细集料棱角性对沥青混合料性能的影响

1、收稿日期:2001-08-08作者简介:韩海峰(1974-,男,河北张家口人,博士生.细集料棱角性对沥青混合料性能的影响韩海峰,吕伟民(同济大学道路与交通工程系,上海 200092摘要:通过分析试验数据,考察了细集料棱角性(F FAA 对沥青混合料沥青用量、体积性质、水稳定性、高温稳定性等重要指标或性能的影响情况.结果表明,F FAA 均未与上述指标或性能建立起显著的线性关系.F FAA 不适合单独作为评价细集料品质的技术指标,同时也不适合单独采用F FAA 来评价细集料对沥青混合料性能影响的情况.关键词:沥青混合料;细集料棱角性;沥青质量分数;矿料间隙率;水稳定性;高温稳定性中图分类号:T

2、U 528.42 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(200203-0302-05Effect of Fine Aggregate Angularity on Hot -mixAsphalt PropertiesH AN H ai -f eng ,L U Wei -min(Department of Road and T raffi c Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,Ch i naAbstract :By analyzing ex perimental data,the paper discussed how asphal

3、t content,volume property,moisture susceptibility and rutting performance w ere influenced by the fine ag gregate angularity (F FAA .T he conclusion w as drawn that there are no notable linear relation betw een fine aggreg ate angularity and each of the above-mentioned properties.In addition,F FAA a

4、lone may not be adequate to assess the quality of the fine aggreg ate.Key words :hot -mix asphalt;fine aggreg ate angularity;mass fraction of asphalt;voids in mineral ag gre -gate;moisture susceptibility ;rutting performance细集料棱角性(F FAA 是指未压实细集料的松方空隙率.在Superpave 沥青混合料设计体系中,对细集料棱角性的要求已成为评价细集料质量最重要的依据

5、1,国内的行业标准中也已引入细集料棱角性的测试方法2.然而众多试验表明,细集料对沥青混合料性能所起的重要作用,并没有通过F FAA 对沥青混合料性能的影响得以体现,即F FAA 没能对混合料的重要性能产生显著的影响趋势.本文通过对试验数据进行分析,探讨了F FAA 对沥青混合料几项重要性能的影响,评价了F FAA 作为细集料质量控制指标的适用性.1 细集料棱角性对混合料沥青用量、体积性质的影响保持粗集料、矿粉、沥青品种不变,采用不同类型及组成比例的细集料,形成F FAA 值的变化,以考察F FAA 对沥青混合料体积性质、沥青质量分数的影响.根据文献3,试验所用材料及其物理指标见表1;混合料试验

6、编号见表2;各编号对应的混合料级配见表33.利用Superpave 沥青混合料体积设计法成型试件.成型试件时选用的设计旋转压实次数为N design =96;设计7d 平均最高气温小于39e .设计旋转压实次数所对应的交通量水平为310百万次,当量单轴荷载(P ESAL =80kN.将各级配沥青混合料的空隙率控制在4%,试验结果汇总于表4.第30卷第3期2002年3月同 济 大 学 学 报表1 集料的材料类型及其物理指标Tab.1 Material type and physical index about aggregate材料编号材料类型F FAA /%表观相对密度毛体积相对密度粗集料CA

7、1砾石1 2.7307 2.6091FA1碎石砂45 2.7257 2.6449FA2天然砂39 2.7111 2.5990FA3砾石砂49 2.7475 2.6387细集料FA4白云石砂48 2.8546 2.7528FA5复合砂1246 2.7380 2.6284FA6复合砂245 2.7344 2.6244FA7复合砂3432.72712.61651粗集料的破碎面为80%或85%;2复合砂1、2、3均由天然砂和砾石砂组成,其中天然砂占三种复合砂的质量分数分别为26%、36%、56%;砾石砂占三种复合砂的质量分数分别为74%、64%、44%.表2 沥青混合料试验的物理指标Tab.2 Phy

8、sical index for mix test混合料编号细集料编号F FAA /%w (矿粉/%w (沥青/%M FA1FA1451 5.3M FA2FA2396 4.4M FA3FA3496 5.4M FA4FA4486 5.0M FA5FA5465 5.5M FA6FA6455 5.3M FA7FA74355.0表3 沥青混合料试验级配Tab.3 Mix design gradations混合料编号各尺寸筛孔的通过率/%12.5mm 9.5mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm 0.60mm 0.30mm10091.262.139.527.518.010.96.94.0表4 沥青

9、混合料试验结果Tab.4 Test results for mix design混合料编号F FAA /%w (沥青/%435.014.472.3注:V VMA 为矿料间隙率;U VFA 为沥青饱和度.根据表4中的试验结果,以图解的形式分析细集料棱角性F FAA 对w (沥青、F FAA 对V VMA 的关系,并对数据进行线性回归,如图1、 2.图1 F FAA 对沥青质量分数的影响Fig.1 F FAA versus mass f raction of asphalt图2 F FAA 对体积指标V VMA 的影响Fig.2 F FAA versus V V MA303 第3期韩海峰,等:细集

10、料棱角性对沥青混合料性能的影响由图1、图2可分析出,在该试验材料与条件下,当保持空隙率不变时,混合料的沥青质量分数与体积指标V VMA 均随F FAA 的增加而增加,并表现出一定的线性增长的趋势,但线性相关程度并不十分显著.此外,根据沥青混合料矿料间隙率的计算式:矿料间隙率V VMA =沥青体积分数U VA +混合料空隙率V VV ,在V VV 保持恒定时,较高的V VMA 导致较高的U VA 是符合事实的.2 细集料棱角性对混合料水稳定性的影响表5 细集料毛体积密度及F FAA 值Tab.5 Apparent specif ic gravity and F FAAw (天然砂/%表观相对密度

11、F FAA /%10 2.7134720 2.7154630 2.6304440 2.66743502.65840砂的质量分数w (天然砂形成五种细集料组成,测试不同组成的表观相对密度,并计算各F FAA 值,如表5.试验采用应用于抗滑表层的LK-0M 级配,如表6.保持粗集料配比稳定,分别调整细集料的组成比例,令w (天然砂从10%到50%共形成五种水平,各水平间隔10%.采用马歇尔试验法成型试件,其中,所有试件采用的油石质量比为4.7%.表6 水稳定性试验级配Tab.6 Mix design gradations for moisture susceptibilityLK-0M 级配各尺寸

12、筛孔的通过率/%1009776503222151185.6将试件进行冻融劈裂强度测试4,以冻融劈裂试验强度比T T SR 评价沥青混合料的水稳定性.冻融劈裂测试的结果如表7.据表7中劈裂强度测试的结果,分析劈裂强度R T ,T T SR 随F FAA 值的变化而变动的情况.如图3所示,当矿料的级配保持不变时,在同样的用油量下,随着细集料F FAA 值的变化,沥青混合料试件的劈裂抗拉强度(R T 1、冻融劈裂抗拉强度(R T 2及其抗拉强度比T T SR 均表现出明显的变动,根据图3b 的多项式拟合结果,细集料的棱角性F FAA 的变化对T T SR 未产生线性影响,而是在一定范围内存在最大值.

13、表7 劈裂试验结果Tab.7 Results for split testw (天然砂/%F FAA /%R T 11/M Pa R T22/M Pa T TSR =(R T 2/R T 1/%401.2030.85571.01未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度;2经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度.产生上述结果的原因可大致归结为:细集料棱角性对沥青混合料水稳定性的影响主要是通过对沥青混合料的压实性质与粘结性质的影响来实现的.根据压实规律及沥青-矿质集料相互作用的规律5,在同样的级配及沥青用量下,随着F FAA 的变化,沥青混合料的和易性会有相应的变动.空隙率作为影响沥青混合料水稳定

14、性的重要因素,很大程度上受到压实过程中混合料和易性的影响.在一定的空隙率范围内,TTSR 值通常随着空隙率的增加而急剧下降.当F FAA 值较大时,沥青混合料因和易性差而使得压实相对困难,从而导致空隙率大,T T SR 值较低;随着细集料组成的变化,F FAA 降低,混合料的压实性能随和易性的改304同 济 大 学 学 报第30卷善而得到提高,密实程度提高,从而有效地降低了空隙率,提高了T T SR 值;随着F FAA 值继续减小,混合料的和易性达到一个较高的水平,T T SR 值出现最大值.与此同时,沥青混合料的空隙率已经减小到一个较低且恒定的范围内,在此范围内,由空隙率的微小变化所引起的沥

15、青混合料T T SR 值的改变已不十分显著,此时,由于细集料组成中天然砂质量分数较高,细集料总体的圆滑程度较大,细集料对沥青的吸附作用降低,在沥青与集料界面上,沥青组分发生重新排列,相同的沥青用量下,结构沥青的比例相对减少,自由沥青的比例相对增多,沥青混合料的粘结力下降,进而导致其水稳定性不足,劈裂强度比降低 .图3 F FAA 对沥青混合料水稳定性的影响Fig.3 F FAA versus moisture susceptibility3 F FAA 对混合料高温稳定性的影响表8 沥青混合料车辙性能试验级配Tab.8 Mix design gradations f or rutting pe

16、rformance10079463425181284表9 车辙测试结果Tab.9 Results of rut testF F AA /%R R /(mm #h -10.98表10 车辙深度测试结果Tab.10 Results of rut depth testF FAA /%D /mm 48 3.9646 3.0442 4.17382.81利用轮辙试验仪评价沥青混合料的高温稳定性.每种混合料各成型两块车辙板,混合料空隙率控制在6.0?0.5%.硬质橡胶轮接触压力为0.95MPa,测试温度为55e ,轮压次数为20000次.每种F FAA 值对应的混合料平均车辙率R R 见表9.根据表9中数据

17、,建立F FAA 与平均车辙率R R 的线性回归关系为:R R =2.3886+1.7950F F AA ;R 2=0.25.利用沥青路面分析仪评价沥青混合料的高温稳定性.将各F FAA 值对应的混合料分别成型三块规格为300mm 125m m 75mm 梁试件,混合料空隙率控制在7.0?0.5%.轮压荷载为0.445MPa,测试温度为50e .高温稳定性的评定指标为轮压次数8000次时的车辙深度.每种F FAA 值对应的混合料平均车辙深度测试结果如表10.根据表9中数据,建立F FAA 与车辙305 第3期韩海峰,等:细集料棱角性对沥青混合料性能的影响306同济大学学报第30卷深度D的线性回

18、归关系为:D=0.7597+0.0629F FAA;R2=0.17.由该回归结果得出,在本试验条件下,细集料棱角性与车辙深度的线性相关性不显著.甚至意外的是: F FAA最小的混合料,车辙深度反而最小.4结论(1采用Superpave体积设计法设计的沥青混合料,当保持空隙率不变时,混合料的沥青质量分数w (沥青与体积指标V VMA均随F FAA的增加而增加,并表现出一定的线性增长趋势,但线性相关性程度并不十分显著.(2采用马歇尔试验法设计的沥青混合料,当矿料的级配保持不变时,在同样的用油量下,F F AA的变化对沥青混合料水稳定性没有产生线性影响,而是在一定范围内存在最大值.(3利用轮辙试验仪

19、和沥青路面分析仪两种试验装置分析F F AA对混合料高温稳定性的影响,结果表明,对采用Superpave体积设计法设计的沥青混合料,F FAA与高温稳定性间没有显著的线性相关性.(4细集料质量在很大程度上受到细集料的类型、组成、表面纹理(surface tex ture、粒形等的影响,判断细集料的质量应结合细集料对沥青混合料综合性能作用的情况.鉴于上述试验结果,细集料的棱角性不适合单独作为评价细集料品质的技术指标,同时也不适合单独采用F FAA来评价细集料对沥青混合料性能作用的情况.参考文献:1Fernandes Jose Leomar,Roque Reynaldo,T ia M ang.Evaluation of uncompacted void content of fine aggregate as a quali ty indictor of materialsused in superpave mixturesA.79th Annual M eeting of T RBC.W ashington D C:T ransportation Research Borad,2000.1397.2JT J058