礦料/瀝青體系微細觀接觸摩擦效應對壓實特性的影響

宿金菲，栗培龍，朱 磊，董 超

(長安大學 道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室, 陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青混合料的壓實質量直接影響著瀝青路面的使用性能[1]。在壓實過程中，瀝青混合料由松散狀態(tài)逐漸過渡到高抗拉強度的黏聚態(tài)，顆粒之間的接觸點逐漸增多，顆粒之間的空隙逐漸減小。隨著壓實的完成，溫度恢復到常溫，瀝青混合料形成具有一定強度和承載能力的整體結構。國內外眾多學者一直致力于瀝青混合料壓實特性的研究。F. PéREZ-JIMéNEZ等[2]分析了垂直壓力、旋轉角和壓實溫度對壓實質量的影響；張爭奇等[3,4]根據壓實曲線提出用密實曲線平均斜率和壓實能量指數表征瀝青混合料的壓實特性；LIU Juanyu等[5]發(fā)現(xiàn)溫拌Sasobit改性技術可以降低瀝青混合料的拌和壓實溫度，并提高其工作性和高溫抗車轍性能；GAO Lei等[6]基于壓實曲線，采用控制變量法對冷再生瀝青混合料進行了CIR試驗；LI Peilong等[7-8]采用鐵粉裹覆及內嵌鋼釘指針等手段對特征礦料顆粒進行標記，對不同瀝青混合料進行分步壓實成型試驗，并提出顆?？臻g遷移指標和滾動指標等概念；JIA Jie等[9]采用振動壓實理論的模型探究瀝青混合料的變形特性，基于共振原理，建立了夯實/瀝青墊層交互的動態(tài)模型，以預測鋪筑過程瀝青混合料的壓實度；WANG Xue等[10]開發(fā)了一種可實時獲取瀝青路面內部壓實溫度的智能壓實技術，從而實現(xiàn)對壓實質量的實時控制。

壓實過程中，集料顆粒發(fā)生相對滑移和旋轉進而形成穩(wěn)定的結構，瀝青膠結料的存在對顆粒的滑移、摩擦等行為起到了潤滑效應。越來越多的學者從宏觀試驗轉入從微細觀水平探究顆粒間的接觸特性，以揭示瀝青混合料的壓實機理。M.HASKETT等[11]分析了瀝青混合料剪切界面的摩擦作用力以及顆粒之間的嵌鎖行為；MIAO Yinghao等[12]采用離散元數值模擬技術分析了瀝青混合料的骨架結構，計算了顆粒間的平均接觸數和相互作用力；HU Jing等13]采用工業(yè)CT 掃描結合數字圖像處理技術實現(xiàn)了瀝青混合料的三維重建，并探究了壓實功與空隙率之間的關系；SHI Liwan等[14]分析了瀝青混合料的細觀力學響應并計算了混合料內部接觸點的數量；LIU Yu[15]采用數值模擬技術構建了瀝青混合料的黏彈性力學模型，并探究了AC類瀝青混合料內部微觀交互作用。

瀝青混合料是由瀝青、集料和空隙組成的多相顆粒性材料，對瀝青混合料在壓實過程中的微細觀作用行為缺乏深入的認識。筆者采用自主開發(fā)的礦料接觸試驗儀和界面接觸滑移試驗裝置探究顆粒系統(tǒng)和瀝青混合料的接觸特性，探究顆粒接觸特性與壓實特性之間的關系，并基于顆粒的接觸效應探究不同因素對瀝青混合料壓實特性的影響。研究成果有利于揭示壓實機理，為瀝青混合料的級配設計、確定最佳瀝青用量以及壓實溫度提供理論基礎。

1 原材料

試驗研究中選取陜西某地石灰?guī)r作為試驗原材料，集料的相對密度如表1。參照JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》相關要求對殼牌90# 瀝青進行測試，試驗結果如表2。拌制AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和OGFC-13 共5種瀝青混合料所用礦料級配如表3。

表1 集料的相對密度Table 1 Relative density of aggregates

表2 瀝青的技術性質Table 2 Technical properties of asphalt

表3 混合料級配Table 3 Aggregate gradations

2 試驗方法

2.1 接觸滑移試驗

為了研究礦質集料顆粒間的接觸特性，筆者采用了自主研發(fā)的“礦質集料接觸滑移試驗儀”，如圖1。該試驗儀主要由3個可滑動試驗腔體嵌套形成復合結構，礦質集料分別填充于3個腔體中，形成兩個宏觀的滑動面。顆粒系統(tǒng)在滑移過程中不斷地進行重組、調整，在試驗行程內會出現(xiàn)一個最佳穩(wěn)定狀態(tài)。顆粒接觸效應強烈，導致需要施加更大的拉力來破壞這種穩(wěn)定狀態(tài)，從而產生了最大滑移作用力。試驗時，采用“等量分裝”的方法將集料裝入試驗儀以降低級配顆粒混合料的離析現(xiàn)象，并采用MTS萬能試驗機以標準試驗速率10 mm/min、試驗行程80 mm對試驗儀進行加載，然后對施加的拉力進行采樣，獲得接觸滑移曲線，如圖2。采用最大滑移作用力Fm評價顆粒系統(tǒng)的接觸特性，計算方法如式(1):

Fm=max(Fi)

(1)

式中：Fi為各采樣點的作用力大小。

圖1 礦質集料接觸滑移試驗儀Fig. 1 Mineral aggregate contact slip tester

圖2 典型接觸曲線Fig. 2 Typical contact curve

筆者采用自主開發(fā)的“界面接觸滑移試驗裝置”探究瀝青混合料的顆粒接觸特性，如圖3。其原理是通過控制加載壓頭直徑與支撐環(huán)內徑的大小使瀝青混合料試件在MTS的作用下沿著一定斜面發(fā)生剪切破壞。加載壓頭和支撐環(huán)內徑的尺寸分別為28.5、80 mm。試驗溫度為60 ℃，試驗速率為5 mm/min。采用最大滑移剪應力τsl評價接觸滑移面上瀝青混合料克服剪切滑移破壞的能力，如式(2)：

(1)

式中：Fm為最大荷載；S為錐形界面剪切面面積。

圖3 界面接觸滑移試驗裝置Fig. 3 Interface contact slip tester

2.2 旋轉壓實試驗

旋轉壓實儀通過對試件施加豎向壓力實現(xiàn)試件體積上的密實，而且通過控制旋轉角使瀝青混合料受到剪切作用，能較好地模擬實際路面攤鋪后進行壓實的密實過程[16-17]。旋轉壓實儀的旋轉角為1.15°，垂直壓力為600 kPa，旋轉速率為30 r/min。根據瀝青的黏溫曲線確定瀝青混合料的最佳拌和與壓實溫度。試驗結束后，將壓實次數以及對應的壓實高度導入計算機中進行數據處理，獲取不同壓實次數下的密實度，比如式(2)：

(2)

式中：hdes和γdes分別為達到壓實次數時的試件高度和密實度；hx和γx分別為某一壓實次數下的試件高度和密實度比。

以壓實次數為橫坐標，密實度比為縱坐標繪制壓實曲線，如圖4。

圖4 旋轉壓實密實曲線Fig. 4 Gyratory compactor densification curves

為研究瀝青混合料旋轉壓實過程中的壓實特性，根據現(xiàn)有研究成果[3,18]，提出密實曲線平均斜率K1、K2、密實能量指數CEI共3個指標來表征瀝青混合料的在壓實階段所具有的壓實特性。K1評價混合料從初始狀態(tài)壓實至4%空隙率過程中顆粒的嵌擠效應；K1越大混合料的可壓實性越好。K2評價混合料從空隙率4%壓實到2%的難易程度；K2越小，混合料壓實成型后接觸效應越好，抗剪變形能力越好，路面抗車轍能力越強。CEI將混合料從初始狀態(tài)壓實至目標壓實度(96%)所需的能量；CEI值越大說明瀝青混合料越難以壓實，所需壓實功越多。3個指標的計算方式如式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

3 結果與討論

3.1 礦料接觸摩擦效應對壓實特性的影響

選擇AC-13、SMA-13和OFGC-13共3種顆粒系統(tǒng)進行礦料接觸試驗，然后分別采用橡膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和高黏度改性瀝青拌制瀝青混合料，通過旋轉壓實儀成型試件。試驗結果如圖5。

圖5 不同級配類型的參數對比Fig. 5 Comparison of parameters of different grading types

由圖5可知，SMA-13的K1最大、CEI最小，而OGFC-13的K1最小、CEI最大。這說明SMA-13的可壓實性最好，在壓實過程中達到目標壓實度所需的能量最少。AC-13顆粒間的Fm小于SMA-13，但SMA-13的可壓實性卻比AC-13好。其原因在于Fm表征的是顆粒系統(tǒng)內部顆粒間的接觸特性，AC-13和SMA-13的Fm相差不大，但SMA-13顆粒系統(tǒng)中粗集料的數量比AC-13多，瀝青對粗集料的潤滑效應更強，因此松散態(tài)AC-13瀝青混合料的接觸強度大于SMA-13。OGFC-13顆粒系統(tǒng)的Fm顯著大于AC-13和SMA-13，在加入瀝青后，顆粒間的接觸、滑移效應依然非常顯著。因此OGFC-13的工作性最差，SMA-13的工作性最好。

由圖5可知，對于K2來說，OGFC-13

采用AC-13、AC-16和 AC-20探究公稱最大粒徑(NMAS)對瀝青混合料壓實特性的影響。壓實指標和顆粒接觸指標隨公稱最大粒徑的變化如圖6。

圖6 不同公稱最大粒徑瀝青混合料的參數對比Fig. 6 Comparison of parameters of asphalt mixture withdifferent nominal maximum particle sizes

由圖6可知，K1隨公稱最大粒徑的增大而減小，CEI隨公稱最大粒徑的增大而增大。這說明公稱最大粒徑越大，瀝青混合料的工作性越差。公稱最大粒徑決定了顆粒系統(tǒng)中粗集料粒徑的大小，并且決定了粗細集料的比例和骨架結構穩(wěn)定性。對于顆粒系統(tǒng)來說，公稱最大粒徑越大，相對應的顆粒系統(tǒng)中粗集料的數量越多，細集料的數量越少。細集料對粗集料的接觸起潤滑作用，不利于顆粒系統(tǒng)形成穩(wěn)定的骨架結構，而且較多的粗集料會導致滑動面上粗顆粒發(fā)生接觸、摩擦、滑移的概率增大。因此AC-20顆粒系統(tǒng)的接觸作用大于AC-13和AC-16。

AC類瀝青混合料壓實后屬于密實懸浮結構。雖然其粗集料少而細集料多使得粗集料懸浮于瀝青膠漿中，然而公稱最大粒徑越大，粗集料間的接觸距離越短且接觸概率越大，因此壓實成型后AC-20瀝青混合料中顆粒的接觸效應依然最強烈。雖然瀝青對粗集料的潤滑效應更顯著，但AC-20瀝青混合料中粗集料的數量僅相對AC-13和AC-16較多，并未達到OGFC-13中粗集料的水平，因此由潤滑效應導致的接觸強度差異不大。所以AC-20瀝青混合料的抗滑移變形能力最強。由圖6可知，AC-20瀝青混合料對應的K2最大。K2代表開放交通后瀝青路面的密實特性，K2越大，抵抗車轍能力越差。這說明對于評價壓實成型后瀝青路面的壓實特性，τsl比K2更準確、有效。

3.2 瀝青的黏結潤滑效應對壓實特性的影響

瀝青結合料具有強烈的感溫性，在不同的條件下在礦料界面具有黏結/潤滑雙重效應。在瀝青混合料的拌和、攤鋪和壓實過程中，礦料/瀝青體系在瀝青的黏結潤滑作用下需要克服集料顆粒的接觸、摩擦效應，通過顆粒的遷移實現(xiàn)結構自組織，從而達到穩(wěn)定狀態(tài)。為了探究瀝青的黏結潤滑效應對瀝青混合料壓實特性的影響，在不同瀝青用量、不同壓實溫度下展開試驗研究。不同瀝青用量下，壓實特性指標K1、K2和CEI與接觸指標τsl的相關性如圖7。

圖7 接觸摩擦效應與壓實特性的比較Fig. 7 Comparison between contact friction effect andcompaction characteristics

由圖7可知，τsl與K2的相關性最好，相關系數為0.962 74；τsl與CEI的相關性最差，相關系數為0.776 90。這說明可以通過自行開發(fā)的接觸滑移裝置測得的τsl預測開放交通后瀝青混合料的壓實特性。壓實特性和接觸參數隨瀝青用量的變化如圖8。

圖8 不同瀝青用量的參數對比Fig. 8 Parameter comparison of different asphalt dosage

由圖8可知，K1隨瀝青用量的增大而增大，CEI隨瀝青用量的增大而減小。這說明瀝青用量越大，瀝青混合料的可壓實性越好，所需要的壓實能量越少。在140 ℃的壓實溫度下，瀝青體系中潤滑基團的比例大于黏結基團，松散態(tài)AC-13瀝青混合料的最佳瀝青用量小于4.3%。隨著瀝青用量的增大，顆粒系統(tǒng)中顆粒間自由瀝青的厚度逐漸增加，這對顆粒間的接觸起潤滑作用，而且會增大顆粒之間的接觸距離，極大地影響瀝青混合料的接觸作用。因此K1和CEI不僅隨瀝青用量的增加分別呈上升和下降趨勢，而且變化程度較大。

由圖8可知，K2隨瀝青用量的增大而增大，τsl雖呈下降趨勢，但在成型態(tài)最佳瀝青用量為4.3%處達到最大。當瀝青用量小于4.3%時，裹覆在顆粒表面的瀝青膜厚度小于瀝青與集料交互作用形成的最大黏結力對應的膜厚；當瀝青用量超過4.3% 時，除了裹敷在礦料顆粒表面的結構瀝青之外，自由瀝青逐漸形成且填充在礦料顆粒體系所形成的骨架結構中。因此瀝青混合料的抗滑移變形能力在4.3% 時最大，這也與對瀝青混合料的宏觀抗剪能力的認知相符。在探究不同的瀝青用量對瀝青混合料壓實特性的影響時，K2有一定的局限性，不能完全用于評價開放交通后瀝青路面的抗滑移變形能力。

不同壓實溫度下的壓實參數和接觸指標如圖9。

圖9 不同壓實溫度的參數對比Fig. 9 Parameter comparison of different compaction temperatures

由圖9可知，隨著溫度的升高，K1和K2逐漸增大，CEI逐漸降低。溫度越高，瀝青的流動性越好，對顆粒系統(tǒng)的潤滑效應越顯著。因此壓實混合料需要克服的阻力逐漸減小，工作性變好且所需的壓實能量減小。τsl隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。瀝青混合料的力學強度主要取決于顆粒之間的接觸、摩擦作用以及瀝青與集料之間的黏結力。壓實溫度越高，瀝青混合料被壓得越密實。但當溫度超過最佳壓實溫度時，在壓實功的作用下，瀝青會被擠出而形成自有瀝青，從而導致空隙率下降，瀝青混合料的抗剪切滑移能力降低。由圖9可知，表征開放交通后瀝青混合料抗剪能力的K2隨壓實溫度的升高而增大，這也進一步驗證了K2雖然可以有效評價顆粒系統(tǒng)對壓實特性的影響，但對于瀝青的影響則存在局限性。經過筆者的研究，可采用來τsl評價開放交通后瀝青混合料的壓實特性。

4 結 論

筆者采用由旋轉壓實儀計算得到的密實曲線平均斜率K1、K2和壓實能量指數標CEI表征瀝青混合料的壓實特性。通過自主研發(fā)的礦料接觸試驗儀和界面剪切滑移試驗裝置評價顆粒系統(tǒng)和瀝青混合料內部顆粒的接觸特性?；陬w粒接觸特性從微細觀水平探究了顆粒和瀝青對壓實特性的影響。

OGFC-13顆粒系統(tǒng)中含有較多的粗集料，壓實顆粒間的接觸作用比較強烈，其工作性比SMA-13和AC-13差，開放交通后抗滑移變性能力最好，但高溫穩(wěn)定性不如SMA-13。公稱最大粒徑越大，粗集料接觸的概率越大，從而容易形成穩(wěn)定的骨架結構。與AC-13和AC-16相比，AC-20的可壓實性最差但結構穩(wěn)定性最好。

瀝青用量增加會增大顆粒間的接觸距離，溫度升高會導致瀝青體系內潤滑基團的比例上升，從而導致瀝青混合料工作性變好且所需的壓實能量減小。K2在評價瀝青對壓實特性的影響上有一定的局限性，壓實特性指標與最大滑移剪應力的相關性較好，可采用最大滑移剪應力來表征開放交通后瀝青混合料的壓實特性。