沥青混合料中矿料组成特征及其性能 研究综述

王文涛，宋萍萍，苗英豪

（北京工业大学 交通工程北京市重点实验室，北京 100124）

摘  要：介绍了国内外的研究人员利用数字图像处理技术，构建的许多描述集料颗粒形态的方法和指标，以及对集料颗粒形态特征的有效评价。在对矿料组成特征的描述中，基于试验的体积法仍是当前的主要手段，矿料组成的理论模型鲜有报道，认为矿料组成特性及其性能的评价可以改善沥青混合料性能的控制和优化。

关键词：道路；沥青混合料；集料颗粒形态；矿料级配设计方法；性能评价

中图分类号：U414.1          文献标志码：A      文章编号：1009-7767（2014）01-0146-05

 

    沥青混合料是一种复合材料，它由沥青、矿物集料及外掺剂组成。其中矿料占到沥青混合料质量的90%以上。矿料颗粒的几何特性及其在混合料中的结构形态直接影响着沥青混合料的性能。许多研究表明^[1-4]，矿料颗粒的形态特性是矿料性能的重要影响因素。传统的矿料颗粒形态评价指标主要包括细集料棱角性以及粗集料颗粒破碎面、针片状含量等。矿料组成主要靠级配来评价。然而传统的矿料特征与沥青混合料性能的联系并不十分紧密，仍存在改进的余地。近年来，随着测试分析手段的改进，围绕矿料颗粒形态及组成特征的研究取得了长足进展，也有研究人员试图通过对矿料性能的评价，预估、控制沥青混合料的性能。笔者拟从集料颗粒形态、矿料组成特征、矿料性能评价等方面入手，对相关研究现状进行回顾。

1 集料颗粒形态特征评价方法

    传统的颗粒形态分析方法可分为直接法和间接法。直接法即通过直接测量集料颗粒的形状特征进行描述说明的方法，主要用于粗集料的描述，如针片状含量、粗集料破碎颗粒百分比等。间接法通过测量集料颗粒堆积的整体宏观性质，间接表征集料颗粒形状特征，既用于粗集料也用于细集料，如集料未压实孔隙率测试法、间隙率法、流动时间法、直接剪切试验法等。随着科技水平的进步，计算机图像处理技术逐渐应用到工程材料领域，为集料颗粒特征的描述提供了更为直接、细致的量测方法。

1.1 集料颗粒形态数据的采集 

    集料颗粒形态数据的采集主要通过照相、扫描或摄像系统获取数据信息。根据采集数据原理的不同，可主要分为3种不同的方法：利用单个或多个CCD的照相摄影方法；X-射线断层扫描方法；激光扫描方法。有些研究人员开发了一些专门用于集料形态数据采集的试验系统，主要有：1）Weingart等人^[5]于1999年开发的VDG-40视频；2）Kim等人^[6]于2001年开发的集料激光分析系统（LASS）；3）Tyler等人^[7]于2001年开发的集料颗粒电子分析系统（CPA）；4）Rao^[8]于2001年开发的集料图像分析仪（UIAIA）；5）Masad^[9]于2003年开发的集料图像分析仪（AIMS）。

    这些试验方法和试验系统为集料颗粒形态的精细测试提供了必要手段。

1.2 基于数字图像的特征分析 

    在集料颗粒形态数据采集的基础上，国内外研究人员利用多种方法，构建了许多定量描述集料颗粒形态特征的评价指标。

1.2.1轮廓特征法 

    该方法通过刻画集料颗粒二维轮廓特征来描述其形态。方法形式简单、意义明确，应用比较广泛。除了直接使用颗粒尺寸描述颗粒特征外，颗粒的投影面积、截面积、表面积、体积等与颗粒特征之间的关系也被用来描述其形状特性。其常用的指标有圆度、扁平率、纵横比、轴向系数、粗糙度、棱角性指数、形状因子、二维形状指标、球形度等指标。

1.2.2傅里叶分析法 

    傅里叶分析是一种数学分析方法^[10]，集料的每个剖面，都可以定义为：

 。

式中：a_m、b_m为振幅；m为频率。

    振幅和频率可以用来评价集料颗粒的形状、棱角性和表面纹理。大振幅低频率与颗粒形状相对应，小振幅高频率与棱角性和纹理相对应。

L.B.Wang等人^[10]分析表明，该方法能很好的表征颗粒的形状、棱角性和纹理。胡江萍^[11]将其与体视学方法相结合，获得了纵横比、形状系数、块度、粗糙度和纹理等指标。Wettimuny等人^[12]在此基础上提出了形状因子SF和粗糙度因子RF等指标。

1.2.3侵蚀-膨胀技术法 

    在刻画颗粒二维形态图像的基础上，利用侵蚀-膨胀技术^[13-15]可以获取集料棱角和表面纹理等信息。侵蚀-膨胀是一种图像处理过程，侵蚀即去除图像边缘颜色不同的像素，而膨胀则正好相反，即添加像素单元的过程。而在去除与添加的过程中会损失像素单元，根据无集料颗粒丢失的假设，则可以认为丢失的像素单元即为集料棱角。可以表示为：

。

式中：SP为表面参数；A₁、A₂分别为侵蚀-膨胀前后集料颗粒图像的面积。

    棱角较多的颗粒相比棱角较少的颗粒在侵蚀-膨胀后损失的面积多，因而棱角较多的颗粒SP值要大些。Masad等人^{[13， 15]}研究发现在图像分辨率较高时SP值与颗粒表面纹理有相关性，而在图像分辨率较低时SP值与棱角有相关性。

1.2.4分形几何方法 

    分形理论是非线性科学的重要分支，它揭示了介于整体与部分、有序与无序、复杂与简单之间的新形态、新秩序，目前在各个领域被广泛应用。用不同分辨率获取图像时，分形可以简单的定义为图像不规则边缘的自相似性。不规则边界维数的Minkowski定义为图像分形技术提供了理论基础^[16]，Masad等人^[15]利用该技术描述了集料的棱角；胡小芳等人^[17]描述了颗粒表面分维与其形状指数的关系；周纯秀^[18]、张冬冬^[19]、张肖宁^[20]等人在研究粗集料形态特征时，也利用该技术表征了集料表面纹理的粗糙程度。

2 矿料组成分析 

2.1 传统的级配组成设计^[21-23] 

    W.B.富勒以最大密实度为目标，通过试验提出了一种理想的抛物线形的最大密度曲线，并认为矿料的级配曲线越接近抛物线，则密度越大。A.N.泰波认为，富勒所提出的抛物曲线在实际工程中太过理想化，因此在理论分析和试验的基础上，对富勒曲线做了调整，提出了n法。

    C.A.G魏矛斯同样从最大密实度的角度出发，提出了粒子干涉理论。他认为不同粒径颗粒之间可通过逐级紧密填充，但填充的颗粒粒径不得大于其间隙之间的距离，否则大小颗粒之间势必发生干涉现象。

    美国公路战略研究计划（SHRP）提出了Superpave沥青混合料设计方法。该方法中，集料组成是以“控制点”和“禁区”的形式得出的，以“控制点”来对粗集料进行控制，给出骨架相对稳定的范围；以“禁区”对细集料进行限制，保证细集料填充的稳定性。

    由于不同料源的集料颗粒，其形状、棱角、表面纹理都不尽相同，即使是在级配形同的情况下，矿料结构或性能会存在明显差异，所以依据级配曲线的形状，或是级配曲线是否通过某一特定区域，并不能充分保证混合料的性能。

2.2 体积法 

    体积法^[24]的基本思路是实测主骨架矿料的空隙率，计算其空隙体积，使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积之总和等于主骨架空隙体积。

    依据该思路，张肖宁等人^[25]提出了主骨架空隙填充法（CAVF法），该方法强调粗集料作为主骨架的嵌挤能力，按照体积关系：细集料+矿粉+沥青+设计空隙率≤捣实状态下的粗集料骨架间隙率(VCA_DRC) 来进行级配设计。该方法强调了主骨架的形成，并确定了粗集料、细集料、填料的体积百分比，但没有给出各规格集料组成的计算方法。

    W.R.Vavrik在Superpave体系下完善了贝雷法^[26]，以设计密度来引导矿料组成设计，确保粗集料能形成骨架。贝雷法明确了粗细集料的分界筛孔，进而用沥青混合料中的粗集料骨架间隙率（VCA_mix）、捣实状态下的粗集料骨架间隙率（VCA_DRC）、粗集料松装骨架间隙率（VCA_DLC）之间的关系来评定粗集料骨架紧密程度。同时，贝雷法提出了评价级配的3个量化指标：（CA、FA_c和FA_f），分别用以检验混合料中粗集料嵌挤程度，细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤、填充情况和合成集料中最细一级的嵌挤情况。贝雷法有助于更深入的理解级配变化与体积特性之间的关系，也是评价级配的良好工具。

    沙庆林院士^[27-29]提出了骨架密实结构的两个检验方法，粗集料的干捣实空隙率（VCA_DRF）检验法和沥青混凝土中粗集料的空隙率（VCA_AC）检验法。在VCA_DRF法中，可以根据需要调整粗集料、细集料、填料或沥青的用量，也可以同时调整其中两项的用量。而VCA_AC法的关键是要首先确定集料的状态，继而正确选择集料的有效密度。两者的区别在于前者是干捣状态下的检验，后者是马歇尔试验下的检验，这也导致了对同一种原材料和相同的矿料级配，用两种方法检验的结果可能不同的情况。

    Lira等人^[30]基于对颗粒材料的试验研究结果，提出了集料颗粒子结构的定义，即主要结构与次要结构。依据球形填充理论设计了一套级配评价程序，通过集料级配相关参数（主要结构孔隙率、干扰因子、沥青分布参数等）来预测混合料的路用性能。

2.3 基于分形的矿料级配研究 

    矿料的组成存在着多种变异性因素，给矿料组成特征的描述和评价带来许多困难，但在统计学意义上，矿料组成的不规则性在一定尺度范围内又存在自相似性，与集料颗粒描述类似，研究人员将分形理论引入到矿料级配的研究中，尝试将分维数与矿料级配建立联系。

    黄继成等人^{[31- 32]}利用分形理论分别研究了集料粒径分布分形和质量分布分形之间的数量关系；利用分维数值表示级配组成的复杂性。他们发现分维数值和级配的相关性很好，因此得出矿料间隙率随着集料级配分维数值的增加先降低后增加、并在一定的范围内存在极小值的结论。

    杨瑞华等人^{[33， 34]}介绍了沥青混合料集料级配分形维数D的计算方法，提出用粗集料粒径分布分形维数D_c和细集料粒径分布分形维数D_f来描述集料级配分形特征，并挑选了6组级配进行分析。其结果表明，集料级配的分形维数D能够定量表达集料粒径分布的结构特征，集料越细，分形维数D值越大。研究结果显示，分形级配理论可以包括现有的几种主要级配计算的方法，分形是集料级配的本质。

    Mohan Yeggoni^[35]利用同一级配对7种不同破碎程度的粗集料进行沥青混合料试验，利用分形维数进行分析，结果显示沥青混合料永久变形与粗集料颗粒表面纹理特征有直接关系。

    陈国明^[36]、程小云^[37]、曾冠博^[38]等人研究显示，级配分形维数D与级配特性有较好的相关性，证实了可以用分形维数来描述不同级配的论点。

     目前，基于分形的矿料级配研究还处在探讨分形与集料级配相关性的阶段，用分形理论进行级配设计尚未起步。

3 矿料性能评价 

    矿料占沥青混合料质量的90%以上，矿料的性能将直接反映沥青混合料的性能，通过评价矿料性能，可以实现沥青混合料性能的预估和控制。

    王端宜等人^[39]借鉴虚拟试验，对3种级配类型（AC-13I、SMA-13、Superpave-12）的混合料进行了数字虚拟平面双轴试验，对它们的抗压强度进行了评价。该试验得出了粗集料含量有利于抗压和抗剪强度的提高。Shihui Shen等人^[40]利用三维离散元方法，将不同的集料颗粒假设为不同粒径的球体，进行了集料填充特性和受力特性的研究。研究结果表明，集料的粒度分布影响着结构的体积特性和接触特性。

    薛小刚^[41]针对矿料结构的稳定性，分析了旋转压实仪压实曲线的变化特征，提出可采用压实曲线斜率来评价沥青混合料整体矿料结构的稳定性。

    杜顺成^[42]基于对散体力学剪切模量的分析，提出了以剪切模量为指标评价矿料性能，以优化沥青混合料设计。

    一些学者均以VCA和CBR值为指标对矿料性能进行分析。其中：杨旭东^[43]分析了粗集料各级粒径对矿料骨架稳定性的影响，提出骨架稳定的粗集料合理配比；盛晓军^[44]提出了最强骨架与最密实骨架的均衡系数—骨架因子和密实因子，得出了兼顾骨架和密实的粗集料优化配比方法；刘艳飞^[45]提出以骨架接触度对矿料级配进行性能评价。

4 结语

    沥青路面是我国道路的主要路面形式，设计中如何优化沥青混合料性能，一直是研究的热点问题。矿料是沥青混合料的重要组成部分，其特性直接影响着沥青混合料的性能。笔者回顾了近年来在沥青混合料中矿料颗粒形态、矿料组成特征以及矿料性能评价等方面的研究成果。随着测试方法和分析手段的改善，对集料颗粒特征的描述和评价更为精细。在对矿料组成特征的描述中，基于试验的体积法仍是当前的主要手段，矿料组成的理论模型鲜有报道。许多研究表明，引入矿料性能的评价，可以改善沥青混合料性能的控制和优化，但仍有一些问题需要进一步研究。

 

收稿日期：2013-10-08

基金项目：国家自然科技基金资助项目（51178013）

作者简介：王文涛，男，在读硕士研究生，主要研究方向为路面材料与性能。

注：本文刊载于《市政技术》2014年第1期，第146页至第150页。