细集料形状的性质以及对热沥青混合物性状的影响外文翻译资料

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细集料形状的性质以及对热沥青混合物性状的影响

摘要：细集料形状的的性质，如外形、棱角、表面纹理，对热沥青混合物的性能有着很大的影响。车辙与细集料的棱角和形状有关，这些因素也影响着颗粒内联系。细集料粗糙的表面纹理，可以提高细集料与胶结剂的内部联系，减少疲劳开裂。一些研究人员一直在研究一些新的，自动的和精准的方法，例如细集料图像测量系统（AIMS），来改善细集料形状参数的测定技术。这篇论文提出用来源不同的三种矿物做细集料，来研究形状对沥青混合料设计和机械性能的影响的分析方法。结果表明，尽管这些细集料在矿物组成上有差异，但是它们具有相同的形状特征。这可能与采集石料时相似的过程有关。表面纹理导致细集料不同的价值，这点可以从岩相分析的结果得出。在一般情况下，集料的形状特性，导致沥青混合料试样具有相似力学性能。沥青混合料试件也可以通过其内部结构方面，例如多个接触点和聚集粒子分离和取向特性的研究来进行分析。

关键词：沥青，细集料，形状，影像技术。

引言：伴随着研究热拌和沥青的特征和组成成分的进行，高性能沥青路面的理论已在过去二十年间被广泛的应用。而这种理论在改善和发展沥青粘合剂的实验方法上扮演着重要的角色。但是在这种技术日趋提高和日益现代化的情况下，尽管细集料占了沥青混合料大约90%-95%的比例（质量分数），细集料表征仍然没有得到关注。现有的测定细集料形状的技术，；例如棱角分析与表面纹理测定，不仅耗时巨大而且还可能得到不精确和不完整的结果。因此，选择细集料粘合剂的组成成分在考虑细集料微粒形状的情况下就可能没有一套标准。在形状差异明显的细集料里选择最佳的粘合剂组成也是一件十分困难的事情。这种标准的缺乏可能导致在材料符合目前标准的情况下建造的沥青路面仍然不合格。

出于对更好的细集料特征数据的需要，目前已经开发了几种替代技术，如数字图像处理（DIP）。本研究的目的就是采用三个采石场生产的不同的细集料来论证细集料的特征。细集料形状测量系统（AIMS）用来获得与细集料形状有关参数的系统。将AIMS得到的沥青混合料的力学性能结果与细集料分析得到的结果进行比较和分析。同时，沥青混合料内部结构伴随着两个图像软件——图像工具和图像处理分析系统(图一)——的使用，细集料粒子聚集的方向与方式也得到了正确的评价和应有的尊重。

图一：研究步骤: a.采石过程 b.AIMS c.HMA样品 d.使用图像软件分析

细集料形状因素

形状，棱角和表面纹理

根据Barrett (1980)的说法，一般来说，细集料颗粒一般有三个独立的属性：形状，棱角和表面纹理。形状是离子整体外形的意思(Barrett 1980),通过不同类型的参数，例如伸长率、平坦度，片状度、球形度、形状因子、圆度和其他参数可以描述它（DAS 2006）。通常情况下，在热拌和沥青混合料中，通过压实过程和修改级配，细长和平整度较高的细集料颗粒可能导致破坏。平细集料也有通过减少表面层滑动阻力来减少颗粒间内部联系程度的趋势。棱角描述了细集料粒子的圆度以及粒子边缘和角的定量数据。Sanders和Dukatz (1992)在美国印第安纳州的沥青路面上进行了4段路面实验。在其中的一段试验中，仅仅两年后该路面段路面就出现了车辙。他们得出结论，这个现象与粗细集料的棱角的所占的百分比最低有关。Stiady等人（2001）使用PURWheel技术对21种不同路面路段进行交通仿真试验，得出在沥青混合料中使用细集料棱角较大的材料可以得到较为理想的车辙的结论。

另一个和形状影响较大的因素是表面纹理。它可以描述那些因为太小而不能影响整体形状的表面粗糙的细集料。粗糙的细集料表面可以提高粒子之间的接触和摩擦，因而可以使沥青混合料具有较高的抗磨损能力。根据Kim等人的研究，表面粗糙的细集料也可以促进更好沥青胶料与其颗粒之间的连接。在疲劳测试过程中，对发生问题的沥青表面进行了研究，发现与在混合设计的光滑细集料中，粘接剂与细集料颗粒之间的粘接性失败有一定的关系。而对于粗糙的细集料，问题发生的原因主要是由于粗糙细集料自身。

热拌和沥青混合料内部结构的影响

沥青混合料的内部结构在路面抵抗主要形式的破坏，如车辙，热损伤和疲劳开裂中有着非常重要的作用。不同的压实方法和压实效果对于沥青混合料内部细集料颗粒排列有着重要的影响。与细集料堆积有关的主要性质是接触点、颗粒取向和偏析。

Tashman等人（2001）得出构成沥青混合料集料的接触点数取决于压实方法及其相应的参数。Sousa等人采用路面旋转粉碎方法（SGC）来生产沥青混合料并且得出结论相比于用其他方法制备的样品，采用SGC方法制作的样品具有更好的耐永久变形的性质。可以用用细集料压缩理论中，由于SGC方法而产生的大量的接触点来解释这种现象。

细集料粒子取向是质点与水平线之间最长轴（两边界点最长距离）的夹角。Curray首先介绍，矢量的大小和方向确定着取向，而这个参数也描述了细集料颗粒的优先方向和全部范围（0%-100%）这个值接近于0，说明细集料颗粒是随机的分布，而接近于100%则表明细集料粒子的分布具有很强的方向性，分布更加均匀(Masad等人。1999, 2009)。

细集料离析可以被定义为在沥青混合料中垂直或水平面细集料与细颗粒分布不均匀。（Stroup-Gardiner和Brown ，1998）。细集料离析可以通过非破坏性的或者破坏性的实验等方法进行测定，例如渗透试验和核密度计，就是通过测定沥青含量、级配变化，沥青混合料内部结构的空隙的方法来测定细集料离析的。理想情况下，一个密实级配沥青混合料必须达到细集料定向分布一致。但是，实验室的压制过程会导致细集料粒子的离析。与板压实相比，旋转和振动压实方法往往有助于颗粒的分离（Hunter等人2004）。拌和与压实温度也会影响沥青混合料样品的内部结构。Geng等人（2013）研究了在不同温度下两种混合并压实的沥青。通过软件iPas(Mahmoud等人。2010)得出，较低温度可以使接触点和接触总长度处在一个较低的水平。

在沥青混凝土样本中采用iPas软件，Ibrahim等人在波特兰水泥中采用矿渣代替水泥对其力学性能及其与内部结构进行研究，得出如下结论，这种做法是增加了接触点的数量，对外表现为增加了样本的抗压强度。与传统的混合物相比，炉渣用于减少50%以上的细集料偏析也是个不错的选择。Sefidmazgi (2011) 从接触点数这个方面比较了沥青混凝土的抗车辙性。流数（FN）的测试结果表明，这两个属性之间有很好的相关性（R²=0.71）。接触点增加，流数值也增加。

数字图像处理技术（DIP）

用来表征细集料粒子形状性质和沥青混合料内部结构的一些数字图像处理理论可以再一些文献中找到，而且许多研究人员为此目的也在改进和发展这项技术。这些技术中有的仅仅需要使用一些简单的计算机软件，有的则需要使用一些先进的设备，如AIMS或者其他类似的设备和X射线断层扫描。

Wnek等人（2013）通过采用伊利诺伊大学细集料图像分析表面纹理和棱角性（uiaia）系统结合洛杉矶分析降解（LA）磨损试验来分析从不同采石场采来的原料的级配来研究铁路压载材料的表现和形状。Sefidmazgi等人（2012）介绍并阐述了一种借助软件iPas通过图像分析来研究沥青混合料内部结构的理论方法。他们的研究结果表明了混合的车辙和总接触点的数目，接触长度以及接触平面取向之间的相关性。Hassan等人（2014）通过图像处理技术来表征沥青混合料内部结构的损伤，他们是将载荷加载前和加载后的X射线图像与裂纹形成与扩展模式进行比较分析的。

材料和实验程序

细集料

这项研究使用了从巴西北部塞阿拉州三个不同的采石场收集的细集料。这些材料来自不同的矿物来源：花岗岩、片麻岩和响岩。在一般情况下，三个采石场生产的细集料使用类似的过程，在破碎过程主要有两个步骤：岩石爆破后，所产生的部分首先使用颚式破碎机将细集料初步粉碎，然后它们被放置到一个生产更小颗粒的圆锥破碎机。在其中一个采石场里，如果有要求的话，也可以使用三步破碎机，这样生产出来的粒子更具有立体性。

表征细集料特征的基本测试有：洛杉矶磨损，沥青粘合剂吸收，筛分析，比重，粘附力和砂当量。前两个测试结果是有很大不同的。响岩的洛杉矶磨损值（大约20%）是其他材料的一半（大约40%），对于沥青粘合剂的吸收度，响岩大约也为其他材料的一半（响岩为0.44%，其他大约为0.99%）。

根据严相学分析了每种岩石的矿物学特征，图2给出了研究过程中细集料的显微照片。花岗岩石为中粗粒径（7毫米），它以半自形粒状结构并主要由由钾长石、石英矿物和斜长石型。响岩是一种主要由钾长石、辉石的细粒岩石，岩浆流动方向与橄榄石（粗面质特征）组成的矿物。片麻岩中的粗粒，是由石英、斜长石、钾长石、白云母、黑云母等构成，具有和花岗岩非常相似的成分。这些分析可以用来解释响岩细集料磨耗值低的现象。Goswami (1984) 和Brattli (1992)发现了相似的结果。他们研究了不同的平均晶粒尺寸的细集料，并得出结论，磨损值随晶粒尺寸的增加而增加。一般来说，粗粒岩石的磨损值是细粒度的两倍。在吸收粘合剂方面，布拉特利（1992）比较相关的吸收率与晶粒尺寸的关系发现吸收值有明确的随晶粒尺寸增加而增加的趋势。本研究也证实了这一趋势。

图二 直线式系统的显微照片 a.花岗岩 b.片麻岩 c.响岩集料

根据生产各采石场的过程获得了不同最大公称粒径细集料（NMAS），仅有选定的尺寸可以用来设计沥青混合料。此结果是基于与AIMS相同的结果。根据细集料的形状，定义了两种沥青混合料类型，来考虑一个比较好的和比较差的沥青混凝土方案。由于响岩细集料花岗岩细集料最具有最大的角度值和最高的表面纹理值，因此这些细集料被认为是最好的混合料。这与认为由于花岗岩和响岩具有最小的角和最低的表面纹理值因而这些岩石导致最坏的情况是相反的。

采用AIMS的细集料特征

AIMS分析包括3D的形式，棱角和粗细集料表面纹理，以及2D的形式，细细集料的棱角。该设备能够分析保留在0.075毫米筛的颗粒（# 200）和保留在25毫米筛颗粒（1 in）。为应用AIMS设计的程序如下TP 81（AASHTO 2010）。要分析的每一种材料都必须通过将细集料的样品制作减小到最小的测试尺寸。然后，该材料必须是通过能够分析25，19，12.5，9.5，4.75，0.15，2.36，1.18，0.6，0.3和0.075毫米的设备被分离成每个尺寸的大小。每个粗细集料馏分必须放置在具有充足托盘的槽里，保证其中没有其单个颗粒之间的接触。对于细细集料，颗粒必须在托盘中单独分布。这可以通过在托盘里少放细细集料的方法轻易实现。

一旦细集料粒子被定位，必须在AIMS界面上选择分析类型和筛尺寸。在数字化和分析完成后，设备旋转托盘返回到原来的位置，包括数据和图表的结会在微软自动显示Excel工作表。

AIMS能够确定五个不同的细集料性能。而那三个只适用于粗集料（球形，表面纹理，平整度/伸长率），一个（2D）是只适用于细细集料，最后一个（棱角）适用于粗、细细集料。从2D得到细细集料的相对量，其二维量化值在0-20之间。2D形式越接近0的粒子，越接近一个完美的圆圈。球概念是一个从0到1的属性，用来描述粒子的三维形状和范围。值为1表示一个细集料颗粒是立方形，即沿三个正交轴具有相同的尺寸，可以通过除以细集料颗粒尺寸计算出伸长率/平坦度。根据Superpave（科明斯基1994），如果它的长度和厚度的比值大于5则该粒子可做为平/长粒子。

参数的梯度角度值描述了颗粒边界的角度变化值，数值越高，表明集料颗粒角度更大。角度值的范围从0到100。一个完全没有角度，或者说是完美的形状，其角度值为0。

表面纹理描述的是细集料颗粒表面的粗糙度水平，它可以用小波理论的方法测定，也就是测量三个方向的粗糙度细节：水平，垂直和对角线。表面纹理的范围从0到1000，完全抛光或完全光滑的表面，其值为0。

根据AIMS对不同结果的分析，Al Rousan (2004)发明了一种对细集料的分析方法。这个集中方法为每个性质划分了明确的分类方法。对于之前没有提出分类方法的平面度/伸长值来说，但路面最大允许扁平/细长颗粒为 10%（在5∶1尺寸之间的比率）。

沥青混合料设计方法和力学性能

在本次调查的热拌和沥青混凝土遵循使用100波动值的理论方法（直径100mm，高度63mm）沥青水泥（AC）是由巴西的石油公司生产的，可以按渗透度分为PG 70-28或者 AC 50 / 70。生产的两种HMA细集料具有相同的级配（NMAS 12.5）（图三），但是AC的含量不同，获得的样品大约含有4%的空隙，粘合剂的含量在I型中为4.8%，II型中为5.1%。这0.3%的差异可以认为并不重要，产生的原因可能为细集料的吸收值不同。对于两种混合物来说，最大比重的值（GMM）分别为2.378和2.346。矿料间隙率（VMA）分别为14.7和15.3%。

图三 HMA的渐变（NMAS=12.5mm）

四种机械性能的测试通常在巴西进行：弹性模量（RM）、间接抗拉强度（或巴西试验）、在25°C下的疲劳寿命（径向压缩和控制应力）和重复加载永久变形测试（也被称为在动态温度60°C的蠕变）。弹性模量和疲劳寿命的测试使用的是气动设备，而间接抗拉强度使用的则是马歇尔试验。重复加载永久变形测试在液压机—万能试验机（UTM25）—进行。

沥青混合料的内部结构表征

其内部结构研究中需在圆柱形试件两截面锯切标本进行相关分析：沥青试样顶部1/3处和底部1/3处。首先对每一个面在常规扫描仪上进行数字化分析，然后再使用两个不同的软件—图像工具和iPAs—进行分析。分析的参数是细集料颗粒，颗粒取向和颗粒偏析数

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