集料特性对沥青混合料抗剪性能的影响研究

集料特性对沥青混合料抗剪性能的影响研究

韩刚      侯西平     刘闯

中交二公局温州浙南科技城北片区综合开发项目部，陕西  西安 710000

摘要：目前对集料的形状特性研究较少，然而粗集料的形状特性对沥青混合料的性能具有显著影响，本文采用数字图像处理(DIP)技术，对粗集料的棱角性进行评价，得到粗集料的棱角性量化指标，通过沥青混合料单轴压缩试验探究(石灰岩、玄武岩)集料棱角性、等效圆周长比与AC-13混合料抗剪性能的相关性试验。结果表明：玄武岩集料的棱角性与等效圆周长比优于石灰岩；玄武岩沥青混合料的抗剪性能优于石灰岩沥青混合料。

关键词：集料特性；数字图像处理；棱角性；沥青路面；抗剪性能。

1引言

粗集料[1]的棱角性是集料的一个关键几何特性，对沥青混合料骨架结构以及集料与沥青的相互作用效具有显著影响。本文通过采用数字图像处理技术[2]对集料进行图像采集、图像处理[3]获取特征参数,利用IPP (Image Pro Plus)软件对集料二维形态进行结构分析[4],采用棱角性和等效圆周长比指标参数分析集料的二维形态特征，并讨论集料二维形态特性在相同沥青结合料情况下，不同集料类型和特性对AC-13沥青混合料抗剪强度的影响规律。[1]

2粗集料图像采集与特性评价指标

为了比较不同集料对沥青混合料抗剪性能[5]的影响，选取不同来源和产地的1种花岗岩和2种石灰岩为试验样本。分别把3种集料样本以最稳定的方式均匀地摆放在扫描仪面板上[6]，并在样本中间放置一枚一角硬币。

2.1图像采集与处理

2.1.1图像采集

将摆放好的集料颗粒利用平板扫描仪进行扫描获得目标图像，如图 1所示。

图 1 原始图像

2.1.2图像处理

首先对原始图像进行几何处理，裁剪掉边缘空白和非目标物,以免影响分析。其次对图像进行增强，采集的图像由于设备、光照以及人为误差等使原始图发生噪声和变形，因而在对图像进行分析前需对图像增强。选用MATLAB软件的锐化滤波器进行图像增强处理，并进行灰度化与二值化处理。最后，利用IPP软件进行集料颗粒的标记与测量，如图 2所示。

图 2 图像处理后的标记图像

2.2集料颗粒的二维特性评价指标

S—集料等效圆周长比；

C1—集料轮廓周长(mm);

C2—与集料面积相等圆的周长(mm)。

该指标表征的是集料棱角性程度，棱角磨损趋向圆形也是沥青混合料骨架结构中不希望出现的一种形状。因此，棱角性指标越大对应集料的性能越好。

AC—集料的形状比率；

L1—集料最小外接矩形长(mm);

L2—集料最小外接矩形宽(mm)。

集料的形状比率表征集料的轮廓形状特征。

根据IPP软件的统计计算结果，可得到不同种类集料的棱角性指标参数。棱角性反映单位均值上的离散程度，用于分析判断集料整体指标的波动情况，波动程度衡量集料指标数据的准确性。３种集料的质量技术指标如表 1所示。

表 1粗集料质量技术要求

3不同集料沥青混合料抗剪性能研究

3.1原材料与级配设计

为了更加直观地分析不同集料与特性对沥青混合料的抗剪性能[7]的影响，因此试验选用70#道路石油沥青，其技术指标见表 2。混合料级配均采用AC-13，级配曲线如图 3所示，在沥青混合料试验中，除粗集料外其他原材料和试验条件均相同，经马歇尔试验确定4.2%为最佳油石比。

表 2沥青技术指标

图 3 AC-13级配曲线

3.2棱角性对沥青混合料抗剪性能的影响

制备沥青混合料试件，每种集料成型2个试件，根据对沥青混合料抗剪切强度所做的大量研究结果[8],进行沥青混合料单轴压缩试验，棱角性对沥青混合料抗剪强度的试验结果如图 4所示。

图 4棱角性对混合料单轴贯入试验结果

由图 4可知，玄武岩沥青混合料的平均最大抗剪强度为3.255MPa，远远大于石灰岩沥青混合料。来源地不同的石灰岩沥青混合料平均最大抗剪强度分别为2.0225和2.383，两者相差0.3605MPa，对抗剪强度的影响不大。由此可知，集料类型对对沥青混合料的抗剪强度影响较大。

3.3等效圆周长比对沥青混合料抗剪性能的影响

为了比较石灰岩与玄武岩的等效圆周长比对混合料抗剪性能的影响，选择石灰岩1与玄武岩为研究对象，在沥青混合料配料完成之后后，抽样选取粒径在4.75mm以上的集料，采用2所述的方法和图像处理软件[9]求算单个粗集料的各种个体形状特征参数及其的总体平均值。获取各组集料的等效圆周长比参数以后，成型5个试件，进行单轴贯人试验，试验结果如表 3所示。等效圆周长比指标平均值与抗剪强度的相关性分析结果如图 5和图 6示。

表 3等效圆周长比与单轴贯入试验的结果

图 5 玄武岩的S平均值与抗剪强度的关系

图 6石灰岩1的S平均值与抗剪强度的关系

由图 5和图 6可知，等效圆周长比S与沥青混合料抗剪强度呈现一定的负线性相关性，由图可知，提高粗集料总体的S值对沥青混合料抗剪强度是不利的，因为粗集料的等效圆周长比越大，粗集料越接近于球形，从而导致混合料中集料相互嵌挤作用和内摩擦角减小，导致沥青混合料的抗剪强度降低。

比较图 5和图 6可知，石灰岩1和玄武岩的等效圆周长比S的大小关系为：石灰岩＞玄武岩，而且拟合方程系数石灰岩＜玄武岩，表明与玄武岩相比，石灰岩粗集料更加接近于球形，玄武岩沥青混合料的抗剪强度优于石灰岩沥青混合料。

4结论

（1）对于棱角性对沥青混合料的抗剪强度而言，玄武岩沥青混合料的抗剪强度比石灰岩的好；

（2）对于不用来源地的石灰岩，对沥青混合料的抗剪强度影响不大；

（3）等效圆周长比对沥青混合料抗剪强度的关系为：玄武岩＞石灰岩；

（4）玄武岩沥青混合料的抗剪强度优于石灰岩沥青混合料的抗剪强度。

参考文献：

[1]龚芳媛. 沥青混合料中粗集料数字化分类及其应用研究[D]. 长安大学, 2019.

[2]王文真, 申爱琴, 郭寅川, 等. 基于图像分析的粗集料形状特征参数及分布规律[J]. 公路交通科技, 2020, 37(1): 25-31.

[3]李嘉, 林辉. 基于数字图像处理的粗集料棱角性量化研究[J]. 公路交通科技, 2008(7): 27-31.

[4]张雄, 黄廷皓, 张永娟, 等. Image-Pro Plus混凝土孔结构图像分析方法[J]. 建筑材料学报, 2015, 18(1): 177-182.

[5]袁峻, 钱野. 粗集料形态特征及其对沥青混合料高温抗剪强度的影响[J]. 交通运输工程学报, 2011, 11(4): 17-22.

[6]秦雪. 基于图像分析的集料形状特征与分布特征研究[D]. 青岛理工大学, 2016.

[7]肖源杰, 蒯海东, 都敬丽. 粗集料形状特征对沥青混合料抗剪性能的影响[J]. 上海公路, 2006(3): 10-12+30+4.

[8]毕玉峰, 孙立军. 沥青混合料抗剪试验方法研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2005(8): 1036-1040.

[9]FERNLUND J M R. Image analysis method for determining 3-D shape of coarse aggregate[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(8): 1629-1637.

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