任天琦，張海濤，張雪芹，孫俊鋒

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

顆粒級配、瀝青用量、溫度和試件成型方式等多種因素影響瀝青混合料本身的力學性能和細觀結(jié)構(gòu)。不同成型方式使瀝青混合料的顆粒分布不同，進而導致孔隙分布不同，使其性能產(chǎn)生變化。擊實成型方法是在瀝青混合料上層進行沖擊，將試件壓實，但是這種方法往往導致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而旋轉(zhuǎn)壓實成型方法能大量減少瀝青混合料在壓實過程中產(chǎn)生的集料破壞，并且提供更大的壓實功。因此，研究不同成型方法對瀝青混合料路用性能和空隙結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義[1]。

旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件能夠較好地模擬實際路面的體積指標[2]。易富等[3]認為旋轉(zhuǎn)壓實方法更符合實際，并且旋轉(zhuǎn)壓實成型得到的瀝青混合料比馬歇爾擊實成型得到的瀝青混合料更加均勻。周杰等[4]以通遼—魯北公路作為實例，得出旋轉(zhuǎn)壓實得到的試件毛體積密度較大,空隙率和礦料間隙率較小，瀝青飽和度較大。柴金玲等[5]的試驗結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)壓實法成型的試件在高溫性能和抗水損壞能力上比較優(yōu)秀，謝銀博等[6]采用CT掃描技術(shù)確定了實驗過程中的瀝青混合料的空隙內(nèi)部變化過程。顏川奇等[7]分析了面空隙平均周長、面空隙等效半徑、面空隙數(shù)量、面空隙率間的區(qū)別與聯(lián)系,并對被掃描試件的空隙結(jié)構(gòu)進行了三維重構(gòu)。楊瑞華等[8]認為骨架密實型的SAC瀝青混合料采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實100次成型設(shè)計,會得到較好的綜合路用性能。何兆益等[9]認為旋轉(zhuǎn)壓實可以通過控制次數(shù)來控制目標壓實度。有關(guān)專家研究了不同的壓實方法對馬歇爾法和高性能瀝青路面(Superior Performing Asphalt Pavement，Superpave)法骨料級配的影響[10-15]，結(jié)果表明，雖然Superpave密實方法對級配的影響一般小于馬歇爾沖擊密實方法對級配的影響，但是這2種方法對粗、中、細集料的影響各不相同。馬歇爾壓實對粗骨料級配和細骨料級配的影響較大，Superpave壓實對細骨料級配的影響較大，但是兩者對中等骨料級配的影響都較小。

基于空隙參數(shù)特征對瀝青混合料路用性能的重要影響，本研究從力學性能和細觀結(jié)構(gòu)方面，分別對AC-16(粗集料最大公稱粒徑為16 mm碎石的中粒式瀝青混凝土，級配連續(xù))、SUP-16(粗集料最大公稱粒徑為16 mm碎石的中粒式瀝青混凝土，連續(xù)級配但有禁區(qū))和PAC-13(粗集料最大公稱粒徑為13 mm碎石的瀝青混凝土，開級配)的瀝青混合料進行了馬歇爾擊實和旋轉(zhuǎn)壓實分析。采用空隙圖像識別(PCAS)和斷面掃描(Matlab)的圖像處理方法，計算得到其空隙參數(shù)。進而比較分析2種成型方法下不同混合料類型的路用性能和空隙參數(shù)的變化規(guī)律。以期為工程實踐和試驗室壓實方法的選擇提供新的途徑和參考。

1 材料設(shè)計與試驗方案

1.1 材料設(shè)計

1.1.1 瀝青

試驗采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青(特1-C)，符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，其技術(shù)指標見表1。

表1 SBS改性瀝青(特1-C)的技術(shù)指標

1.1.2 集料

試驗中使用的集料均符合“《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)”中瀝青混合料用粗、細集料的質(zhì)量技術(shù)要求。其具體技術(shù)指標見表2。

表2 集料技術(shù)指標Tab.2 Technical index of aggregate %

1.1.3 瀝青混合料的配合比設(shè)計

集料級配見表3。對AC-16、SUP-16、PAC-13瀝青混合料進行配合比設(shè)計，其中，AC-16的最佳瀝青用量為5.0%[16]，SUP-16為4.7%，PAC-13為5.2%。

表3 集料級配(通過不同篩孔的質(zhì)量百分率)

1.2 試驗方案

為了研究不同成型方法對瀝青混合料路用性能的影響，采用自行改裝的圓形車轍試驗模具[17]，通過馬歇爾擊實和旋轉(zhuǎn)壓實2種成型方法，進行瀝青混合料的配合比設(shè)計，并選取AC-16、SUP-16以及PAC-13瀝青混合料作為對比研究。試驗裝置如圖1所示。其原理是在標準的車轍試驗模具上澆筑水泥，使其中間留下能放置旋轉(zhuǎn)壓實成型試件或擊實成型試件的空隙。待其凝結(jié)后，通過切割等手段將試件高度切割成與車轍模具相同的高度，再進行相應的車轍試驗。試驗前，試件AC-16和SUP-16的擊實次數(shù)為雙面75次，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為100次；PAC-13的擊實次數(shù)為50次，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為80次[11-12]。在試件成型過程中通過控制溫度等因素來確保只有成型方式這一變量。

圖1 車轍實驗自制模具Fig.1 Rut test self-made mold

在試件成型后，通過高、低溫性能和水穩(wěn)定性能進行路用性能的對比分析，研究2種成型方法之間的差異性。同時，對2種成型方式下的瀝青混合料試件進行斷面掃描和空隙圖像識別(PCAS)，以混合料內(nèi)部空隙參數(shù)作為評價指標，分析不同成型方法對瀝青混合料空隙特征的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同成型方法對路用性能的影響

2.1.1 不同成型方法對瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響

車轍試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在瀝青混合料試件同一成型條件下，其動穩(wěn)定度由大到小依次為：AC-16、SUP-16、PAC-13。旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的動穩(wěn)定度均高于馬歇爾擊實成型試件，其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的動穩(wěn)定度較擊實成型試件提高了25%，SUP-16提高了21%，PAC-13提高了31%。這是因為在瀝青混合料試件成型過程中，旋轉(zhuǎn)壓實儀更加全面、多方位地將集料與瀝青結(jié)合起來，瀝青包裹集料后，兩者間的嵌合更加緊密，瀝青混合料的骨架更加密實，因此旋轉(zhuǎn)壓實條件下，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更好。

圖2 不同成型方法瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果Fig.2 Rutting test results of asphalt mixtures with different forming methods

2.1.2 不同成型方法對瀝青混合料低溫彎曲性能的影響

采用半圓彎曲試件測定瀝青混合料的低溫彎曲性能，彎曲試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，同一試件成型條件下，AC-16的低溫性能最好，SUP-16次之，PAC-13最差。這是因為AC-16內(nèi)部充斥著大量的礦粉和瀝青，形成了膠漿，在低溫下具有較好的延展性，具有較大的抗彎拉強度和彎拉應變。對于PAC結(jié)構(gòu)類型而言，較多的空隙使其低溫性能有所降低。在2種瀝青混合料試件成型條件下，旋轉(zhuǎn)成型試件的抗彎拉強度均高于擊實成型試件。其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的抗彎拉強度較擊實成型試件提高了40%，SUP-16提高了29%，PAC-13提高了53%。這是因為旋轉(zhuǎn)壓實成型的方法，使得瀝青混合料集料與瀝青之間在成型時更加靠近，瀝青混合料的骨架比擊實成型的瀝青混合料骨架更加密實。因此在瀝青混合料的低溫性能上表現(xiàn)為抗彎拉強度更高。而對于排水瀝青混合料而言，不同的成型方式對其低溫性能影響更大。這是因為在同一級配條件下，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的空隙更低,其結(jié)構(gòu)強度更高，因此其低溫抗裂性更好。

圖3 不同成型方式瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果Fig.3 Low temperature bending test results of asphalt mixture with different forming methods

2.1.3 不同成型方法對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

瀝青混合料浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，同一試件成型條件下，AC-16和SUP-16的凍融劈裂強度比大于PAC-13。這是因為PAC結(jié)構(gòu)類型易遭受水損壞，而AC-16和SUP-16的密實度較高，不易遭受水損壞。2種試件成型條件下，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的凍融劈裂強度均高于擊實成型試件。其中，AC-16旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的凍融劈裂強度較擊實成型試件提高了4%，SUP-16提高了1.7%，PAC-13提高了7.5%。這是由于在旋轉(zhuǎn)壓實成型的影響下，瀝青混合料內(nèi)部瀝青和集料相互之間的黏結(jié)比擊實成型條件的更強，骨架更加密實、緊湊，在瀝青混合料的水穩(wěn)定性上表現(xiàn)為劈裂強度更高。同時，對于排水瀝青混合料而言，在旋轉(zhuǎn)壓實的作用下，瀝青混合料之間的空隙更小，其結(jié)構(gòu)強度更高，更加穩(wěn)定，因此其劈裂強度更好。

圖4 不同成型方式對凍融劈裂強度的影響

2.2 不同成型方法對細觀結(jié)構(gòu)特征的影響

2.2.1 數(shù)字圖像處理

將試驗中制作的2種成型方式生成的瀝青混合料進行豎向切割實驗，得到瀝青混合料的縱斷面。再對縱斷面進行掃描，獲得其縱向切面圖像。再用PCAS軟件對瀝青混合料縱斷面進行孔隙識別。處理后的斷面空隙如圖5所示[17]。

圖5 PCAS處理前后斷面空隙圖Fig.5 Section void diagram before and after PCAS treatment

2.2.2 細觀結(jié)構(gòu)特征分析

(1)內(nèi)部空隙參數(shù)分析

瀝青混合料斷面細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字處理結(jié)果見表4。

表4 不同類型試件的空隙率、空隙數(shù)量與面積空隙度Tab.4 Voidage, number of voids and area voidage of different types of specimens

空隙率數(shù)據(jù)分析表明，旋轉(zhuǎn)壓實成型的AC-16試件的空隙率比擊實成型的空隙率從4.25%減少到了3.51%；旋轉(zhuǎn)壓實成型SUP-16試件的空隙率比擊實成型的空隙率從4.69%減少到了4.09%；旋轉(zhuǎn)壓實成型的PAC-13試件的空隙率比擊實成型的空隙率從20.83%減少到了19.35%。因而，旋轉(zhuǎn)壓實成型方法可以在一定程度上降低混合料的空隙率。旋轉(zhuǎn)壓實成型的AC-16、SUP-16和PAC-13試件的空隙數(shù)量相比擊實試件而言，其空隙數(shù)量從25、17和49個下降到了12、6和26個。所以，旋轉(zhuǎn)壓實成型方式可以有效減少空隙數(shù)量。

面積空隙度是指空隙面積占總面積的百分數(shù)，用來對縱斷面進行分析。面積空隙度數(shù)據(jù)分析表明，對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，擊實成型試件的面積空隙度從3.39%、3.71%和11.98%下降到了旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的1.92%、0.26%和3.36%，分別減少了1.47%、3.45%和8.62%。因此。旋轉(zhuǎn)壓實成型方式可以在縱斷面上有效地減小面積空隙度。

(2)空隙長度、寬度分析

空隙的平均長度和寬度是影響空隙的主要因素之一?？障兜男螤罡鞣N各樣，大致可以分為圓形和長條形這2種類型。對于長條形空隙來說，空隙的長度和寬度就顯得至關(guān)重要。無論是瀝青混合料的橫向空隙還是豎向空隙，都會影響其本身的性能?？障兜拈L度越長，寬度越小，會導致其受力時產(chǎn)生的裂隙越大，瀝青混合料越容易開裂，路用性能越差。通過對試件進行PCAS處理后得到空隙的平均長度和寬度，來分析2種成型方式的區(qū)別。不同級配的平均長度與平均寬度如圖6所示。

圖6 不同級配空隙的平均長度與平均寬度Fig.6 Average length and mean width of different grades

瀝青混合料的空隙長度、寬度在一定程度上受成型方式的影響[19]。對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，旋轉(zhuǎn)壓實試件的平均長度比擊實試件的平均長度減小了11.33%、0.24%、20.49%，平均寬度減小了7.94%、1.54%、20.42%，見表5。從表5的數(shù)據(jù)和圖5中可以看出，旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料空隙比擊實成型的瀝青混合料少，并且旋轉(zhuǎn)壓實可以很明顯改善瀝青混合料的空隙情況。因此，對于瀝青混合料來說，由于其成型方式的不同，導致其內(nèi)部空隙不同，旋轉(zhuǎn)壓實試件由于在成型時更加緊實，相比較擊實試件而言其內(nèi)部空隙長度、寬度更小，面積空隙度更低，抗破壞能力更強。

表5 擊實試件與旋轉(zhuǎn)壓實試件內(nèi)部空隙數(shù)據(jù)Tab.5 Internal void data of compacted and gyratory compacted specimens

(3)空隙面積、周長分析

空隙的平均面積和周長也是影響瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的主要因素之一。對于圓形空隙來說，周長和面積是關(guān)鍵的影響因素。空隙面積越大，周長越大，空隙越長，進而降低了瀝青混合料的顆粒內(nèi)部密集程度，在宏觀上就表現(xiàn)為更容易破裂。不同級配的平均面積與平均周長如圖7所示。

圖7 不同級配的平均面積與平均周長Fig.7 Mean area and average circumference of different grades

對AC-16、SUP-16和PAC-13這3種級配來說，旋轉(zhuǎn)壓實成型的平均空隙面積分別比擊實成型的平均空隙面積減小了13.12%、15.81%、47.52%，平均周長減小了12.21%、10.79%、16.01%，見表5。從表5的數(shù)據(jù)和圖5的斷面圖可以看出，旋轉(zhuǎn)壓實成型方式可以明顯地改善試件中的空隙情況，無論是空隙周長還是面積，相比擊實成型方式而言都大大減少，這可以表示旋轉(zhuǎn)壓實可以使試件內(nèi)部的集料分布得更加均勻。隨著空隙情況的改善，面積空隙度的下降，在宏觀上就表現(xiàn)為各項路用性能更強。

(4)空隙分形維數(shù)分析

分形維數(shù)是通過分形來表征不規(guī)則事物的內(nèi)在規(guī)律的程度，一般用來描述復雜形體的不規(guī)則性的量度，數(shù)值越小，則表示該物體的形狀越規(guī)則，數(shù)值越大，表明其形狀越復雜。其表達式為

lnP=C+ (D/2)×lnA。

式中：P表示形體周長；A表示面積；C為常數(shù)；D為不規(guī)則圖形邊界線的分形維數(shù)[20]。

不同類型試件的空隙分形維數(shù)如圖8所示。由圖8可以看出，無論是AC-16、SUP-16還是PAC-13試件，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的空隙分形維數(shù)都要比擊實成型試件的空隙分形維數(shù)要小?？障斗中尉S數(shù)小，則證明旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的空隙形狀更規(guī)則，內(nèi)部空隙更少，面積空隙度更低，更加密實，性能更強。分析其原因可能是因為在相同的級配下，試件在成型過程中大粒徑顆粒先形成骨架，然后細集料在內(nèi)部壓實的作用下填充內(nèi)部空隙。旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件相對于擊實成型的試件來說，在成型過程中由于底座會以一定角度旋轉(zhuǎn)，會使集料產(chǎn)生細微變化，整個試件既受豎直方向上的壓力也受水平方向上的剪力，使整個試件整體受力更加均勻，細集料能更好地填充內(nèi)部空隙。

圖8 不同級配的空隙分形維數(shù)Fig.8 Void fractal dimension of different grades

(5)整體空隙結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖5的斷面圖，通過軟件分析可以得到不同試件的內(nèi)部空隙數(shù)據(jù)(表5)。從而可以看出，無論是馬歇爾擊實試件還是旋轉(zhuǎn)壓實試件，上側(cè)下側(cè)的空隙都要比中間的空隙多，呈現(xiàn)中間少上下多的分布形式。另外旋轉(zhuǎn)壓實試件的空隙明顯要更加均勻，而馬歇爾擊實試件空隙形狀更不規(guī)則，孔隙更多。究其原因，可能是因為馬歇爾擊實試件在從松散到緊實的過程中，先形成了外部骨架，然后在內(nèi)部細集料填充進去，所以會導致內(nèi)部空隙分布不均勻，空隙較多。而旋轉(zhuǎn)壓實試件在形成過程中由于旋轉(zhuǎn)的作用，導致在形成過程中細集料填充與骨架成型同時進行，使得內(nèi)部空隙更加均勻，空隙更少。

旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料有著相對于擊實成型的瀝青混合料更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這是因為擊實成型的瀝青混合料在擊實成型時只是簡單地將瀝青混合料上下壓實，在壓實過程中，集料相互之間的位置已經(jīng)基本固定，導致?lián)魧崟r除了將粗集料擊碎以外，不會產(chǎn)生位置間的相互移動。而旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料在成型時，由于旋轉(zhuǎn)壓實儀內(nèi)部的底座在實驗時會以一定的角度進行旋轉(zhuǎn)，因此會導致在集料相互擠壓過程中產(chǎn)生微小的相對移動，使集料相互之間發(fā)生細小的位移變化，從而形成更加密實的結(jié)構(gòu)。在圖5中不同成型方式的斷面掃描圖中可以看出來，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的空隙數(shù)量比擊實成型試件的空隙數(shù)量少得多。

3 結(jié)論

(1)不同成型方法對瀝青混合料路用性能有著明顯的影響。無論是試件AC-16、SUP-16，還是試件PAC-13，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能都比擊實成型試件更好。相對于擊實成型試件而言，旋轉(zhuǎn)壓實試件斷面的空隙更少、結(jié)構(gòu)更密實、密度更大，水分更難以進入瀝青混合料空隙中，從而增大了瀝青混合料的強度和集料的黏結(jié)性。

(2)旋轉(zhuǎn)壓實可以明顯改善瀝青混合料的空隙情況。相比較擊實成型試件來說，旋轉(zhuǎn)壓實試件的各個斷面空隙數(shù)據(jù)均有不同程度的減小，對于多孔瀝青混合料來說更為明顯。

(3)對AC-16、SUP-16和PAC-13瀝青混合料試件來說，擊實和旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料空隙都呈現(xiàn)出中間少、上下多的分布形式，并且旋轉(zhuǎn)壓實使瀝青混合料內(nèi)部空隙更加均勻，空隙率相對更少。旋轉(zhuǎn)壓實成型可以改善瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布，無論是密集配瀝青混合料還是多孔瀝青混合料，其內(nèi)部的空隙都有明顯的減少，并且對多孔瀝青混合料的影響相對來說比較大。

(4)細觀結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料試件在壓實過程中，會因為旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生錯動，從而導致集料分布更加均勻，空隙更加合理，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因此，旋轉(zhuǎn)壓實試件的路用性能比擊實成型試件的路用性能好。