谢涛 徐龙 汪秀根 张直云

为研究粗集料棱角性对半刚性基层抗拉性能的影响，采用等效椭圆法对2种不同集料的不同粒径进行棱角性评价，再采用正交试验设计方法来制定试验方案，对水泥稳定碎石基层的强度性能进行室内试验。研究表明，在9.5～19 mm粒径范围内，随着集料A的替换率增大，无侧限抗压强度也增大；当9.5～19 mm 和19～26.5 mm 2个粒径中的集料A替换率都为50.0%，劈裂强度相对于集料B未被替换时的强度提高了3.4%，所以棱角性的变换，会引起集料的强度和抗拉性能的变化，粗集料的棱角性越凸出，整个混合料的强度和抗拉性能会越好。

半刚性基层； 棱角性； 抗拉强度； 抗压强度

TU528.041 A

［定稿日期］2021-12-21

［作者简介］谢涛（1987—），男，本科，工程师，从事道路桥梁施工工作。

在经过粉碎的材料中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料，在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定碎石材料，是半刚性基层材料中的一种。集料的质量占整个水泥稳定碎石的比例超过90%，所以集料的性能很大程度决定了混合料的性能。骨架之间的相互嵌挤作用，摩擦作用对混合料的力学性能有很大影响［1］，基层作为主要的路面承重层，在受力不均匀的状况下，路面容易受到剪切应力，所以基层不但要具有一定抗压强度也要有一定的抗拉强度［2］。目前无侧限抗压强度和劈裂强度同为基层的强度指标，并且劈裂强度可以作为水泥稳定碎石基层的破坏指标，在半刚性基层沥青面层中的结构组成设计和材料组成设计中，越来越重视混合料的抗拉特性［3-4］。半刚性基层沥青路面出现的反射裂縫，大部分的原因就来自于基层抵抗拉应力的能力不足。较多学者［5-8］从水泥含量、龄期、配合比、压实度、温度、外掺剂等多方面的影响对劈裂强度展开研究，并有了较多的显著性成果。但对于粗集料棱角性及其形态特征对劈裂强度的影响，其研究对象多是对于沥青混合料面层［9-12］，对基层的研究较少，为此，笔者采用等效椭圆法［13-15］来评价棱角性，再基于棱角性对半刚性基层抗拉性能的影响分析来展开研究，以及探讨劈裂强度与无侧限抗压强度之间的相关关系，也就是探索抗压性能与抗拉性能之间的相关关系。

1 试验原材料

1.1 水泥

磷渣和粉煤灰一样具有火山灰效应，但由于磷渣的缓凝作用，对水泥的早期水化均有一定程度的减缓［16］。磷渣硅酸盐水泥早期强度较低、凝结较为缓慢，可作为拉萨地区施工时使用的水泥，便于施工操作和基层质量的保证。

磷渣硅酸盐水泥技术指标见表1。

1.2 集料与级配

本试验采用了2种集料，一种是工程上常用集料碎石，

简称：集料A；另一种是拉萨河里经过破碎后的破碎砾石，简称：集料B（表2、表3）。

2 试验

2.1 棱角性评价试验

2.1.1 CCD数字图像获取

CCD数字图像处理是把相机获得的图像使用计算机或其它数字图像处理技术硬件，进行数字图像信息对电信号的一个转换，再而进行数学运算，最终实现了对图像的识别和读取本文采用有效像素为1 400万的数码相机，对数字图像进行采集，采集过程中采用自制的逆光灯箱去消除外界光线和拍摄角度造成的阴影。为了减少粗集料数字图像采集一个面的单一性造成的误差，对集料的正反面都进行了图像采集［17］。

2.1.2 数字图像处理

数字图像处理是对数字图像中的信息进行提取。本文使用ImageJ对粗集料图像进行灰度化、去噪、二值化、形态学处理以及轮廓边缘的提取，如图1所示。对处理图像的周长、面积和形心位置、主轴长度、短轴长度等信息进行采集。

2.1.3 棱角性评价

本文基于DIP（数字图像）技术对棱角性指标进行量化。李嘉等［18］证明了4个棱角性评价指标AR、ARmax、APc、AP与未压实孔隙率都有较好的相关性，但AP指标的相关系数最大。等效椭圆法（图2）最小量化了形状因素对棱角性指标的干扰［19-20］。

P′=（PPe）2（1）

P″=∑ni（Ai×P′i）∑niAi（2）

式中：P是集料的轮廓周长，Pe是轮廓的等效椭圆周长，P′i是粗集料中第i颗集料的棱角性，Ai是第i颗集料的轮廓投影面积，P″是粗集料棱角性的加权指标值，n是集料的总数。本文比较集料A和集料B，在不同粒径范围的棱角性：从2个不同的投影面共同计算棱角性，得到结果见图3、图4、表4。

等效椭圆的理论计算与其长轴和短轴有关，当该指标越接近1.000时，表示原轮廓越接近于圆，其棱角性越差，对于大于1.000的数值，值越大，棱角性越好。由图3和表4可知：在19～26.5 mm粒径范围内，2种集料的变异性系数最大，所以对于大粒径来说，采集的数量需要相对的增多；集料A的棱角性优于集料B，随着粒径的增大，A集料的棱角性在16～19 mm的粒径范围内的棱角性最好，棱角性的变化规律是先增大后减小。集料B随着粒径的增大棱角性也逐渐增大。在9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm粒径范围内，集料A的棱角性都优于集料B的1%左右，所以可把4个粒径归类为2个粒径范围：9.5～19 mm，19～26.5 mm。

即棱角性大小的排列顺序为：9.5～19 mm：集料A＞集料B，19～26.5 mm：集料A＞集料B，并且在AB 2种集料中，19～26.5 mm的棱角性都优于9.5～19 mm。

2.2 水泥稳定基层强度试验

2.2.1 试验方案

本文采用正交法来制定试验方案，该方案采用4因素3水平，共9组试验。试验因素：①水泥含量；②9.5～19.5 mm粒径范围内集料B被集料A替换的替换率（文中简称：9.5～19 mm）；③19～26.5 mm粒径范围内集料B被集料A替换的替换率（文中简称：19～26.5 mm）。在因素①中的水平数：水泥含量4.0%、5.0%、6.0%；因素②中的水平数：0.0、50.0%、100.0%；因素③中的水平数：0.0、50.0%、100.0%。3个因素各自的水平值设计见表5。标准正交表见表6。

其中第4列为为空列，为误差列。

根据JTGE 51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的规定，使用丙法重型击实试验，确定在该配合比下混合料的最大干密度和最佳含水量分别为：ρmax=2.352 g/cm3，ωopt=5.3 %。按照压实度为97%的要求，来计算集料、水泥和水的用量，拌和均匀后装模，采取液压式压力机VE-200来制作无侧限抗压试件和劈裂试件，直径×高为：150 mm×h150 mm。经过2～6 h，采用脱模机YTM-300进行脱模，将脱模后的试件进行装袋，并把袋内空气排干净，放进标准养护室（温度：20 ℃±2 ℃，湿度不小于95%）养护，无侧限试件养护7天，劈裂试件养护90天，2种试件都在最后1天浸水养护。然后对2种试件进行相应的试验。

2.2.2 无侧限抗压强度试验

使用数显式压力试验机对养护好的试件进行抗压，记录各组试件破坏时的峰值，得到相应的无侧限抗压强度（表7）。

使用极差分析（直观分析法）对正交试验结果进行分析。从实验结果来看，3个因素的无侧限抗压强度平均值都超过7.00 MPa，满足规范要求。3个因素互相独立，并且无侧限抗压强度与水泥掺量线性相关。在9.5～19 mm粒径范围内，当集料A替换率为50.0%时，无侧限抗压强度较未被集料A替换的混合料的强度提高了12.0%，当集料A替换率为100.0%时，无侧限抗压强度较集料A替换率为50.0%的强度提高了5.8%。随着集料A替换率的增大，混合料的抗压强度的增长速度逐渐变缓，但整体来说，提高了混合料的抗压强度，即在9.5～19 mm内，棱角性对抗压强度正性相关，棱角性越好，越有利于抗压强度的增大；在19～26.5 mm粒径范围内，当集料A的替换率为50.0%时，抗压强度较替换率为0.0%的强度提高了3.5%，替换率为100.0%时，抗压强度较替换率为50.0%的强度提高了3.2%。在19～26.5 mm内，集料A的替换率与抗压强度相关性较好，随着集料A 替换率的增大，抗压强度也逐渐增大，即棱角性越好，越有利于提高抗压强度（图5）。

2.2.3 劈裂强度试验

在半刚性基层沥青面层的结构和材料的组成设计中，已经把材料的抗拉性能列为重要的测量指标。规定水稳基层采用劈裂试验测得的劈裂强度作为抗拉强度。笔者采用CSS

软件对电脑和电子万能试验机进行联机，设置电子万能试验机的速率为1 mm/min，记录试件破坏时的最大压缩力P（N），结果如表8所示。

从试验结果来看，3个因素之间互不干扰，在不考虑水泥因素的条件下，当集料B未被集料A替换时，混合料的劈裂强度平均值为1.17 MPa，已超过了此时的无侧限抗压强度的1/6，满足规范。当2个粒径范围内集料A的替换率都为50.0%时，混合料的劈裂强度的平均值为1.21 MPa；当9.5～19 mm和19～26.5 mm的集料都被集料A替换时，即集料A的替换率为100.0%，混合料的无侧限抗压强度为1.19 MPa。所以，棱角性对劈裂强度的影响，不仅与棱角性的好坏有关，还与不同棱角性集料之间的相互嵌合作用有关。为了满足基层的施工、设计和使用，需要对集料的棱角性进行一定评价和相应的组合（图6）。

2.2.4 劈裂回弹模量

规范规定材料的抗拉强度为劈裂强度，所以为了确定拉应力和拉应变之间的关系，笔者对抗拉模量也采用间接法确定，及劈裂回弹模量。该试验的试件与劈裂强度所用的试件相同，在测量回弹模量时，各组的拉应力与应变曲线大同小异，其中以正交试验中的第五组为例，画应力应变曲线见图7。

由应力应变曲线可知，在一级加载时，试件已经出现塑性变形，在之后的逐级加载中，塑性变形随着加载级数的增大而减小，这可能是因为在加载压力值较小时，只对起胶结作用的砂浆有一定的扰动作用，但该扰动是一个不可恢复的变形，而随着加载级数的增大，变形也逐渐增大，直至试件出现裂缝，试件破坏。

2.2.5 劈裂强度与无侧限强度的关系

劈裂强度与无侧限抗压强度调整后的相关度R2=0.87069，两者相关性较好，对于强度指标可用于劈裂强度对无侧限抗压强度的预估，但在沥青铺筑完成后，基层受温度和湿度影响较大，基层材料会承受较大的拉应力和拉应变，一旦超过其抗拉强度或极限抗拉强度，基层就出现裂缝，所以劈裂强度可作为基层的破坏强度指标，然后推测此时的破坏强度所对应的施工技术指标抗压强度的大小，由图8可知，劈裂强度与抗压强度线性正相关，即可通过劈裂强度对无侧限抗压强度进行调整，可由抗拉强度对抗压强度进行预估。

2.2.6 劈裂强度与劈裂回弹模量的关系

劈裂回弹模量是基层抵抗水平拉应力的能力，在车轮荷载条件下，基层层底受较大的拉应力，抵抗拉应力不足时，基层会出现裂缝，裂缝会扩展到面层出现反射裂缝，从而影响道路的正常使用。由图9可知，劈裂强度与劈裂回弹模量的相关性较好，由于回弹模量的测量，相对于较困难，可以用劈裂强度对劈裂回弹模量进行预估，大大减少工作量。

3 结论

（1）整体来说，粗集料的棱角性对基层强度的影响是正向的，粗集料棱角性越好基层的抗压强度和劈裂强度越高。

（2）劈裂强度作为基层的强度和破坏指标，对组成混合料的粗集料进行棱角性的替换，可以减少基层和面层裂縫的产生，减少道路病害。并且可以在知道劈裂强度的条件下对抗压强度和劈裂回弹模量进行预估。

（3）在配合比、龄期和水泥掺量相同的情况下，可以通过改善集料本身的性质来提高混合料的强度。

参考文献

［1］ 王彦喆. 粗集料细观结构特征对沥青混合料性能的影响研究［D］.西安：长安大学，2012.

［2］ 赖锦华. 水泥稳定再生骨料路面基层力学性能及疲劳性能研究［D］.福州：福州大学，2017.

［3］ 袁国柱. 无机结合料稳定细粒土强度控制指标［D］.西安：长安大学，2008.

［4］ 李德国. 水泥稳定碎石强度控制指标及标准研究［D］.西安：长安大学，2007.

［5］ 魏連雨，葛景峰，朱旭红，等， 季节性环境温度下二灰碎石基层强度增长规律研究［J］. 中外公路， 2012. 32（1）： 80-83

［6］ 徐静. 水泥稳定碎石基层抗弯拉性能试验研究［D］.大连：大连理工大学，2013

［7］ 陈峰林， 凌晨，李豪. 高速公路改扩建工程新旧路面基层拼接界面处理方案研究［J］. 公路， 2017. 62（11）： 14-18.

［8］ 高伏良，黄永强，李飞，等， 工业废渣路面基层材料试验研究［J］. 公路工程， 2012. 37（5）： 214-217.

［9］ 王彦喆， 粗集料细观结构特征对沥青混合料性能的影响研究［D］. 西安： 长安大学， 2012.

［10］ 谭忆秋，宋宪辉，纪伦，等， 粗集料性能对沥青混合料高温性能的影响［J］. 中国公路学报， 2009. 22（1）： 29-33

［11］ 刁志军， 基于粗集料形态特征参数的沥青混合料力学性能影响因素分析［D］. 长春： 吉林大学， 2020.

［12］ 岳宝峰， 基于骨架和凸包特征的粗集料棱角性评价方法研究［D］. 西安： 长安大学， 2018.

［13］ FLETCHER T， CHANDAN C， MASAD E，eta1. Aggregate Imaging System （AIMS） for Characteirzing the Shape of Fine and Coarse Aggregates［J］. Transportation Research Record 2003， 1832： 67-77.

［14］ KU0 Chun-yi. Correlating Permanent Deformation Characteristics of Hot Mix Asphalt with Aggregate Geometric Irregularities ［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2002，30（2）：13-14.

［15］ WILSONJD，KL0TZLD. Quantitative Analysis of Aggregate Based on Hough Transform［J］. Transportation Research Record， 1996， 1530：111-115.

［16］ 杨代六，徐迅.磷渣对硅酸盐水泥水化硬化的影响研究［J］.混凝土，2006（12）：46-48.

［17］ 肖倩，张蕾， 路用粗集料形态可视化识别及其评价方法综述［J］. 公路交通科技， 2016. 33（5）： 46-52.

［18］ 李嘉， 林辉. 基于数字图像处理的粗集料棱角性量化研究［J］. 公路交通科技， 2008， 25（7）：27-31.

［19］ 程小云. 基于矿料颗粒量化指标的沥青混合料优化设计［D］.西安： 长安大学，2010.

［20］ 熊琴. 粗集料形状特征的数字图像分析［D］.重庆： 重庆交通大学2011.