摘要：集料的构成、棱角和表面纹理等形状特征，对热拌沥青混合料（HMA）的性能有着重要影响。棱角和形状会影响集料之间的嵌挤锁结，造成路面车辙。集料粗糙的表面纹理减少了疲劳裂缝，提高了集料和胶结料之间的相互作用。该文运用集料成像系统（AIMS），分析了3种不同料源集料的形状特征，研究形状特性在HMA设计和力学性能上的影响，并使用图像处理软件对HMA内部结构进行了分析。结果表明：集料虽在矿物组成上存在差异，但仍具有相似的形状特征；集料表面越粗糙，混合料抗疲劳性能越好；集料棱角性和表面纹理越好，混合料越不易发生集料离析现象。
关键词：沥青；集料；形状特征；成像技术
过去20年中Superpave设计法被广泛应用于热拌沥青混合料（HMA）的组成设计中，其对HMA性能试验方法的改善和发展起着重要作用。集料占HMA质量的90%~95%，对沥青混合料的工程特性有着重要影响，特别是集料的形状特征，将影响到HMA内部结构空间骨架的构建以及集料颗粒之间的嵌挤锁结，从而影响到HMA的耐久性和力学性能等，最终影响沥青路面的综合路用性能。
目前国内外对集料形状特征的研究相对较少，现有对于集料形状特征的研究不仅费时，而且试验结果也不够准确和完整。因此，研究集料颗粒的形状特征时所选择的集胶比组合可能不符合任何标准，即使集料符合现行的技术标准，不同形状特征的集料之间无法形成一个最佳组成，最终也会导致沥青路面出现病害。此次研究的目的是评估从3种不同采石场采集的矿料的不同性质，其中集料成像系统（AIMS）用于获得与形状相关的参数，并对结果进行比较并分析HMA组成的相关力学性能。另外，在集料颗粒的排列和取向方面，使用图像处理工具（IT）和图像处理分析系统（IPAS）对HMA的内部结构进行评价。
集料形状参数
构成、棱角、表面纹理
集料的构成、棱角和纹理是3种独立的特性，构成指颗粒的整体形状，包括延伸率和平整度、片状、球形、形状系数、形状因子、圆度等参量。通常HMA中针片状集料较多时，在压实过程中可能会导致颗粒破损，集料表面光滑也会影响颗粒之间的嵌挤锁结，导致面层的抗滑能力降低。棱角性描述了集料颗粒的圆度并量化其棱角的变化。SANDERES等在位于美国印第安纳州的沥青路面4个试验段中测试发现其中一个路段仅在通车两年后便产生了路面车辙，因此认为此路段的粗集料棱角性占比最低。STIADY等在21个不同路段进行了交通仿真测试，发现车辙深度与沥青混合料中细集料的棱角性具有良好的相关性，表面粗糙的集料促进了颗粒之间的接触和摩擦，使得沥青混合料更能抵抗路面病害。KIM等认为集料表面粗糙的纹理能更好地促进颗粒和结合料之间的黏结。
HMA内部结构的影响
HMA内部结构对抵抗路面车辙、疲劳开裂等病害有着非常重要的作用。不同成型方法和压实效果影响着HMA内部结构中集料颗粒的排列。集料的颗粒填密以及颗粒排列的接触点、颗粒取向和离析对HMA均有不同程度的影响。TASHMAN等提出构成沥青混合料集料之间接触点数取决于压实方法及参数。SOUSA等发现用Superpave旋转压实仪制备的HMA试样具有更好的抵抗永久变形的能力，集料颗粒之间接触点数也增多。CURRAY最初提出集料颗粒的取向是基于颗粒长轴（颗粒边界间最长距离）和水平角。BROWN等认为集料离析是HMA中粗细集料水平或垂直方向不均匀分布造成的，可通过渗水试验和核子密度仪等方法来进行测量。拌和和压实的温度也会影响HMA的内部结构。
关于HMA内部结构对力学性能的影响，IBRAHIM等在硅酸盐水泥混凝土中使用水泥代替矿渣来增强其抗压强度，并结合IPAS得知集料颗粒之间接触点数增加了。相较普通混合料，矿渣使得集料颗粒的径向离析降低了50%以上。Sefidmazgi比较了沥青混合料车辙的一些性能参数，通过接触点数和循环数（FN）的试验结果发现两者之间有着良好的相关性（R2＝0.71），随着接触点数增加，FN值也有所增加。
ＤＩＰ
DIP是研究集料形状参数和HMA内部结构的一种方法，目前研究者一直致力于发展和完善新技术。Wnek等采集了从不同的采石场获得的铁路道渣材料，通过分析它们的等级、形状和表面纹理，并利用伊利诺伊大学集料图像分析仪（UISIA），结合洛杉矶磨耗试验降解分析棱角性来研究它们的特性。Sefidmazgi等通过IPAS软件进行图像分析，并介绍了一种表示沥青混合料内部结构的方法，结果证明了沥青混合料的车辙性能和集料接触点数、接触长度和接触面取向等参数之间的相关性。
集料及试验步骤
集料
集料从巴西东北部CEARA州3个不同采石场采集，矿物源有花岗岩、片麻岩和响岩。对集料进行洛杉矶磨耗、沥青结合料的吸附、筛分和砂当量等试验。发现响岩集料的洛杉矶磨耗值（约20%）是其他材料值（约40%）的一半，沥青结合料吸附结果（响岩0.44%，其他0.99%）基本相同。
为了研究它们的矿物学特征，对每种矿物岩进行岩相分析，使用集料成像系统（AIMS）获得集料的形状特征参数并对其进行分析。花岗岩主要的矿物组成有钾长石、石英和半自形结构的斜长石。响岩是由钾长石、辉石和橄榄石（粗糙面）形成的一种细粒度岩石。片麻岩由中到粗，由石英、斜长石、钾长石、白云母、黑云母等构成，和花岗岩组成非常相似。Goswami等研究了不同尺寸的集料发现磨耗值随着颗粒尺寸的增加而增加，一般粗粒度岩石的磨耗值是细粒度岩石的20倍。
基于AIMS结果，根据各自集料的形状属性，定义两种HMA组成类型。响岩粗集料和花岗岩细集料有最高的棱角性和表面纹理值，为HMA中最佳集料组成（Ⅰ类混合料）。而花岗岩粗集料和响岩细集料有最低的棱角性和表面纹理值，为HMA中最差集料组成（Ⅱ类混合料）。
AIMS下的集料特征
AIMS包括对粗集料的三维形状，棱角性和纹理以及细集料的二维形状和棱角性的分析。该设备能够分析0.75~25mm筛之间的集料颗粒。集料首先进行25、19、12.5、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.ｍｍ筛的筛分，粗集料的筛分必须以单个颗粒之间无接触的方式放置在适当盘子中。而细集料筛分必须自由散落在托盘中。集料颗粒被定位后，在AIMS界面上选择分析类型和筛孔尺寸，完成数字化处理和分析后，旋转托盘回到其原来的位置，数据和图形结果将自动呈现在Excel工作表上。
AIMS界面能够确定5种不同的集料属性，其中球形、纹理和扁平率只适用于粗集料，二维形状只适用于细集料，棱角性粗细集料均适用。二维形状量化了细集料颗粒二维图像，范围从0~20，二维形状值越接近于0，颗粒越接近一个圆形。球度描述了范围从0~1颗粒的三维形状值。1表示集料形状接近于立方体，即3个正交轴尺寸相同，扁平率可通过划分集料颗粒的尺寸来计算，集料颗粒的长厚比大于5，即被认为是颗粒扁平。梯度棱角性描述了颗粒边界的变化，梯度角值越高表示集料颗粒棱角越丰富，范围从0~。梯度角值为0时为完全无角或圆形。纹理描述了集料颗粒表面的粗糙水平，小波理论通过水平、垂直和对角3个方向量化了集料表面纹理。范围从0~，表面完全抛光或完全平滑时值为0。
HMA设计步骤和力学性能
此次HMA设计遵循了Superpave法（试样直径mm、高63mm）。两种HMA集料级配相同，最大公称粒径12.5mm，级配曲线图见图1。为了获得空隙率约为4.0%的试样：Ⅰ类和Ⅱ类沥青混合料沥青用量分别为4.8%和5.1%。理论最大相对密度值分别为2.和2.，矿料间隙率（VMA）分别为14..7%和15.3%。
分别进行以下4种力学性能试验：回弹模量（RM）、间接抗拉强度（ITS），25℃下的疲劳寿命（径向压缩和受控应力）和重复荷载作用下的永久变形试验（RLPDT），也被称为60℃下的动态蠕变。RM和疲劳试验使用气动加载装置进行，ITS试验使用马歇尔压缩试验机进行，RLPDT通过万能试验机（UTM-25）进行。试验方案具体见表1。
HMA内部结构特征
对HMA试样沿压实轴的垂直方向，三等分切割两次。在扫描仪上对每个切面数字化，之后使用IT和iPas对颗粒之间接触点数、颗粒取向和颗粒分离参数进行分析。利用IT将图像数字化，将对象的实际图像转化为可编辑数字图像，然后检测出集料颗粒的轮廓，对图像中的缺角进行修复，最后对图像进行分割处理。iPas使用步骤如下：先进行数字图像处理识别最小可见颗粒，然后经过筛选以消除有缺陷的图像。检测图像轮廓，将对象转变为黑白像素。
结果与讨论
集料形状特征
表2为3种集料各参数的均值、标准差、变异系数（COV）结果。由表2可以看出：3种集料的二维形状、球度、梯度角、扁平比指标值相近，细集料均呈半伸长型，粗集料球度值均较低，粗细集料呈圆形。而表面纹理指标值差异较大，3种集料粗糙度呈低、中、高的趋势。因此，在生产过程类似的情况下，集料各自形状特征及AIMS分类结果除纹理外均相似，不受集料矿物组成影响。而纹理是唯一造成3种集料不同分类的特性，响岩集料表面粗糙，而花岗岩表面光滑。
HMA力学性能
力学性能试验主要目的是降低不同集料特性在力学性能研究中的影响，并对两种HMA试验结果作比较。表3为RM和ITS试验结果。Ⅰ类混合料的RM值高出Ⅱ类大约22%，ITS值高出约12%，ITS均值非常相近。从各自力学性能分析上看，两种混合料表现相似。说明集料的形状和棱角性细小的差异对于力学参数影响甚微。
疲劳寿命是在3种不同的应力水平（30%、40%和50%）下，对两种混合料每一种水平的3个试样进行试验。图2为两种混合料的疲劳寿命曲线方程以及各自的相关系数（R2）关系图。两种混合料疲劳寿命曲线斜率相近，表明应力变化具有相似性。Ⅰ类混合料相比Ⅱ类抗疲劳性更好，在相同的应力水平下，Ⅰ类的抗疲劳性是Ⅱ类的2倍。与Ⅱ类混合料平滑的表面相比，Ⅰ类混合料在试验中受粗集料粗糙的表面影响表现较好，粗集料颗粒更好地促进了集料与结合料之间的相互作用，使混合料抗裂性能更好。
重复荷载作用下试件变形经过3个阶段，第一阶段为迁移期；第二阶段为稳定期，此阶段的应变率随循环数的增加保持恒定；第三阶段为破坏期，FN为达到最小变形率所需的循环加载次数，对应曲线上变形率开始超过第二阶段并进入第三阶段一点。动态蠕变试验（RLPDT）结果见表4。由表4可知：两种混合料ＦＮ均值相近，Ⅰ类混合料较Ⅱ类高了约，表明两种混合料具有相似的抗永久变形能力；COV值相近，表明两种混合料应变率变化类似。关于第二阶段的变形率，Ⅱ类混合料结果高了7%，两种混合料的应变率也同样类似，见图3。
HMA内部结构
该文通过使用两种图像处理软件对HMA内部结构进行了分析。iPas分析的参数有方向、接触点和集料离析。IT只分析方向参数。为了获得所需数据，只对粗集料进行选择和分析。iPas中当颗粒间距小于0.5mm时为标准接触点。对集料颗粒方向角的分布，还应计算每种混合料的矢量幅度值。表5为接触点数以及矢量幅度值。
两种HMA集料颗粒之间接触点数几乎相同，即集料颗粒的取向方式相同。Bessa等人使用花岗岩集料和建筑废料制备混合料，结果表明：在HMA颗粒的矢量幅度值中，集料的类型对其没有任何影响，对于SGC试样来说，垂直面内的取向比水平面更随机。COV值表明不同试样的不同切面集料的排列不同与颗粒发生纵向离析有关。
关于集料颗粒的离析，iPas在径向3个区域给出了各筛孔尺寸集料的用量：第1组，样品表面1/3半径区域内；第2组，2/3和1/3半径的圆环形区域内；第3组，外环和2/3半径的圆环形区域内。利用iPas对4.75、9.5、12.5、19mm共4个筛孔尺寸上的集料进行分析，结果见图4。
和Ⅰ类混合料相比，Ⅱ类混合料集料颗粒离析更少，意味着其集料颗粒在3种分组中分布更好，特别是9.5mm颗粒，在所有离析区集料所占比几乎相同，对于其他尺寸颗粒并没有明显离析趋势。表明有更好集料棱角性和表面纹理组成的HMA越不易发生集料离析现象。
结论
(1)AIMS下集料形态特征分析可知，集料的二维形状、球度、梯度角和扁平比4个参数结果受花岗岩、片麻岩、响岩3种矿物组成的影响较小，各参数在不同矿物组成下表现出相同的形态类别；纹理值受矿物组成的影响较大，表现出粗糙度不同的形态类别。
(2)HMA力学性能分析结果表明：集料形状和棱角性的好坏对RM和ITS值的影响较小；在相同应力水平下，粗集料表面越粗糙，组成混合料的抗疲劳性能越好；具有较高棱角性和表面纹理值集料组成的混合料抗永久性变形的能力较好。
(3)HMA内部结构分析表明：混合料接触点数及矢量幅度值受集料棱角性和表面粗糙度的影响较小，而离析值受其影响较大，集料棱角性越好，表面越粗糙，越不易发生集料离析现象。
