（道路与铁道工程专业论文）粗集料形状对HMA性能影响的试验研究与数值模拟.pdf

摘要 摘要 沥青混合料是由矿质集料、沥青胶结料和空隙组成的典型多相复合体材料，其宏观性质十分复 杂。从微观角度看，沥青混合料以粗细集料颗粒作为刚性固体、沥青材料为胶结体，并且集料体积 约占沥青混合料总体积的9 0 ，集料颗粒之间会产生嵌挤、摩擦作用，因此集料各组分的物理力学 性质、几何形态及其它们之间的相互作用必然对沥青混合料的力学性质有着很大的影响。鉴于此， 本文着重开展对集料几何形态的研究。 粗集料的形状特征包括轮廓形状、棱角性和表面纹理，轮廓形状反映了颗粒的针片状程度，棱 角性体现出颗粒轮廓上棱角的突出程度，而表面纹理则反映了颗粒表面的粗糙程度，国内外最近的 研究成果均表明三者对于沥青混合料乃至沥青路面的性能都有着重要的影响。当前测定集料形状特 征的试验方法费时费力，且结果比较主观，导致集料形状对混合料性能的影响机理至今仍不明朗。 为了能对集料的形状特征进行快速、客观和准确的测定，本文首先分析了粗集料和沥青混合料 图像的特征，并选择了有效的数字图像处理和识别算法，在评价现有集料形状特征图像分析方法的 基础上，运用聚类分析筛选出了最有效的量化指标，并编制了相应的计算机程序。 其次，开展了室内试验来研究粗集料形状特征对沥青混合料宏观性能的影响。通过选定形状特 征不同的五组石灰岩粗集料及s b s 改性沥青胶结料，运用马歇尔试验方法成型a c 1 3 型级配的试件， 进行动态模量、车辙试验和动态蠕变试验和间接拉伸试验，根据试验结果分析了粗集料形状影响混 合料高温稳定性、永久变形特性、疲劳特性以及低温抗裂性能的作用机理。 最后，简要介绍了离散元分析方法的基本原理和p f c 2 d 软件，对沥青混合料试件的截面图像进 行处理和识别，构建了离散元模型的几何形状，运用p f c 2 d 软件模拟了混合料的动态蠕变试验，从 数值模拟角度分析了粗集料形状对沥青混合料应力一应变关系和力学参数的影响，并同室内试验结 果进行了比较。 本文提出粗集料形状特征图像分析方法，简单高效，精确度比较好，可为沥青混合料用粗集料 的质量优选提供可靠的依据和有效的手段。 关键词：粗集料形状特征图像分析沥青混合料性能 离散元( d e m ) 数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t h o tm i xa s p h a l t ( h m a ) i sac o m p l e xm u l t i p h a s em a t e r i a lt h a tc o n s i s t so fm i n e r a la g g r e g a t e s ，a s p h a l t b i n d e ra n da i rv o i d s ，s oi t sm a c r op e r f o r m a n c ei se x t r e m e l yc o m p l e x f r o mt h em i c r o s t r u c t u r a la s p e c t ， m i n e r a la g g r e g a t e sw h o s ev o l u m ea m o u n tt oa b o u tn i n t yp e r c e n to ft h em i x s t o t a lv o l u m ea r eh e l d t o g e t h e rb ya s p h a l tb i n d e ra n df o r mar i g i ds k e l e t o nt os u p p o r tl o a d s s i n c et h ew e d g i n ga n df r i c t i o n a l i n t e r a c t i o n se x i s tb e t w e e nt h ea g g r e g a t ep a r t i c l e s ，t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，g e o m e t r i c m o r p h o l o g ya n dt h e i ri n t e r a c t i o n sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nh m ap e r f o r m a n c e i nv i e wo ft h i sf a c t ， t h em o r p h o l o g i c a lp r o p e r t i e so fa g g r e g a t e sa r ee s p e c i a l l yi n v e s t i g a t e d f o r m ，a n g u l a r i t ya n ds u r f a c et e x t u r ea r ea m o n gt h ep r o p e r t i e so fa g g r e g a t e st h a th a v eas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f h o t - m i xa s p h a l t ，u n b o u n db a s ea n ds u b b a s el a y e r s ，w h i c ha r ed e m o n s t r a t e db y r e c e n tr e s e a r c h e s t h e r ea r ec u r r e n t l yn os t a n d a r dt e s tm e t h o d sf o rd i r e c t l ya n do b j e c t i v e l ym e a s u r i n g a g g r e g a t ea n g u l a r i t ya n ds u r f a c et e x t u r e t h ec u r r e n tm e t h o d su s e di np r a c t i c ea r el a b o r i o u sa n ds u b j e c t i v e i nn a t u r e ，a n d o rl a c kad i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t ht h ef u n d a m e n t a lp a r a m e t e r sg o v e r n i n gp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i s mt h a tt h em o r p h o l o g i c a lp r o p e r t i e so fc o a r s ea g g r e g a t e sa f f e c th m ap e r f o r m a n c e i ss t i l lu n c l e a r i no r d e rt om e a s u r ec o a r s ea g g r e g a t e s 。m o r p h o l o g i e sr a p i d l y , o b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y , t h i st h e s i s f i r s ta n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a r s ea g g r e g a t ei m a g e sa n da s p h a l tm i x t u r ei m a g e s ，t h e nae f f e c t i v e i m a g ep r o c e s s i n ga n dr e c o g n i z i n ga l g o r i t h mi ss e l e c t e d i m a g i n gt e c h n i q u e sh a v ep r o v i d e dag o o dm e a n s t oq u a n t i f ya g g r e g a t es h a p ep r o p e r t i e sr a p i d l yi ns p i t eo ft h ef a c t t h a tt h e ym i g h td i f f e ri nt h em a t h e m a t i c a l p r o c e d u r ea n dt h e i n s t r u m e n t a ls e t u pt h e yu t i l i z e b a s e do ne v a l u a t i n gt h ee x i s t i n gi m a g ea n a l y s i s t e c h n i q u e s ，t h em o s te f f e c t i v em o r p h o l o g i c a li n d i c a t o r sa r ei d e n t i f i e du s i n gc l u s t e r i n ga n a l y s i s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rc o d e sa r ep r o g r a m m e d s e c o n d l y , t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa l ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fc o a r s ea g g r e g a t e m o r p h o l o g i e so nh m ap e r f o r m a n c e b ys e l e c t i n gf i v eg r o u p so fl i m e s t o n e sw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i c a l p r o p e r t i e sa n dt h es b sm o d i f i e da s p h a l t ，t h es p e c i m e n sw i t ht h ea c - 13g r a d a t i o na r ef a b r i c a t a e du s i n g m a r s h a lid e s i g nm e t h o d t h er e s u l t sf r o mt h ed y n a m i cm o d u l it e s t ，w h e e l - t r a c k i n gt e s t ，d y n a m i cc r e e pt e s t a n di n d i r e c tt e n s i l et e s tf o rd i f f e r e n ta g g r e g a t es h a p ep r o p e r t i e sa r ea n a l y z e dt od e v e l o pc o r r e l a t i o n so f c o a r s ea g g r e g a t es h a p ep r o p e r t i e sw i t hh m a h i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , p e r m a n e n td e f o r m a t i o nb e h a v i o r , f a t i g u er e s i s t a n c ea n da n t i - c r a c k i n gc a p a b i l i t ya tl o wt e m p e r a t u r e l a s tb u tn o tt h el e a s t ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) a n dp a r t i c l ef l o w c o d ei n2 - d i m e n s i o n sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ed y n a m i cm o d u l u st e s ti sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n g p f cp a c k e ta n dt h ee f f e c to ft h ec o a r s ea g g r e g a t em o r p h o l o g i e so nt h eh m a p e r m a n e n td e f o r m a t i o n b e h a v i o ri se x a m i n e d t h ea s p h a l tm i x t u r em o d e lg e o m e t r yu s e di nd e ms i m u l a t i o ni sd e f i n e du s i n gb l a c k a n dw h i t ei m a g e sw h i c ha r eo b t a i n e db ye m p l o y i n gt h ei m a g ea n a l y s i ss y s t e md e v e l o p e di nc h a r p t e rt w o t op r o c e s st h ec r o s s - s e c t i o n a li m a g eo fh m as p e c i m e n s i nt h ed e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t w od i f f e r e n t t y p e so fs h a p ep r o p e r t i e sa r ei n c o r p o r a t e di no r d e rt od e s c r i b et h ec o a r s ea g g r e g a t e ，a n dt h r e et y p e so f b o n d sa r ei n c o r o r a t e di nt h ed e mm o d e li no r d e rt od e s c r i b et h ec o h e s i o nw i t h i nt h ea s p h a l tb i n d e r , t h e c o h e s i o nw i t h i nt h ea g g r e g a t ep a r t i c l e ，a n dt h ea d h e s i o nb e t w e e nt h ea g g r e g a t ea n dt h eb i n d e r t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt e r m so fs t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p s a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h ea p p l i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o df o ra s p h a l t m i x t u r ei sd e m o n s t r a t e d t h ei m a g ea n a l y s i st e c h n i q u ep r e s e n t e di nt h i st h e s i sf o rm e a s u r i n gc o a r s ea g g r e g a t es h a p ep r o p e r t i e s i t a b s i r a c i 。 i sn o to n l ys i m p l e b u ta l s oi se x t r e m e l ye f f e c t i v ea n da c c u r a t e n ef i n d i n g sp r o v i d ean e ww a yt oa s s e s s t h es h a p ec h a r a c t e r i s t i c so fm i n e r a la g g r e g a t e su s e di nt h ea s p h a l tm i x t u r e sf o rb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d l o n g e rl i f e t i m e k e yw o r d s ： c o a r s ea g g r e g a t e s h a p ec h a r a c t e r i s t i c sa g g r e g a t es t r u c t u r ei m a g ea n a l y s i s h m ap e r f o r m a n c e d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：真主盈茎： 日 期：。逊：生 占 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：耋近苎：导师签名：j 也窒堡：e l 期：厶墼垒! 墨 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀v 匕 沥青路面因其独特的优点而成为世界各国高等级公路路面的主要类型。随着沥青路面的发展， 其路面性能方面的问题也不断涌现出来，对路面材料也提出了更高的性能要求，该领域的高运营成 本使人们意识到需要深度研究沥青路面材料的特性并建立预测h m a 路面性能的方法。 作为一种典型的多相体复合材料，热拌沥青混合料( h m a ) 或沥青混凝土( a c ) 由沥青胶结料和矿 质集料按不同比例混和而成。沥青胶结料作为胶结剂粘结集料颗粒，使之在混合料中形成集料结构； 矿质集料在质量上和体积上都占据了混和料的主要部分，颗粒尺寸较大的粗集料通常构成集料结构 的骨架并控制着交通和环境荷载向下卧基层、底基层和土基转移，沥青混合料和h m a 路面层的响 应及性能也直接受这一粗集料骨架的基本材料特性和组成的影响；此外，混和料中还存在有一定的 空隙。按照复合材料的观点，除矿质集料和沥青胶结料的自身性质之外，沥青混合料中的矿质集料、 沥青胶结料和空隙的体积组成对混和料力学性能及路用性能也具有决定性作用，合理的体积组成不 仅可以显著提高沥青混合料的力学性能，同时还可以平衡沥青混合料多元技术要求的复杂矛盾；另 一方面，集料颗粒之间还会产生相互嵌挤和摩擦作用，因而集料各组分的物理力学性质、几何形状 及其相互作用也会对沥青混合料的力学性能产生很大的影响。为得到具有良好性能且经济的沥青混 合料，在过去的几十年内，国内外学者在沥青混合料设计方法、沥青材料及其添加剂方面开展了大 量深入而富有成效的研究，相继推出了s u p e r p a v e 设计体系、s h r p 沥青性能分级体系和改性及复合 改性沥青等，产生了很大的经济效益：但是在集料特性方面仍缺乏系统和深入的研究，已有的研究 也多集中于集料级配组成设计方法上，很少涉及集料的其他特性。最近的研究结果表明，沥青路面 经常出现的病害诸如车辙、表面松散、剥落、表面抗摩擦性能不足等均与集料选择和使用不当有关 川，故开展集料特性研究具有重要的现实意义。 沥青混和料中集料结构的特性相当复杂，路用矿质集料的特性通常可采用韧性、坚固性、耐久 性、清洁度、颗粒形状、颗粒棱角性、颗粒表面纹理和吸附性等来进行描述，且在技术上通常分为 三类，即源集料特性、共同集料特性和集料级配1 2 j 。依据s h r p 的定义，源集料特性包括集料的完 整性、刚度和有害材料含量，共同集料特性包括粗集料棱角性、细集料棱角性、粗集料颗粒的扁平 比和粘土含量。集料的这些特性对沥青混合料的力学性能和路用性能均有着或多或少的影响，由于 当前的集料试验很多只能根据以往的经验来定性地描述集料特性，难以与混和料和路面的性能建立 定量的联系，在实际应用中也难以真正起到控制集料质量的作用，故有必要寻找更为科学的试验方 法和评价指标。 现行的沥青混合料材料设计体系主要是借助大量的室内试验来研究沥青混合料宏观品质( 如级 配、空隙率、密度和沥青含量等) 与力学性能和路用性能之间的关系，再辅之以连续均质的力学方法 ( 如弹性力学、有限元法等) 分析沥青混合料的力学响应并指导材料设计，这与按使用性能设计材料 之间还存在着较大的差距。对于沥青混合料这样的复合材料来说，其组分材料性质、含量和微细观 结构等参数稍有变化将产生具有不同宏观性能的不同材料，若试图通过试验测得所有材料组合不仅 费钱费时费力，也是不现实的。因此，从沥青混和料的微细观结构分析出发，利用数值方法形成“数 值试件”，根据数值分析建立混和料宏观性能与微细观结构之间的关系，应用微观力学方法定量预估 混和料的力学性能，即虚拟力学试验，是研究集料、沥青和空隙在沥青混和料中作用机理的一种重 要而有效的手段。由于试验研究即使人为限定一些对比条件，但由于一些因素之间的交叉作用，对 比条件不可能一致，而力学和数值分析一旦确定有效方法之后，可以随意固定和变化一些因素：还 可以模拟一些试验研究难以实现的极端情况，所得结果反映的规律性更强；还可以很容易地获得足 够多的数据，反映的规律性也更为明确。故数值模拟技术是沥青混合料设计研究的重要方向。 东南大学硕士学位论文 1 2 集料形状的国内外研究概况 集料组成了在质量上占沥青混和料比例最大的集料结构，集料在h m a 体积法设计中所扮演的 重要角色本能地将集料特性同沥青混凝土路面的强度、稳定性等性能联系起来，h m a 路面在交通 和环境荷载作用下的力学响应己被归结为集料结构的特性、沥青含量和劲度以及它们的相互作用1 毛 引。从沥青混合料强度形成机理上来说，良好的沥青混合料组成设计不仅依赖于沥青性能和沥青胶 浆性能，还依赖于集料颗粒之间的嵌挤，而这种嵌挤、摩擦作用又主要取决于颗粒表面形态，即颗 粒形状、棱角性和表面纹理。工程实际和最新的研究成果均表明，在沥青混合料设计中，并不能将 沥青混合料的性能完全归结于沥青品质的影响。下面本文将对国内外关于集料特性的研究作一下简 单的回顾，得出需要继续研究的方向。 1 2 1影响混和料性能的集料形状特性 在集料的三大类特性中，源集料特性包括集料的完整性、刚度和有害材料的含量，分别可采用 硫酸钠或硫酸镁坚固性试验( a a s h t ot 1 0 4 或a s t mc 8 8 ) 1 5 1 、洛杉矶磨耗试验( a a s h t ot 9 6 或 a s t mc 1 3 1 或c 5 3 5 ) p 1 和粘土块及脆弱颗粒试验( a a s h t ot 1 1 2 或a s t mc 1 4 2 ) p 1 加以确定，由于 采用严格的质量控制方法可以有效地控制基岩的品质，与源集料特性相关的潜在问题通常在沥青混 合料生产之前都可以避免，并在沥青混合料设计中可以有效地加以控制，故集料的这类特性并不是 研究的重点。至于集料级配，则通常是根据a s t md 1 3 6 方法采用筛分析加以确定p i ，s u p e r p a v e 采 用已被熟知的0 4 5 次方级配图的修正形式来定义允许级配，筛分结果还可表示成0 4 5 次方级配图上 通过质量百分比的函数。由于集料级配是影响混和料性能的重要参数，已经有了大量的针对性研究。 目前，需要着重研究的是集料的共同特性，它包括以下几项：粗集料棱角性、细集料棱角性、 粗集料颗粒的扁平比和集料表面纹理性和粘土含量等。s u p e r p a v e 体积法设计程序根据交通等级和路 面层厚度规定了粗集料中具有压碎面的颗粒所需的质量百分比( a s t md 5 8 2 1 ) 1 9 1 , 正如s u p e r p a v e 所 规定的那样，粗集料颗粒构成了集料结构的骨架，之前的研究已经表明在最佳沥青含量时，沥青混 合料的强度和稳定性高度取决于粗集料的力学特性1 6 】。为了研究集料结构抵抗荷载的作用机理，已 开展了一些研究将组分集料的关键特性同集料结构的力学特性联系起来，这些研究结果证实，在粗 集料的所有特性之中，物理形状特性显著影响沥青混合料的强度和稳定性i l o i 。为了设计出长寿命的 沥青混合料，集料必须具有合适的级配和形状，总的来说，有棱角的颗粒比扁平、薄或修长的颗粒 更可取。 我国公路工程集料试验规程2 0 0 5 年版也对集料性能作出了规定i l ，但其中所包含的集料形 状特性仅有细长扁平颗粒的含量这一项，显然无法有效地控制集料的全面质量。 1 2 2 集料形状特性对混和料性能的影响 过去的研究工作已将集料物理特性和结构层特性同路面性能建立了联系，由m o n i s m i t h l l 2 1 开展 的一项研究推断，集料形状和表面纹理特征会影响沥青混合料的疲劳和劲度特征，粗糙纹理和密级 配材料可被更好地压实，从而具有更高的劲度可在混合料中提供更好的稳定性。基于m a r s h a l l 混合 料设计程序的室内研究表明l l 引，采用压碎砂砾石比天然砂砾石可以更显著地提高热拌沥青混合料 ( h m a ) 的稳定性，此外，采用压碎石代替砂砾石可以使混合料的稳定性提高达4 5 左右。 过去十年内的一些研究也将粗集料尺寸和形状特性同路面性能联系了起来：y e g g o n i 等人i l 钏认 为集料尺寸、形状和表面纹理对沥青混凝土和下卧层的抗车辙能力有显著的影响；b a r k s d a l e 等人i l 纠 发现，采用一种更粗糙的沥青混合料可以使基层、沥青胶结料和表面层内的车辙分别减少大约2 3 、 1 4 和1 3 ，但车辙减少的优势却被分别下降2 2 、1 1 和2 8 的疲劳寿命所抵消。 c h o u b a n e 等人1 1 6 1 发现集料形状特性也会影响波特兰水泥混凝土( p c c ) 的强度特性，含有棱角性 颗粒的混合料跟含有砂砾石的p c c 样本相比可具有更高的强度和模量值，然而这与传统的推荐方法 2 第一章绪论 稍微有点矛盾，传统的推荐方法建议采用表面积最小的圆形砂砾石以减少灰浆需求，使得颗粒被充 分覆盖。由于压碎成本和灰浆需求增加，故在p c c 混合料中使用棱角性颗粒会增加混合料的单位成 本。 在基层中，从抗剪和强度的观点来看，压实很重要，美国国家石料协会认为粗集料形状、尺寸 和纹理在提供稳定性方面也很重要1 1 7 i 。b a r k s d a l e 等人1 1 8 1 对具有两个不同的基层厚度和三个不同的基 层级配的传统沥青路面断面进行野外测试表明，压碎石基层由于均匀和高度的密实性以及很少或没 有离析，因而稳定性极好，表面平滑的圆形河砾石基层易受车辙影响程度是压碎石基层的两倍。 h u a n g 等人l l 州的研究工作表明，并不能过分强调采用规范来控制集料尺寸和形状特性的重要性， 并建议采用颗粒指数来评价颗粒形状和表面纹理的综合影响，该方法已被用作集料颗粒形状和纹理 指数的标准试验方法( a s t md 3 3 9 8 ) 。b o u t l i e r ( 1 9 6 7 ) 、m c l e o d 和d a v i d s o n ( 1 9 8 1 ) 1 2 0 z l i 后来所作的研 究表明，颗粒指数和h m a 混合料的m a r s h a l l 稳定度之间存在相当好的相关性。a h l r i c h 等人p l 发现 颗粒指数试验的参数同压碎颗粒百分比或压碎面数目具有高度的相关性，压碎颗粒百分比更高的集 料样本也具有更高的颗粒指数。 另一个形状指数即扁平比i f & e ) 是用来检查集料颗粒是否具有不符合要求的形状，即可能会负 面影响沥青混合料的力学特性。针对平坦、修长或扁平颗粒的a s t md 4 7 9 1 标准则是改编自最初的 美国工程师兵团方法中的c r d c1 1 9 试验，且只对n o 4 筛孔的筛余颗粒进行测试。p u z i n a u s k a s l 2 2 i 指出，扁平颗粒的存在使得沥青混凝土试件显示出大量的各向异性特性，然而，随着颗粒尺寸的减 少，颗粒排列的影响变得更不显著。l i 和k e t t i 口i 后来的试验结果证实，当沥青混合料中含有长宽比 大于3 ：1 的粗集料颗粒时，混和料的强度将会受到不利的影响，长宽比大于3 ：l 的颗粒含量若超 过3 0 4 0 ，将会导致混合料性能不符合要求。 m a u p i n l 2 4 1 由恒应变疲劳试验得出，相对于圆形颗粒而言，使用片状颗粒将会使疲劳寿命更短。 然而，l i v n e h 和g r e e n s t e i n i z5 i 所得出的结论在这一点上与大多数研究结果相矛盾，通过开级配和密 级配样本的室内试验，从工程角度而言，他们建议片状集料跟传统集料一样也可用于生产沥青混合 料，但值得注意的是，含有片状集料的沥青混合料试件跟含有立方体状集料的试件相比，稳定性仍 要低1 5 2 0 。 在s u p e r p a v e 设计方法规定沥青混凝土中的粗集料采用a s t mi ) 4 7 9 1 试验程序之后，究竟是控 制扁平比大于3 ：1 的颗粒的数量还是采用扁平比大于5 ：1 的颗粒的质量百分比为1 0 这一现有的 限值，曾经存在着不同的看法。b u c h a n a n 和v a v r i k 等人1 2 6 2 7 l 通过成型3 ：1 和5 ：l 扁平颗粒含量 不同的h m a 混合料并对之进行性能评价，对遵守这些严格的形状要求的必要性进行了研究， b u c h a n a n 所用的集料类型为石灰石和花岗岩，v a v r i k 等人则是采用砂砾石和白云石集料，两项研究 工作均得出扁平颗粒会影响压实h m a 混合料的车辙敏感性和体积特性。b u c h a n a n 还建议在确定3 ： 1 扁平颗粒的百分比限值时，还必须考虑集料的硬度，即不能对所有的集料类型采用同一个标准。 k a n d h a i 和p a r k e r l 2 s l 总结了当前所采用的各种集料试验方法，并对各种研究工作进行了回顾， 他们检验了这些试验方法在将粗集料形状和尺寸特性同沥青混合料强度特性建立联系方面的有效 性，并推荐了一个可在不同的集料颗粒棱角性、形状和表面纹理参数下评价路面性能的加速加载设 备试验。为了分离出粗集料形状和尺寸特性对沥青混凝土路面永久变形和疲劳特性的影响，所研究 的沥青混合料其细集料含量和级配必须相似。 e r o lt u t u m l u e r 等a 1 2 9 j 利用所开发的集料形状分析系统( u i a i a ) 获取了粗集料的形状特性指标 值，并分析了它们对s u p e r p a v e 沥青混合料回弹模量、未处治粒料回弹特性和沥青混合料永久变形 特性的影响，发现随着棱角性指数和表面纹理指数的增加，回弹模量一直增加，集料级配的变化并 不显著影响粗集料形态与回弹模量之间的关系。 在国内，宋伟等人川通过试验研究了粗集料不同针片状颗粒含量( 0 、5 、1 0 、1 5 和3 0 ) 对水泥混凝土工作性及力学性能( 立方体抗压强度、抗折强度、静力受压弹性模量和抗折弹性模量) 的影响，试验结果表明，随着针片状颗粒含量增加，混凝土工作性逐渐变差；针片状含量在1 0 以 内时，混凝土抗压、抗折强度变化不明显；当超过1 0 以后，混凝土强度衰减较大，混凝土静力 抗压弹性模量变化不大，而抗折弹性模量降低明显。 3 东南大学硕士学位论文 同济大学的杨瑞华和许志鸿等人1 3 1 1 从集料结构本身出发，利用分形几何的基本理论，建立了沥 青混合料集料的体积分形模型，并通过大量路用性能试验，得到了a c 1 6 密级配沥青混合料集料的 体积分形维数与路用性能指标之间的相关变化规律，即集料的体积分形维数增大，沥青混合料的高 温性能、抗滑性能呈下降趋势，水稳定性、低温抗裂性呈上升趋势。韩海峰和吕伟民等人1 3 2 i 通过分 析试验数据，考察了细集料棱角性f f a a 对沥青混合料的沥青用量、体积性质、水稳定性和高温稳定 性等重要指标或性能的影响情况，结果表明，f f a a 均未与上述指标或性能建立起显著的线性关系， f f a a 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 f 从来评价细集料对沥青 混合料性能影响的情况。 哈尔滨工业大学的谭忆秋教授p 圳采用a s t md 3 3 9 8 方法定量测量了7 种不同粗集料的平均棱角 性，并采用激光干涉微轮廓测量仪测量了粗集料的表面纹理，研究了粗集料平均棱角性和表面纹理 对沥青混合料性能的影响，结果表明，粗集料平均棱角性和表面纹理对沥青混合料的高温稳定性、 低温抗裂性和水稳定性均有不同程度的影响。 西南交通大学的何昌轩和陆阳等人p 4 l 以棱角状碎石和圆角状卵石( 分为球体和椭球体) 为粗集 料，测试了集料颗粒形状对s m a 骨架结构v c a d r c 的影响，结果证实棱角状碎石的v c a d r c 明显大 于圆角状卵石的v c a d r c ，圆角状卵石中又以椭球体颗粒的v c a d r c 大于球体颗粒的v c a d r c ；并在 此基础上，对s m a 2 0 等三种典型配比的混合料分别采用马歇尔及s g c 成型，通过混合料体积指标 的测定及对比分析，发现相对于圆角状卵石而言，由棱角状碎石颗粒构成的混合料具有较大的v v 、 v m a 、v c a 。i x ，而且混合料的抗变形能力及稳定性均较优。 华南理工大学的卢亮和王端宣等人p 5 | 通过对某地周边石场实际生产状况的调查，分析了针片状 颗粒含量对集料性能的影响，并根据不同针片状颗粒含量的沥青混合料性能试验，验证了针片状颗 粒含量对沥青混合料路用性能的影响。姜旺恒等人p 6 l 通过室内试验比较了辉绿岩和花岗岩碎石性质 的差异，通过堆积密度试验分析了细集料矿料棱角性对合成矿料级配干涉状态及性质的影响。马林 和王端宜等人i 了h 基于均匀设计的v c a d r c 试验和一系列磨耗试验，利用数字图像处理方法获取各种 花岗岩颗粒的形状参数，也分析了颗粒几何形状对v c a d r c 的影响及其变化规律。结果表明，颗粒 的形状系数与v c a d r c 相关关系高度显著，随着磨耗次数的增加，v c a d r c 开始逐渐减少，在磨耗 过程中，颗粒的形状系数减少，颗粒趋近于球形，v c a d r c 减少；v c a d r c 与颗粒自身的物理特性密 切相关，颗粒的粗糙程度和表面微观纹理结构也是v c a d r c 的重要影响因素，故在集料生产的全面 质量控制中引入颗粒形状系数指标是非常有必要的。 1 2 3确定集料形状特性的试验方法 k a n d h a l 等人、j a n o o 和c h o w d h u r y 等人l 弼，3 9 , 蛐i 将测量集料形状特陛的方法分成了直接法和间 接法两大类。直接法是指定量地描述颗粒形状、棱角性和纹理特性，并可通过直接测量单个颗粒来 量化确定，主要是指基于图像分析技术的集料形态学分析方法；在间接方法中，颗粒形状特性被综 合成几何不规则性并根据整体性质的测定而加以确定，形状、棱角性和纹理通常被综合在一起，所 以很难分离出单个因素的影响。下表1 1 出了美国各州公路局和研究项目所采用的确定集料某种形 状特性的直接和间接试验方法( 其中“a a s h t o ”是指美国各州公路和运输工作者协会，“f h w a ” 是指美国联邦公路局，“j t r p ”是指联合运输研究计划，“a s t m ”是指美国材料试验协会) 。 表1 1美国集料特性测量方法总汇1 4 1 i 直接( f ) 或子野外( f ) 或试 于细( f ) 或粗 试验名称 试验方法出处 间接( i ) 法验室( c ) 适用 ( c ) 集料适用 细集料未压实空隙率a a s h l 、0t 3 0 4 i f c f a a s h t 0t p 5 6 粗集料未压实空隙率if cc n c h r p r e p o r t4 0 5 ，a h l f i c h ( 19 9 6 ) 颗粒形状和纹理指数a s t md 3 3 9 8if - cf - c 4 第一章绪论 续上表 直接( f ) 或于野外( f ) 或试于细( f ) 或粗 试验名称 试验方法出处 间接( i ) 法验室( c ) 适用( c ) 集料适用 f h w a i n j t r p - 9 8 2 0 报告，d a v i d 压实集料承载能力 i f ，c f j a h n f h w a i n j t r p 9 8 2 0 报告印第安 佛罗里达承载比 i f - c f 娜试验方法n o 2 01 8 9 t o n s 和g o e t z ( 1 9 6 8 ) ， 粗糙度 i f ，c f i s h a i 和t o n s ( 1 9 7 7 ) 时间指数魁北克运输部，j a n o o ( 1 9 9 8 ) if - cf 直剪试验的内摩擦角 c h o w d h u r y 等人( 2 0 01 ) icf c 粗集料中破裂颗粒百分比 a s t md 5 8 2 1df cc 扁平粗集料 a s t md 4 7 9 ld f ，c c 多重比形状分析d a v i dj a h n ( m a r t i nm a r i e t t a , i n c ) d f cc e m a e o ，l t d ( j j 1 拿大) ； v d g 4 0 视频级配df - cf c w e i n g a r t 和p r o w e l l ( 19 9 9 1 r e c k a r t ( w s t y l e rm e n t o rl n c ) ， 计算机颗粒分析仪dcf - c t y l e r ( 2 0 0 1 ) 微粒学最佳尺寸法m s t r i c k l a n ddcf c 视频成像系统( v l s l j o h nb l o n g 公司dce c 布法罗金属线厂( p s s d a ) p e n u m a d u , 田纳西大学 dcf c c a m s i z e r j e n o p t i k 激光光学系统和研究技术 dcf c w i p s h a p em a e r z 和z h o u ( 2 0 0 1 1 dcc 伊利诺斯大学集料图像分 t u t u m l u e r 等人( 2 0 0 0 ) ，r a o ( 2 0 0 1 ) dcc 析仪( u l m a ) 集料成像系统( a m s ) m a s a d ( 2 0 0 3 ) dcf ic 基于激光的集料分析系统k i m 等人( 2 0 0 1 ) dcc 当前的s u p e r p a v e 聊系统规定t - - 个试验来间接地确定粗细集料的形状特性。粗集料棱角性由 确定粗集料颗粒百分比的a s t md 5 8 2 1 标准试验方法1 9 j ，通过计算破裂面数目来手工确定。压碎( 棱 角) 的数量或百分比很重要，因为它决定了集料结构内部可产生的抗剪强度水平，圆形未压碎的集料 在交通荷载的作用下往往会滚动，因此抗车辙能力较低。s u p e r p a v e 根据交通等级和路面层厚度规定 了压碎颗粒所必需的质量百分比，随着交通等级增加，具有压碎面的颗粒所需的百分比也会增加。 细集料的棱角性则根据“a a s h t ot 3 0 4 未压实空隙率方法a ”( a a s h t o 标准t 3 0 4 ) ，由未压实细 集料样本的空隙率来确定。 针对集料颗粒形状和纹理的a s t md 3 3 9 8 0 0 标准试验方法1 4 引，现已被用作为间接获取颗粒形 状、棱角性和表面纹理的标准试验，此外，未压实空隙率试验a s t mc1 2 5 2 9 8 和a a s h t ot p 5 6 也可间接地测量颗粒形状、棱角性和表面纹理i 瓴删。与a a s h t ot p 5 6 相类似，颗粒指数试验( a s t m d 3 3 9 8 o o ) 提供了一个综合性的形状一纹理描述，该试验