細(xì)集料棱角性對(duì)瀝青混合料性能的影響

1、收稿日期:2001-08-08作者簡(jiǎn)介:韓海峰(1974-,男,河北張家口人,博士生.細(xì)集料棱角性對(duì)瀝青混合料性能的影響韓海峰,呂偉民(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程系,上海 200092摘要:通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),考察了細(xì)集料棱角性(F FAA 對(duì)瀝青混合料瀝青用量、體積性質(zhì)、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等重要指標(biāo)或性能的影響情況.結(jié)果表明,F FAA 均未與上述指標(biāo)或性能建立起顯著的線性關(guān)系.F FAA 不適合單獨(dú)作為評(píng)價(jià)細(xì)集料品質(zhì)的技術(shù)指標(biāo),同時(shí)也不適合單獨(dú)采用F FAA 來評(píng)價(jià)細(xì)集料對(duì)瀝青混合料性能影響的情況.關(guān)鍵詞:瀝青混合料;細(xì)集料棱角性;瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù);礦料間隙率;水穩(wěn)定性;高溫穩(wěn)定性中圖分類號(hào):T

2、U 528.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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細(xì)集料棱角性(F FAA 是指未壓實(shí)細(xì)集料的松方空隙率.在Superpave 瀝青混合料設(shè)計(jì)體系中,對(duì)細(xì)集料棱角性的要求已成為評(píng)價(jià)細(xì)集料質(zhì)量最重要的依據(jù)

5、1,國(guó)內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也已引入細(xì)集料棱角性的測(cè)試方法2.然而眾多試驗(yàn)表明,細(xì)集料對(duì)瀝青混合料性能所起的重要作用,并沒有通過F FAA 對(duì)瀝青混合料性能的影響得以體現(xiàn),即F FAA 沒能對(duì)混合料的重要性能產(chǎn)生顯著的影響趨勢(shì).本文通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討了F FAA 對(duì)瀝青混合料幾項(xiàng)重要性能的影響,評(píng)價(jià)了F FAA 作為細(xì)集料質(zhì)量控制指標(biāo)的適用性.1 細(xì)集料棱角性對(duì)混合料瀝青用量、體積性質(zhì)的影響保持粗集料、礦粉、瀝青品種不變,采用不同類型及組成比例的細(xì)集料,形成F FAA 值的變化,以考察F FAA 對(duì)瀝青混合料體積性質(zhì)、瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.根據(jù)文獻(xiàn)3,試驗(yàn)所用材料及其物理指標(biāo)見表1;混合料試驗(yàn)

6、編號(hào)見表2;各編號(hào)對(duì)應(yīng)的混合料級(jí)配見表33.利用Superpave 瀝青混合料體積設(shè)計(jì)法成型試件.成型試件時(shí)選用的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為N design =96;設(shè)計(jì)7d 平均最高氣溫小于39e .設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)所對(duì)應(yīng)的交通量水平為310百萬次,當(dāng)量單軸荷載(P ESAL =80kN.將各級(jí)配瀝青混合料的空隙率控制在4%,試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4.第30卷第3期2002年3月同 濟(jì) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)表1 集料的材料類型及其物理指標(biāo)Tab.1 Material type and physical index about aggregate材料編號(hào)材料類型F FAA /%表觀相對(duì)密度毛體積相對(duì)密度粗集料CA

7、1礫石1 2.7307 2.6091FA1碎石砂45 2.7257 2.6449FA2天然砂39 2.7111 2.5990FA3礫石砂49 2.7475 2.6387細(xì)集料FA4白云石砂48 2.8546 2.7528FA5復(fù)合砂1246 2.7380 2.6284FA6復(fù)合砂245 2.7344 2.6244FA7復(fù)合砂3432.72712.61651粗集料的破碎面為80%或85%;2復(fù)合砂1、2、3均由天然砂和礫石砂組成,其中天然砂占三種復(fù)合砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26%、36%、56%;礫石砂占三種復(fù)合砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為74%、64%、44%.表2 瀝青混合料試驗(yàn)的物理指標(biāo)Tab.2 Phy

8、sical index for mix test混合料編號(hào)細(xì)集料編號(hào)F FAA /%w (礦粉/%w (瀝青/%M FA1FA1451 5.3M FA2FA2396 4.4M FA3FA3496 5.4M FA4FA4486 5.0M FA5FA5465 5.5M FA6FA6455 5.3M FA7FA74355.0表3 瀝青混合料試驗(yàn)級(jí)配Tab.3 Mix design gradations混合料編號(hào)各尺寸篩孔的通過率/%12.5mm 9.5mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm 0.60mm 0.30mm10091.262.139.527.518.010.96.94.0表4 瀝青

9、混合料試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results for mix design混合料編號(hào)F FAA /%w (瀝青/%435.014.472.3注:V VMA 為礦料間隙率;U VFA 為瀝青飽和度.根據(jù)表4中的試驗(yàn)結(jié)果,以圖解的形式分析細(xì)集料棱角性F FAA 對(duì)w (瀝青、F FAA 對(duì)V VMA 的關(guān)系,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,如圖1、 2.圖1 F FAA 對(duì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 F FAA versus mass f raction of asphalt圖2 F FAA 對(duì)體積指標(biāo)V VMA 的影響Fig.2 F FAA versus V V MA303 第3期韓海峰,等:細(xì)集

10、料棱角性對(duì)瀝青混合料性能的影響由圖1、圖2可分析出,在該試驗(yàn)材料與條件下,當(dāng)保持空隙率不變時(shí),混合料的瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)與體積指標(biāo)V VMA 均隨F FAA 的增加而增加,并表現(xiàn)出一定的線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),但線性相關(guān)程度并不十分顯著.此外,根據(jù)瀝青混合料礦料間隙率的計(jì)算式:礦料間隙率V VMA =瀝青體積分?jǐn)?shù)U VA +混合料空隙率V VV ,在V VV 保持恒定時(shí),較高的V VMA 導(dǎo)致較高的U VA 是符合事實(shí)的.2 細(xì)集料棱角性對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響表5 細(xì)集料毛體積密度及F FAA 值Tab.5 Apparent specif ic gravity and F FAAw (天然砂/%表觀相對(duì)密度

11、F FAA /%10 2.7134720 2.7154630 2.6304440 2.66743502.65840砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w (天然砂形成五種細(xì)集料組成,測(cè)試不同組成的表觀相對(duì)密度,并計(jì)算各F FAA 值,如表5.試驗(yàn)采用應(yīng)用于抗滑表層的LK-0M 級(jí)配,如表6.保持粗集料配比穩(wěn)定,分別調(diào)整細(xì)集料的組成比例,令w (天然砂從10%到50%共形成五種水平,各水平間隔10%.采用馬歇爾試驗(yàn)法成型試件,其中,所有試件采用的油石質(zhì)量比為4.7%.表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)級(jí)配Tab.6 Mix design gradations for moisture susceptibilityLK-0M 級(jí)配各尺寸

12、篩孔的通過率/%1009776503222151185.6將試件進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度測(cè)試4,以凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比T T SR 評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.凍融劈裂測(cè)試的結(jié)果如表7.據(jù)表7中劈裂強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果,分析劈裂強(qiáng)度R T ,T T SR 隨F FAA 值的變化而變動(dòng)的情況.如圖3所示,當(dāng)?shù)V料的級(jí)配保持不變時(shí),在同樣的用油量下,隨著細(xì)集料F FAA 值的變化,瀝青混合料試件的劈裂抗拉強(qiáng)度(R T 1、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度(R T 2及其抗拉強(qiáng)度比T T SR 均表現(xiàn)出明顯的變動(dòng),根據(jù)圖3b 的多項(xiàng)式擬合結(jié)果,細(xì)集料的棱角性F FAA 的變化對(duì)T T SR 未產(chǎn)生線性影響,而是在一定范圍內(nèi)存在最大值.

13、表7 劈裂試驗(yàn)結(jié)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未進(jìn)行凍融循環(huán)的第一組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度;2經(jīng)受凍融循環(huán)的第二組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度.產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可大致歸結(jié)為:細(xì)集料棱角性對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響主要是通過對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)性質(zhì)與粘結(jié)性質(zhì)的影響來實(shí)現(xiàn)的.根據(jù)壓實(shí)規(guī)律及瀝青-礦質(zhì)集料相互作用的規(guī)律5,在同樣的級(jí)配及瀝青用量下,隨著F FAA 的變化,瀝青混合料的和易性會(huì)有相應(yīng)的變動(dòng).空隙率作為影響瀝青混合料水穩(wěn)定

14、性的重要因素,很大程度上受到壓實(shí)過程中混合料和易性的影響.在一定的空隙率范圍內(nèi),TTSR 值通常隨著空隙率的增加而急劇下降.當(dāng)F FAA 值較大時(shí),瀝青混合料因和易性差而使得壓實(shí)相對(duì)困難,從而導(dǎo)致空隙率大,T T SR 值較低;隨著細(xì)集料組成的變化,F FAA 降低,混合料的壓實(shí)性能隨和易性的改304同 濟(jì) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第30卷善而得到提高,密實(shí)程度提高,從而有效地降低了空隙率,提高了T T SR 值;隨著F FAA 值繼續(xù)減小,混合料的和易性達(dá)到一個(gè)較高的水平,T T SR 值出現(xiàn)最大值.與此同時(shí),瀝青混合料的空隙率已經(jīng)減小到一個(gè)較低且恒定的范圍內(nèi),在此范圍內(nèi),由空隙率的微小變化所引起的瀝

15、青混合料T T SR 值的改變已不十分顯著,此時(shí),由于細(xì)集料組成中天然砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,細(xì)集料總體的圓滑程度較大,細(xì)集料對(duì)瀝青的吸附作用降低,在瀝青與集料界面上,瀝青組分發(fā)生重新排列,相同的瀝青用量下,結(jié)構(gòu)瀝青的比例相對(duì)減少,自由瀝青的比例相對(duì)增多,瀝青混合料的粘結(jié)力下降,進(jìn)而導(dǎo)致其水穩(wěn)定性不足,劈裂強(qiáng)度比降低 .圖3 F FAA 對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響Fig.3 F FAA versus moisture susceptibility3 F FAA 對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的影響表8 瀝青混合料車轍性能試驗(yàn)級(jí)配Tab.8 Mix design gradations f or rutting pe

16、rformance10079463425181284表9 車轍測(cè)試結(jié)果Tab.9 Results of rut testF F AA /%R R /(mm #h -10.98表10 車轍深度測(cè)試結(jié)果Tab.10 Results of rut depth testF FAA /%D /mm 48 3.9646 3.0442 4.17382.81利用輪轍試驗(yàn)儀評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.每種混合料各成型兩塊車轍板,混合料空隙率控制在6.0?0.5%.硬質(zhì)橡膠輪接觸壓力為0.95MPa,測(cè)試溫度為55e ,輪壓次數(shù)為20000次.每種F FAA 值對(duì)應(yīng)的混合料平均車轍率R R 見表9.根據(jù)表9中數(shù)據(jù)

17、,建立F FAA 與平均車轍率R R 的線性回歸關(guān)系為:R R =2.3886+1.7950F F AA ;R 2=0.25.利用瀝青路面分析儀評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.將各F FAA 值對(duì)應(yīng)的混合料分別成型三塊規(guī)格為300mm 125m m 75mm 梁試件,混合料空隙率控制在7.0?0.5%.輪壓荷載為0.445MPa,測(cè)試溫度為50e .高溫穩(wěn)定性的評(píng)定指標(biāo)為輪壓次數(shù)8000次時(shí)的車轍深度.每種F FAA 值對(duì)應(yīng)的混合料平均車轍深度測(cè)試結(jié)果如表10.根據(jù)表9中數(shù)據(jù),建立F FAA 與車轍305 第3期韓海峰,等:細(xì)集料棱角性對(duì)瀝青混合料性能的影響306同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)第30卷深度D的線性回

18、歸關(guān)系為:D=0.7597+0.0629F FAA;R2=0.17.由該回歸結(jié)果得出,在本試驗(yàn)條件下,細(xì)集料棱角性與車轍深度的線性相關(guān)性不顯著.甚至意外的是: F FAA最小的混合料,車轍深度反而最小.4結(jié)論(1采用Superpave體積設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料,當(dāng)保持空隙率不變時(shí),混合料的瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)w (瀝青與體積指標(biāo)V VMA均隨F FAA的增加而增加,并表現(xiàn)出一定的線性增長(zhǎng)趨勢(shì),但線性相關(guān)性程度并不十分顯著.(2采用馬歇爾試驗(yàn)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料,當(dāng)?shù)V料的級(jí)配保持不變時(shí),在同樣的用油量下,F F AA的變化對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性沒有產(chǎn)生線性影響,而是在一定范圍內(nèi)存在最大值.(3利用輪轍試驗(yàn)儀

19、和瀝青路面分析儀兩種試驗(yàn)裝置分析F F AA對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,對(duì)采用Superpave體積設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料,F FAA與高溫穩(wěn)定性間沒有顯著的線性相關(guān)性.(4細(xì)集料質(zhì)量在很大程度上受到細(xì)集料的類型、組成、表面紋理(surface tex ture、粒形等的影響,判斷細(xì)集料的質(zhì)量應(yīng)結(jié)合細(xì)集料對(duì)瀝青混合料綜合性能作用的情況.鑒于上述試驗(yàn)結(jié)果,細(xì)集料的棱角性不適合單獨(dú)作為評(píng)價(jià)細(xì)集料品質(zhì)的技術(shù)指標(biāo),同時(shí)也不適合單獨(dú)采用F FAA來評(píng)價(jià)細(xì)集料對(duì)瀝青混合料性能作用的情況.參考文獻(xiàn):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