随着我国社会经济的发展，道路建设里程持续增长，对路面的质量要求也不断提高。现阶段我国高等级路面的主要结构形式是沥青路面，沥青混合料的质量直接影响路面的使用性能，包括高温性能、低温性能和水稳定性等^[1]。粗集料是沥青混合料的主要成分，其形态特征对沥青混合料的性能具有显著影响^[2-6]。形状特性是粗集料的重要形态特征之一，目前主要通过粗集料的三维尺寸关系描述其形状特征。Chen等^[7]将集料形状分为立方体、棒状、盘状和片状4类。我国《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005) ^[8]和美国ASTM D4791^[9]将长轴长度与短轴长度之比大于3∶1的颗粒定义为针片状集料。Aho等^[10]研究了针片状颗粒含量与沥青混合料压实现场集料破碎率的关系，发现高比例针片状集料会发生明显的破碎。Vavrik等^[11]研究了不同针片状集料含量对沥青混合料旋转压实特性的影响，发现针片状集料含量的增加会导致沥青混合料试件中的空隙增加。Oduroh等^[12]研究了针片状集料含量对沥青混合料性能的影响，发现立方体颗粒含量越多的沥青混合料表现出越高的抗剪能力。谭忆秋等^[13]以AC-13，AC-16，SMA-13沥青混合料为对象研究了扁平颗粒含量对高温抗剪强度的影响，发现扁平颗粒含量对沥青混合料的高温性能影响较大，粗集料扁平颗粒含量越高，高温抗车辙能力越低。纪伦等^[14]研究粗集料针片状含量对AC-16和SMA-16沥青混合料性能的影响，发现随着针片状集料含量的增加，沥青混合料毛体积密度减小，矿料间隙率增大，力学性能和抗变形能力降低。谢兆星等^[15]和彭波^[16]研究了针片状集料含量对沥青混合料AC-13C性能的影响，发现针片状集料含量对沥青混合料的体积指标和力学指标都有重要影响。

现有研究侧重于针片状集料含量对沥青混合料性能的影响，未能进一步研究不同形状的粗集料对沥青混合料性能的影响。因此，本研究按长细比指标对粗集料形状进行分类，借助图像处理装置将粗集料按长细比进行筛分，得到不同长细比的粗集料样品，采用不同长细比的粗集料制备沥青混合料试件，研究粗集料形状对沥青混合料最佳油石比、体积指标和力学性能的影响。

粗集料形状是指粗集料颗粒的立方性程度，可以用颗粒的尺寸参数进行描述。在我国《公路工程集料试验规程》中，将粗集料颗粒的最大长度方向尺寸(长轴长度)与最小厚度方向尺寸(短轴长度)的比值大于3的颗粒定义为针片状颗粒，并在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)^[17]中对针片状颗粒的含量进行了限制。为了和现行规范保持一致，在本研究中采用长细比评价粗集料的形状特征：

(1)

式中，F为长细比；D_l为粗集料颗粒的长轴长度；D_s为粗集料颗粒的短轴长度。长细比反映了粗集料颗粒的立方性程度，长细比越接近于1∶1，粗集料颗粒越接近立方体。

我国《公路工程集料试验规程》和美国ASTM D4791通过游标卡尺或规准仪手工测定长细比来确定针片状颗粒的含量。手工测试方法效率低、误差大。在本研究中，需要将不同长细比的粗集料颗粒筛分出来，工作量巨大，通过游标卡尺或规准仪难以完成。为此，本研究制作了一个图像处理装置进行粗集料颗粒筛分。与采用游标卡尺手工筛分相比，借助图像处理方法筛分效率提高了15倍以上。该装置由逆光箱、摄像头、可调节支架及计算机组成。采用该装置筛分不同长细比的粗集料，主要步骤如下：

(1) 将粗集料颗粒按顺序摆放在逆光箱上，使其长轴和短轴位于摄像头俯视区域，开启摄像头，采集粗集料图像，如图 1(a)所示。

图 1 图像采集及处理 Fig. 1 Image acquisition and processing

图选项

(2) 使用Python软件中的图像处理模块对粗集料图像进行二值化处理，如图 1(b)所示。计算每个粗集料颗粒二值化图像的最小外接矩形，如图 1(c)所示。矩形的长度即为粗集料颗粒的长轴长度，宽度即为粗集料颗粒的短轴长度，以此计算每个粗集料颗粒的长细比。

(3) 将粗集料颗粒长细比划分为1∶1~2∶1，2∶1~3∶1，>3∶1这3个区间，在粗集料图像上对每个区间内的颗粒进行标志。对照标志后的图像，将逆光箱上的粗集料颗粒按照上述3个长细比区间进行分类，放到对应的储物箱中。

(4) 重复上述步骤，将不同粒径的粗集料按照长细比进行分类，按粒径得到不同长细比的粗集料，为后续试验提供材料。

按照第1节中的筛分方法和步骤，对13.2~16，9.5~13.2，4.75~9.5 mm的石灰岩原状粗集料按照长细比进行筛分，得到长细比在1∶1~2∶1，2∶1~3∶1，>3∶1这3个区间的粗集料。在本研究中，“原状粗集料”是指未按长细比进行分类的粗集料，在原状粗集料中包含不同长细比的粗集料颗粒。

表 1显示了13.2~16，9.5~13.2，4.75~9.5 mm石灰岩原状粗集料中不同长细比颗粒的分布情况。由表 1可知：(1)在13.2~16 mm粗集料中，长细比在1∶1~2∶1区间内的颗粒比例超过了50%，长细比在2∶1~3∶1区间内的颗粒比例约为30%；(2) 在9.5~13.2 mm和4.75~9.5 mm粗集料中，长细比在1∶1~2∶1及2∶1~3∶1区间内的颗粒比例均为40%左右；(3)在3种粒径的粗集料中，长细比在3∶1以上的颗粒比例均小于16%。

选择AC-13型沥青混合料进行试验研究。沥青选用A级70号道路石油沥青，主要技术指标如表 2所示。集料采用石灰岩集料，沥青及矿料的技术性能都满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。AC-13矿料级配选用《公路沥青路面施工技术规范》中规定的中值级配。分别使用原状粗集料(未进行长细比分类的粗集料)和不同长细比的粗集料制作马歇尔试件，测试体积指标和确定最佳油石比。按照最佳油石比成型不同类型的沥青混合料试件，进行高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性试验。

图 2是使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的最佳油石比。可以看出，粗集料的长细比越大，沥青混合料的最佳油石比越大。这是因为，长细比越小，粗集料颗粒立方性程度越高，形状越趋近于球体。在体积相同的情况下，球体的表面积最小。因此，粗集料长细比越小，所需裹覆的沥青越少，沥青混合料的最佳油石比越低。这进一步说明，在沥青混合料中，提高立方体粗集料颗粒的比例可以降低最佳油石比。

图 2 粗集料形状对最佳油石比的影响 Fig. 2 Influence of coarse aggregate shape on optimal asphalt-aggregate ratio

图选项

图 3是使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的体积指标。可以看出，(1)随着粗集料长细比的增大，沥青混合料的毛体积密度逐渐减小，矿料间隙率逐渐增大。这是因为，在相同压实功下，粗集料长细比越大，越难以压实，导致沥青混合料密度降低、矿料间隙率增大。(2)粗集料长细比对沥青混合料的空隙率影响较小，这跟确定最佳油石比时空隙率的取值有关。(3)随着粗集料长细比的增大，沥青混合料的沥青饱和度逐渐增加，这是最佳油石比增加导致的结果。(4)使用原状粗集料时，沥青混合料的毛体积密度和沥青饱和度最大，空隙率和矿料间隙率最小。这是因为，在原状粗集料中，不同长细比的颗粒相互嵌挤形成较为密实的结构，导致沥青混合料密度指标增加、空隙指标降低。

图 3 粗集料形状对体积指标的影响 Fig. 3 Influence of coarse aggregate shape on volume indicators

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图 4显示了使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的马歇尔稳定度和流值。可以看出，(1)随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的马歇尔稳定度呈降低的趋势，流值呈增大的趋势。(2)当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的马歇尔稳定度急剧降低；(3)采用长细比在1∶1~2∶1区间的粗集料制备的沥青混合料的马歇尔稳定度最高，流值最小。

图 4 粗集料形状对马歇尔稳定度和流值的影响 Fig. 4 Influence of coarse aggregate shape on Marshall stability and flow value

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图 5显示了使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的动稳定度。可以看出，(1)随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的动稳定度先增加后减小，采用长细比在2∶1~3∶1区间的粗集料制备的沥青混合料的动稳定度最高。这说明采用立方性最强的粗集料制备的沥青混合料的高温性能并不是最好。(2)当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的动稳定度急剧降低。(3)原状粗集料制备的沥青混合料具有较高的动稳定度。产生上述结果的可能原因是：长细比为1∶1~2∶1的粗集料颗粒形状趋近于立方体，拌和而成的沥青混合料内部排列相对规则，不能形成有效的嵌挤结构，在车轮反复荷载作用下易变形。长细比为2∶1~3∶1的粗集料颗粒，由于形状的不规则性，颗粒之间能形成嵌挤型骨架结构，拌和而成的沥青混合料抗变形能力强。当长细比大于3∶1时，颗粒形状为针状或片状，在车辙试验碾压过程中容易产生破碎，抗车辙能力差。在另一项研究中，研究了不同长细比的粗集料对碎石混合料抗剪性能的影响^[18]，基于真实集料颗粒在离散元软件PFC3D中构建了不同长细比的粗集料模型，并构建了碎石混合料三轴剪切离散元试件。在50 kPa和100 kPa围压下，碎石混合料的抗剪能力从大到小依次为2∶1~3∶1粗集料、原状粗集料、1∶1~2∶1粗集料、3∶1以上粗集料，与本研究结果一致。这进一步说明，长细比在2∶1~3∶1区间的粗集料能形成更好的骨架结构。

图 5 粗集料形状对高温稳定性的影响 Fig. 5 Influence of coarse aggregate shape on high-temperature stability

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图 6显示了使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的破坏应变。可以看出，随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的破坏应变呈增加趋势，当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的破坏应变显著增加。这表明，粗集料长细比越大，沥青混合料的低温抗裂性越强。产生上述结果的原因可能是：随着粗集料长细比的提高，颗粒比表面积增加，可裹覆的沥青更多，沥青混合料的最佳油石比越大，在荷载作用下能够承受较大的变形而不断裂，从而提高了混合料的抗低温开裂性能。此外，相对于立方性较强的粗集料颗粒，针片状颗粒在不规则排列下能够产生更强的面-面接触和黏结作用，能够更好地抵抗低温开裂。

图 6 粗集料形状对低温抗裂性的影响 Fig. 6 Influence of coarse aggregate shape on low-temperature crack resistance

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图 7显示了使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制备的沥青混合料的水稳定性。可以看出，随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的浸水稳定性和冻融稳定性都逐渐降低。这表明，粗集料的立方性越高，沥青混合料的水稳定性越好。产生上述结果的原因可能是：采用长细比较大的粗集料制备的沥青混合料不易压实，混合料中连通型空隙较多，水分更易浸入沥青混合料内部，降低了沥青混合料的水稳定性。

图 7 粗集料形状对水稳定性的影响 Fig. 7 Influence of coarse aggregate shape on water stability

图选项

本研究借助图像处理装置，对13.2~16 mm，9.5~13.2 mm，4.75~9.5 mm的石灰岩粗集料按照长细比进行筛分，得到长细比在1∶1~2∶1，2∶1~3∶1，>3∶1这3个区间的粗集料。分别使用原状粗集料和不同长细比的粗集料制作沥青混合料试件，研究了粗集料形状对沥青混合料最佳油石比、体积指标和力学性能的影响。主要结论如下：

(1) 粗集料的长细比越大，沥青混合料的最佳油石比越大。提高立方体粗集料颗粒的比例可降低沥青混合料的最佳油石比。随着粗集料长细比的增大，沥青混合料的毛体积密度逐渐减小，矿料间隙率逐渐增大，沥青饱和度逐渐增加。

(2) 随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的马歇尔稳定度呈降低趋势，流值呈增大趋势。当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的马歇尔稳定度急剧降低。采用长细比在2∶1~3∶1区间的粗集料制备的沥青混合料的动稳定度最高，当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的动稳定度急剧降低。

(3) 随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的破坏应变呈增加趋势，当粗集料长细比大于3∶1时，沥青混合料的破坏应变显著增加。这表明，粗集料长细比越大，沥青混合料的低温抗裂性越强。

(4) 随着粗集料长细比的增加，沥青混合料的浸水稳定性和冻融稳定性都逐渐降低。这表明，粗集料的立方性越高，沥青混合料的水稳定性越好。