影响破碎集料粒形的因桑主要有石料本身的性质、破碎设备和工艺流程三方面。石 料的强度和结构两种特性对石料形成立方体影响很大。孥硬的、同质的岩石在破碎中不 易形成立方形，这种岩石倾向于分解为薄片，例如：象晶体细密的绿扶岩、玄武岩、燧 石等。选择不同形式破碎机对年i 料破碎后的形状有较大影响按产出最佳形状的能力， 排在首位的应推反击式破碎机，按产品质量顺序往下排列是：新技术倒锥破碎机、旋回 式破碎帆、辊式破碎机、老式圆锥破碎机、粗碎回旋式破碎机和颚式破碎机。破碎机类 型和年i 料自身特性是取得破碎后产品形状呈立方形的基奉条件，同时同等重要的是选择 合适的破碎流程m 。例如，颚式破碎机生产出的石科扁平状颗粒含最较多，但如果将颚 式破碎机作为一碎，生产出的石科经过圆锥破碎机一碎，这样通过多级破碎，生产出的 石料粒形会有很大的改善。 22 粒形测定方法 道路r 程中，集料颗粒粒形对沥青混合料的沥青川量、t 作性、强度、耐久性等有 较人的影响。为了控制集料质节，建立了许多粒形测定方法，例如：筛分、针片状颗粒 含量、破碎砾石含董、棱角陛、集料数字图像处理系统等。 221 国内外常见粒形测定方法 集料的绒配直接影响了沥青混台料的质量，保证集料级配的稳定是保证混合料质量 的前提。 针片状颗粒在沥青混合料施工和使用过程中，会产生不同程度的破损，使级西己细化、 混合料内部出现损伤，影响混合料的强度。针片状颗粒含量是指颗粒的长度与厚度之比 超过一规定值的颗粒含量。日本和欧洲都明确针片状颗粒的定义是最长端与最薄部分的 比例为3 ：1 。s u p e r p a v e 设计方法中，扁平细长颗粒含量定义为大于47 5 m m 粗集料颗 粒的最大与最小尺寸之比大于5 的质量百分率。我国在公路工程集料试验规程( j t g e 4 2 - - 2 0 0 5 ) 中明确指出：引片状颗粒足指j j 游 标卡尺测定的粗集料颗粒的最小厚度( 或直径) 一 方向与最大长度( 或宽度) 方向的尺、j 之比小于 l ：3 的颗粒为针片状颗粒。 美国在战略公路研究计划( s h r p ) “”1 研究 过程中特别强调测定砂的棱角性指标( f a a ) 的 莺要性，提出了标准试验方法a a s h t o3 3 “细集 料未压实窄隙率试验方法( 受颗粒形状、表而结 构和级配的影响) ”，确定了非常简毕的测定棱角 性的设备装置。该方法是将干燥细集料试样强过 图221 国外细集料棱角性测定仪器 一个标准漏斗，漏入一个经标定的圆筒，由细集料的空隙率作为棱角性指标。空隙率大， 意味若有较大的内摩擦角球形颗粒少，细集料的表面构造粗糙，所以f a a 是拙述细集 料性能的重要指标。细集料的棱角性( f a a ) 指标对沥青混合料的施工性能和使用性能起 着至关重要的作用。美国s u p e r p a v e 细集料棱角性( f a a ) 利用小于23 b 唧集料朱压 实空隙率表示，商速公路一般要求细集料的棱角性( f a a ) 不小丁4 5 。其测定仪器如幽 22 】。空隙半大，意味着前较大的内摩擦舶，光圆状黝粒少，细集料的表面构造料糙。 l a h ndw 于2 0 0 3 年提了评价细集料棱舶性j _ | 形状的新方法c a r ( c o m p a c t o f 邕 第= i 集料n 何特性目e 性能g a g g r e g a t er e s i s t a n c e ) ，并进行了一系列的试验研究；c a r 试验测定仪器如图222 。 j o h npz a n i e w s k i ”于2 0 0 4 年对c a r 方法进行了深入研究，研究结果表明c a r 方法 能较好地评价细集料的形状和棱角性，与混合料性能有较好的相关性。 欧洲一些国家的棱角性一直采用流值”( s a n df lo w ) 试验( e n9 3 3 。6 ：2 0 0 1 ) 。 谚方法测定一定质量的细集料( 机制砂、石屑、天然砂) 全部通过标准漏斗所需要的流 动时间。该试验方法简单，适用于评定细集抖颗粒的表面构造和粗糙度，预测细集料对 沥青混合料的内摩擦角和抗流动变形性能的影响。该试验方法和美国s u p e r p a v e 的棱角 性( f a n ) 试验方法意义其实是相同的。美国s u p e r p a v e 的棱角性( f a a ) 试验和欧洲一 些国家的流值试验是对颗粒粒形的间接测定，都是评价集料粒形的方法。 1 9 9 3 年我国李兰副教授和合作者在美尉得克萨斯洲a m 大学发表论文，提出以分形 为基础的骨料粒形定量分析方法，把罔形证 别技术和分形结合起来，为粒形表征这个重 要课题开辟了新途径。 随着计算机技术的发展，近年出现了一种新的粒形分析方法：数值图像处理技术 ( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ：d i p ) 。它用电子方法捕捉景象，产生信号，经数字化后 作为象素的列阵储存，随后从巾抽取图像画面信息。这是一种自动、快速方法，不受人 为误差的影响，能进行多种复杂量测。使用d i p 技术对骨料进行影像分析，首先要对骨 料颗粒取得优质影像，将颗粒从背景识别、区分。它能测量的几何参数有颗粒点数、面 积率、尺寸分布、粒料特性和空间分布等。”。但这种数值图像处理技术需要专用设备， 由于过于昂贵，在工程应用中受到限值。 222 粒形测定方法 现阶段我国采石场集料破碎机械仍比较落后，针片状颗粒含量超标的问题非常突 出，针对我国集料生产的实际情况，研究选用针”状颗粒含量表征租集料颗粒形状，针 片状颗粒的测定标准采用l ：3 。立方体颗粒和针片状颗粒如图223 和图224 。 目223 立方体颗粒图224 针片状颗粒 长安大学博士学位论文 如何评价细集料的颗粒粒形，历来没有标准方法。最早是法国标准a f n o rn fp 1 8 - 5 6 4 1 9 8 1 规定了砂( 包括天然砂和人工砂) 的流动时间试验方法，在第1 7 届国际道 路会议上得到了肯定；后来是；美国s u p e r p a v e 细集料棱角性( f a a ) ，并建议各国采用 此方法评价砂的表面特性及棱角性。它对沥青混合料的稳定性、塑性变形有重大的影响， 同时也可以用来评价水泥混凝土的和易性。 我国给出了利用细集料未压实空隙率和流动时间两种方法测定细集料棱角性，其实 两种方法的意义是一样的。论文在研究细集料颗粒粒形对沥青混合料性能影响的同时， 对细集料未压实空隙率f a a 、流动时间和c a r 等三种方法进行了对比研究。 2 3 粗集料骨架作用 2 3 1 骨架 骨架即事物内部起支撑作用的系统或结构，该系统或结构在事物内部维持其整体形 状，不至因受外力而产生变形的能力称为骨架性能。在沥青混合料中即为一定量的粗集 料相互之间嵌锁接触，形成稳定的骨架结构来抵抗外荷载作用从而维持自身整体形状。 如何使粗集料与粗集料之间相互嵌挤形成稳定的骨架框架结构，集料间留有一定的 空隙，填入适当的细集料、矿粉及沥青，从而形成稳定的性能优良的“骨架密实 型沥 青混合料，一直是许多道路工作者所追求的目标。而对这种优质的沥青混合料而言，首 要的任务是在结构形态中形成强有力的实体框架结构即“骨架 ，来支撑起整体沥青混 合料。只有具备坚强有力的骨架结构系统，才能保证沥青混合料有良好的高温稳定性， 这是保证沥青混合料有良好路用性能的基本前提。 2 3 2 骨架判别方法 要形成“骨架”，就必须保证有足够数量的粗集料来组成骨架，并且不同粒径大小 的粗集料颗粒相互组成比例要恰当，才能保证形成良好的嵌挤结构。那么，究竟混合料 中什么样的粗集料才能组成骨架，有什么样的内部组成比例才能保证形成良好的骨料嵌 挤，也就是说到底有什么明确方法能确保形成真正性能良好的“骨架”型沥青混合料一 直是道路工作者所关心的问题。从判别方法的角度来说总体上分为两大类： 1 与体积构成相关联的理论判别方法 s 凇骨架评价方法：v c a m 9 0 ，为紧排骨架密实结构；8 5 ssc 9 0 ，为松排骨架密实结构：s sc 9 5 ，为紧排骨架密实结构；9 0 s 9 5 ，为松排骨架密实结构；s 9 0 ， 为悬浮密实结构。 集料嵌锁点l p ( l o c k i n gp o i n t ) 定义是旋转压实仪( s g c ) 在压实沥青混合料过程 中试件高度连续三次不变的第一个压实次数，l p 标志沥青混合料中整个集料己开始嵌 锁，并抵抗进一步的压实。此处所讲的集料骨架不同于前面所说的粗集料骨架，它包括 整个矿料。l p 提出的目的是为了防止沥青混合料尤其是骨架密实型沥青混合料出现过 度碾压。采用l p - 手旨标来评价骨架的方法还待进一步研究。 2 与路用性能相关联的试验性判别方法 这类判别方法通常都是通过试验进行的，通过测试沥青混合料在一定温度及其他测 试条件下的力学性能，来反映沥青混合料整体在试验条件下抵抗外荷载的能力，如果混 合料形成稳定良好的骨架，则显示出较好的力学响应，反之则不然。不同的试验使用不 同的测试方法及其评价分析指标从不同角度反映沥青混合料高温骨架性能，主要有： a 简单剪切试验 b 三轴压缩试验 c 无侧限抗压强度 d 扭转剪切试验 e 车辙试验 f 大型环道、直道试验 g 野外现场试验 综上所述，与体积构成相关联的理论性判别方法均具有精确的计算过程，但是，所 有计算所需要的数据都取决于试验测量的结果，如果试验测量的结果数据存在误差将直 1 7 第二章集料几何特性对沥青混合料性能影响 接影响计算过程，例如许多骨架判别方法需要测量指标矿料间隙率( v c a ) ，而v c a 的测 试受到试验条件和