级配特征对沥青混合料细观孔隙结构影响
徐良 杜西江 胡靖
中交一公局第五工程有限公司 东南大学智能运输系统研究中心
摘 要：对高温下沥青混合料受压破坏前后的孔隙结构及其分布特征进行研究，从细观角度量化不同级配类型对孔隙的影响规律。选取SMA、AC及SUP典型沥青混合料作为研究对象，采用X-Ray CT技术分析60℃温度下沥青混合料承受单轴压缩破坏后的孔隙状态，并对主要体积指标进行统计分析。结果表明：高温受压变形后沥青混合料内部的孔隙数显著增加，其中SMA增幅最大，也最易萌生新裂缝；AC及SUP的细观孔隙数远多于SMA,且其数量随级配变细而增多；研究确定0.1 mm3为细观孔隙体积控制点，大于0.1 mm3的孔隙在受荷变形后体积减小或保持恒定，而小于0.1 mm3的孔隙则出现体积增大现象；沥青混合料破坏主要集中在粗集料-沥青砂浆界面断裂及既有孔隙贯穿，SMA较易发生剪胀破坏。
关键词：沥青混合料;孔隙特征;细观结构;级配类型;单轴压缩变形;
基金：江苏省自然科学基金项目，项目编号BK20170671;
沥青混合料是由矿质集料、沥青砂浆及内部孔隙组成的多相介质材料，探求3者的交互作用机理对研究沥青混合料的力学性能至关重要。近年来，随着CT断层扫描与数字图像处理技术在道路交通领域的应用[1,2,3,4],基于细观结构的研究已经能够较好地解释沥青混合料的高温稳定性能及断裂机理[5]。但纵观现有研究，主要是采用断层数字图像构建沥青混合料离散元或有限元数值模型[6,7],而对沥青混合料内部结构特征的分析统计则较少涉及。外界荷载作用下沥青混合料的孔隙变化是导致其压实度改变的主要因素，从而直接造成沥青路面车辙及泛油等病害的出现[8]。境外已有学者从细观角度分析沥青混合料变形前后孔隙与结构病害之间的相互关系[9,10,11],但系统拟定不同级配类型、研究高温受压破坏所造成的内部孔隙结构变化规律则较少。
本文基于X-Ray CT无损扫描技术，选取SMA、AC及SUP典型沥青混合料为研究对象，分析级配类型对沥青混凝土孔隙特征及分布规律的影响，为进一步深化沥青混合料受力分析、建立细观参数与宏观性能关系提供依据。
1 试验准备研究选用工程应用较为广泛的6种典型沥青混合料级配类型，即SMA-13、SMA-10、AC-20、AC-13、SUP-20及SUP-13。沥青混合料所用集料为玄武岩，沥青为SBS改性沥青，采用马歇尔设计法确定其具体材料参数，如表1所示。
表1 不同级配沥青混合料马歇尔配合比设计参数
|
沥青混合料类型 |
下列筛孔(mm)通过率/% |
油石比%油石比% |
孔隙率%孔隙率% | ||||||||||
|
19.0 |
16.0 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 | |||
|
SMA-13 |
100 |
100 |
95.5 |
65.1 |
26.7 |
18.8 |
16.0 |
13.7 |
12.5 |
12.0 |
11.6 |
6.4 |
3.5 |
|
SMA-10 |
100 |
100 |
100 |
98.3 |
37.4 |
24.8 |
19.5 |
15.1 |
12.9 |
12.0 |
11.3 |
6.3 |
3.6 |
|
AC-20 |
91.6 |
84.1 |
75.9 |
66.1 |
38.7 |
25.1 |
17.6 |
12.2 |
8.5 |
6.1 |
4.7 |
4.5 |
4.9 |
|
AC-13 |
100 |
100 |
96.8 |
74.9 |
46.8 |
28.4 |
19.6 |
12.3 |
8.7 |
7.2 |
6.4 |
5.0 |
4.2 |
|
SUP-20 |
93.6 |
87.0 |
80.4 |
49.9 |
37.6 |
23.6 |
17.6 |
13.0 |
9.8 |
8.5 |
7.5 |
4.7 |
2.9 |
|
SUP-13 |
100 |
100 |
99.1 |
91.9 |
66.3 |
45.7 |
31.0 |
21.1 |
14.9 |
12.3 |
9.8 |
5.2 |
3.9 |
研究所用试件采用旋转压实仪SGC成型，以目标孔隙率控制压实功。考虑到X-Ray CT设备成像精度及后期孔隙处理效率，本研究拟将成型试件钻芯切割为直径50 mm、高75 mm的圆柱体芯样[12]。每组级配沥青混合料制备3个试件。
2 CT细观结构扫描及单轴压缩试验CT扫描设备为Y.CT Precision S型X-CT,采用三维锥束扫描成像，断层扫描图像像素为1 0242 Pixel, 最小分辨率为10 μm, 理论上能探测到沥青混合料内部微米级孔隙结构。沥青混合料三维细观结构重建原理为对断层扫描图片进行后处理，利用灰度值范围作为集料、沥青砂浆及孔隙结构的判别标准，通过二维断层图像基础上的灰度筛选，最后重建三维细观结构模型，如图1所示。
图1 沥青混凝土三维细观结构重建
研究拟分析沥青混合料高温压缩破坏前后内部孔隙结构特征的级配类型敏感性影响，因此先对未破坏芯样进行CT细观扫描，以获取原结构内部形态。扫描竖向切片间距为0.05 mm, 共获取1 500张断层灰度图进行建模处理。其后，采用UTM-25设备对芯样进行单轴压缩试验，试验温度为60℃。为避免芯样过度破坏，压头下压速率固定为0.27 mm/min。当压力出现下降趋势后停止试验。其P～S(压力和位移)曲线如图2所示。
图2 沥青混合料P～S曲线
对单轴压缩破坏后的芯样进行CT细观扫描，重建沥青混合料3D模型，并通过统计分析以获取变形前后沥青混合料细观孔隙结构的变化情况，如图3所示。
图3 沥青混合料三维模型CT重建
3 沥青混合料细观孔隙特征分析3.1细观孔隙数分布情况沥青混合料受压破坏前后，其内部孔隙结构及其分布状态发生显著变化，如新裂缝的萌生以及既有孔隙结构贯穿连接，如图4所示。
图4 沥青混合料孔隙细观结构变化
由图4可知，压缩破坏后沥青混合料芯样内部孔隙细观结构及分布特征均发生了明显的变化，如SMA-13及SMA-10出现了大量新裂缝以及既有孔隙连接贯通的情况。SMA类型混合料原有内部孔隙形态遭到破坏，可归因为骨架嵌挤结构中粗集料颗粒含量比例较高，在荷载作用下更容易出现粗颗粒与沥青砂浆界面的断裂，形成大量的裂缝，同时也伴随少量新孔隙的发生。相对SMA级配类型，AC及SUP沥青混合料在荷载作用下，内部孔隙结构主要呈现数量增加、体积增大现象，而裂缝萌生情况较少，表明悬浮密实型级配的受压破坏主要是以新生孔隙及既有孔隙体积扩大为主。
图5显示了沥青混合料芯样孔隙特征变化的具体情况。可以看出，不同沥青混合料在受荷变形后，孔隙数均呈现了增长趋势，其中SMA-13及SMA-10的原有孔隙数虽然较少，但增幅最大，分别达到81.8%及233.7%,表明SMA内部孔隙结构在荷载作用下会出现剧烈变化。而AC及SUP的孔隙数增幅较小，但孔隙数含量远大于骨架嵌挤结构。此外，同种级配类型中，公称最大粒径越小，其内部孔隙数越多，从细观角度表明细级配沥青混合料存在着更多的内部微小缺陷。从图5中也能得出，以0.1 mm3为控制点，除个别级配类型及较大体积的孔隙外，不同级配混合料中大于0.1 mm3的孔隙在变形后体积主要出现减小或恒定不变趋势，而小于0.1 mm3的孔隙体积则有所扩大。
图5 沥青混合料孔隙特征变化情况
3.2细观孔隙结构体积指标根据芯样数字断面图像，采用Matlab软件进行图像处理及统计，分析孔隙总体积、总面积及孔隙率变化情况，结果如图6～图8所示。
图6 孔隙总体积统计结果
图7 孔隙总面积统计结果
图8 孔隙率统计结果
从图6～图8中数据看出，不同级配类型的孔隙体积指标较变形前均出现增大现象。骨架嵌挤结构SMA-13的孔隙总体积及孔隙率显著大于其余级配类型，但孔隙总面积较小。这主要是由于AC及SUP结构中存在大量的细微孔隙所致。可以从细观角度证明，SMA结构由于内部孔隙体积较大，其承载能力主要由粗骨料之间的嵌挤作用提供，因此在荷载作用下较易发生颗粒位移及转动，从而导致破坏；而AC及SUP级配结构得益于填充砂浆的缓冲作用，荷载作用下粗集料骨架结构不易突变。
3.3沥青混合料破坏纵断面形态特征构建SMA-10、AC-13及SUP-13沥青混合料芯样破坏前后纵断面图，对结构内部的孔隙及裂缝的发展情况进行分析，如图9所示。
图9 沥青混合料破坏前后纵断面对比
由图9可知，SMA级配结构在荷载作用下破坏后，其结构内部沿集料-沥青砂浆界面出现了大量宏观裂缝，且主要出现在粗集料周围，并伴随着既有孔隙的贯穿连接，而沥青砂浆并未出现裂缝类破坏。AC及SUP级配结构由于沥青砂浆含量相对较高，对裂缝的萌生与扩展起到缓冲作用，但同样观察到裂缝主要发生于粗颗粒周围。对比断面图可见，AC及SUP结构内部孔隙主要位于细集料周围，表明细集料含量对孔隙数量有较大影响。此外，SMA级配结构较AC及SUP存在更大的横向剪切变形，即剪胀行为。这主要是由于SMA结构中粗集料发生较大位移所致。综上，沥青混合料在荷载作用下发生的结构破坏，主要是粗集料-沥青砂浆界面断裂及既有孔隙的扩大或贯穿连接，从而逐步丧失强度。
4 结语(1)沥青混合料细观孔隙结构受荷载影响显著，其孔隙数均呈增长趋势。其中SMA增幅最大，表明骨架嵌挤结构内部形态在荷载作用下会发生剧烈变化。SMA粗集料比例较高，易出现新裂缝；而AC与SUP由于沥青砂浆的缓冲作用，新裂缝萌生情况较少。
(2)AC及SUP细观孔隙数远大于SMA,且公称最大粒径越小，细观孔隙越多。这表明较细级配或细集料含量较高的沥青混合料存在较多微小缺陷。
(3)采用0.1 mm3为孔隙体积控制点，混合料内部大于0.1 mm3的孔隙在变形后主要出现减小趋势，但小于0.1 mm3的孔隙体积则被扩大。
(4)沥青混合料高温受压破坏主要出现于粗集料-沥青砂浆界面断裂及既有裂缝缺陷扩展，沥青砂浆本身并未发生破坏。相较AC及SUP级配结构，由于粗集料颗粒位移作用，SMA结构具有更明显的剪胀行为特征。
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