瀝青混合料用粗集料磨光特性研究

謝兼量，馬健萍，李紅杰，范 倩，3，肖玉榮

(1.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；3.廣東交科技術(shù)研發(fā)有限公司，廣東 廣州 510550)

0 引言

抗滑性能與交通安全和行車舒適性關(guān)系密切，是車輛安全、快速行駛的保證，是對路面的基本要求[1-4]。在道路工程領(lǐng)域，對路面抗滑性能的控制主要體現(xiàn)在粗集料磨光性能的要求方面，即通過選用優(yōu)質(zhì)、耐磨集料來抵抗外界復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，保障瀝青路面的抗滑性能[5-6]。

目前，集料磨光性能檢測方法主要有洛杉磯磨耗試驗和集料磨光試驗兩種[7]。洛杉磯磨耗試驗是將集料和鋼球置于圓筒內(nèi)相互摩擦、撞擊、剪切，通過測試質(zhì)量損失，評價集料的耐磨性[8]。一方面，該方法采用鋼珠與集料摩擦碰撞方式與實際差別較大；另一方面，該方法測得的結(jié)果更偏向于評價集料的強(qiáng)度或抗撞擊能力，而非與路面抗滑性能直接相關(guān)的抗磨光性能?！豆饭こ碳显囼炓?guī)程》(JTG E42—2005)規(guī)定的集料磨光試驗是將集料制備成具有一定彎曲度的試件，采用橡膠片模擬車輛輪胎的磨光效果作用于集料表面，測試試驗一段時間后的集料表面磨光值，進(jìn)而評價集料的抗磨光性能[9]。吳斌等[9]和王寶松等[10]在對集料磨光試驗過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對容易導(dǎo)致疏漏、誤解或過程描述不詳細(xì)的操作步驟提出了改進(jìn)對策。但是，一方面，該方法制備的試件具有一定的彎曲度，導(dǎo)致擺值測試過程中，滑塊與集料表面接觸面積和接觸壓力不均勻，對測試結(jié)果造成影響；另一方面，橡膠片對集料的磨光效果與輪胎對集料的磨光效果不盡相同，導(dǎo)致測試結(jié)果與實際不符。

基于上述分析，本研究在對集料試件成型方法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，采用路面材料加速磨光設(shè)備開展集料加速磨光試驗研究，以便更真實地模擬集料磨光過程并準(zhǔn)確地進(jìn)行集料抗磨光性能的評價，為路用集料的選擇提供參考。

1 改進(jìn)的集料加速磨光試驗設(shè)計

1.1 集料加速磨光設(shè)備

采用路面材料加速磨光設(shè)備進(jìn)行集料加速磨光試驗，設(shè)備如圖1所示。該設(shè)備由兩組相互獨立的試驗加載輪、旋轉(zhuǎn)臺及防護(hù)裝置組成。磨光過程采用小型輪胎與試件相互作用的方式，更符合路面的實際磨光情況。試驗前，給定試驗壓力、旋轉(zhuǎn)速度，輪胎即可采用旋轉(zhuǎn)磨光的方式對試件進(jìn)行重復(fù)磨光作用，試驗輪跡示意圖如圖2所示。

圖1 路面材料加速磨光設(shè)備

圖2 試驗輪跡示意圖

1.2 集料磨光試件成型方法

本研究采用的集料試件是尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的板狀試件，成型方式參考傳統(tǒng)的集料磨光值試件成型方式。

a.挑選集料：將9.5～13.2 mm的集料清洗干凈，置于105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干，挑選出粒形近正方體、至少有一面為平面的集料顆粒備用。

b.加工模具：由于試驗輪跡范圍有限，為避免排料過程耗費時間，加工了集料排料模具(見圖3)。

圖3 集料磨光試件成型磨具

c.排料：將車轍板試模內(nèi)部洗凈烘干后，將集料排料模具放入車轍板試模，將集料顆粒盡量緊密地排列于集料模具的方形卡槽內(nèi)，每個卡槽內(nèi)排列一種集料試樣。

d.吹砂：用小勺將干砂填入已排好的集料間隙中，并用洗耳球輕輕吹動干砂，使之填充密實。吹去多余的砂，填砂的厚度不宜高于高度最低集料高度的2/3。同時，吹砂過程不得碰動集料，且集料表面不得有砂粒。

e.配制環(huán)氧樹脂砂漿：將環(huán)氧樹脂、固化劑與粉料按照一定比例拌勻制成環(huán)氧樹脂砂漿。

f.填充環(huán)氧樹脂砂漿：將環(huán)氧樹脂砂漿分兩次填入方形槽中并盡量填充密實。

g.養(yǎng)護(hù)：常溫養(yǎng)護(hù)48 h后脫模。

成型好的集料磨光試件見圖4，改進(jìn)前后的集料磨光試件對比見圖5。

圖4 成型好的集料磨光試件

(a)原集料磨光試件

2 集料加速磨光試驗研究

新建瀝青混凝土路面經(jīng)過一定時間的交通荷載和環(huán)境的共同作用，表面的瀝青膜會被磨耗掉，其中被包裹著的集料裸露出來并與輪胎直接接觸，導(dǎo)致瀝青路面的抗滑性能在一段時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，這種時間的長短主要由集料的特性確定。性質(zhì)差的粗集料更容易被車輛輪胎磨光，導(dǎo)致有效接觸面積衰減速度快，影響抗滑性能的耐久性。本研究主要選取南方地區(qū)常用的輝綠巖、花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖4種集料開展加速磨光試驗研究。

路面材料加速磨光設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：單輪加壓，試驗輪靜態(tài)壓力250 N(25 kg)，加載線速度30 km/h，試驗溫度20～25 ℃。為實現(xiàn)集料的加速磨光，每隔15 min在4種集料表面分別撒布質(zhì)量為2.5 g的30號金剛砂。

在輪載作用次數(shù)為0、0.25、0.5、1、1.5、2、3、4 h時，將集料試件表面清掃干凈并風(fēng)干后，分別采用擺式摩擦系數(shù)測試儀和路面抗滑紋理測試儀采集集料試件的擺式摩擦系數(shù)和三維形貌數(shù)據(jù)。

2.1 擺式摩擦系數(shù)

對各個磨光階段的集料試件進(jìn)行擺式摩擦系數(shù)采集，橡膠滑塊[9]采用集料磨光值測試用的尺寸為31.75 mm×25.4 mm×6.35 mm的橡膠片，調(diào)整滑溜塊在集料試件上的滑動長度為90 mm，采集的擺式摩擦系數(shù)衰減變化結(jié)果如圖6所示。

圖6 擺式摩擦系數(shù)衰減變化結(jié)果

為便于進(jìn)行不同集料抗磨光性能對比評價，采用磨光次數(shù)為0次時的擺式摩擦系數(shù)作為集料的抗磨光初始值評價指標(biāo)，采用磨光4 h時的擺式摩擦系數(shù)作為集料的抗磨光耐久值評價指標(biāo)，采用擺式摩擦系數(shù)的衰減值(初始值與耐久值的差值)作為集料耐磨性評價指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 集料磨光性能評價指標(biāo)

采用現(xiàn)行《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42)規(guī)定的方法進(jìn)行集料磨光試驗，并對磨光試驗后的集料擺式摩擦系數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 傳統(tǒng)方法測得的集料擺式摩擦系數(shù)

可見，不同粗集料抗磨光性能的初始值、終止值、耐磨性均存在差異，具體表現(xiàn)為：

a.花崗巖和石灰?guī)r的抗磨光初始值最大，約為70；輝綠巖其次，約為68.2；玄武巖最小，約為64.8。即初始抗滑性能：花崗巖≥石灰?guī)r>輝綠巖>玄武巖。

b.輝綠巖和花崗巖的抗磨光耐久值較優(yōu)，分別為67.8、68.4；石灰?guī)r和玄武巖的抗磨光耐久值較差，分別為64.4、62.2。即長期抗滑性能：花崗巖>輝綠巖>石灰?guī)r>玄武巖。

c.輝綠巖的抗磨光初始值與耐久值差異最小，約為0.4，其耐磨性最好；其次為花崗巖、玄武巖，分別為1.6、2.6；石灰?guī)r的耐磨性最差，抗磨光初始值與耐久值的差異約為5.4。

d.隨著磨光次數(shù)的增加，石灰?guī)r的擺式摩擦系數(shù)變化呈現(xiàn)先急速下降后趨于穩(wěn)定的趨勢；玄武巖和花崗巖的擺式摩擦系數(shù)變化呈現(xiàn)較小的下降；輝綠巖的擺式摩擦系數(shù)變化呈現(xiàn)較穩(wěn)定的趨勢。

e.采用傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法測得的4種集料磨光后的擺式摩擦系數(shù)規(guī)律一致，均為：花崗巖>輝綠巖>石灰?guī)r>玄武巖。但是，由于傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法測試集料試件的擺式摩擦系數(shù)時，滑溜塊在試件上的滑動長度分別為76、90 mm，故測得的結(jié)果大小不具有對比性，主要進(jìn)行兩種測試方法對不同集料抗磨光性能方面的區(qū)分度對比。由表1和表2可見，傳統(tǒng)的集料磨光試驗測試結(jié)果實測值差別較小，采用本研究開發(fā)的集料加速磨光試驗方法，擺式摩擦系數(shù)測試儀的滑塊滑動距離更長，不同集料試件的擺式摩擦系數(shù)值差異相對較大，即改進(jìn)的方法對不同集料抗磨光指標(biāo)的測試結(jié)果區(qū)分度更好。

2.2 集料三維形貌

輪廓均方根偏差、輪廓算術(shù)平均偏差、偏斜度、陡峭度等指標(biāo)常被用于描述瀝青路面的微觀形貌特征[11-12]，本研究將其用于集料三維形貌的評價?？紤]到集料試件的磨光過程主要針對集料表面，隱藏在集料顆粒間縫隙中的表面很難被磨到，所以本研究僅考慮分析集料表面的三維形貌數(shù)據(jù)變化過程。采用路面抗滑紋理測試儀采集集料顆粒所在的長方形區(qū)域，結(jié)果如圖7所示。

(a)花崗巖

由于集料磨光試件上的集料間縫隙與集料顆粒表面存在較大高程差，利用此特征進(jìn)行集料顆粒分割，進(jìn)而開展單顆集料表面形貌數(shù)據(jù)分析。具體方法：①將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，設(shè)定一定的閾值參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，刪除較小值，以便將集料顆粒分隔開；②確定分析對象，考慮到測試位置錯動對測試結(jié)果的影響，每個數(shù)據(jù)集合選取中間位置的完整集料顆粒作為固定的分析對象，每種類型的集料選取2顆提取出數(shù)據(jù)并分別進(jìn)行分析；③圖像調(diào)零：為避免每次測試過程中的零平面不確定造成的差異，本研究對提取出的集料表面高程數(shù)據(jù)的均值作為零平面，并進(jìn)行實際高程指標(biāo)的計算；④粗糙度指標(biāo)計算：對采集到集料顆粒的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行粗糙度指標(biāo)計算和分析，結(jié)果如圖8所示。

(a)算術(shù)平均高度

測得的4種集料表面的三維形貌指標(biāo)情況分析如下：

a.隨著磨光次數(shù)的增加，集料表面三維形貌指標(biāo)在磨光初期發(fā)生一定的波動，在磨光30 min后基本趨于穩(wěn)定。其中，花崗巖的算術(shù)平均高度和峭度在磨光過程中發(fā)生了小范圍的增大，可能是由于磨光作用使得集料表面紋理再造。

b.輝綠巖的算數(shù)平均高度和均方根高度均較大，說明其紋理特征較為均勻，可為瀝青路面抗滑性能提供較均勻的構(gòu)造。

c.石灰?guī)r的均方根高度也較大，但算數(shù)平均高度與其他集料沒有較大差異，說明是石灰?guī)r集料表面起伏變化較大，結(jié)合偏斜度和峭度指標(biāo)，可見其尖緩部位并存且高度分布相對于平均面偏下(谷)，不利于為瀝青路面提供較好的抗滑耐久性。

d.花崗巖的根均方高度較小，偏斜度>0，峭度接近于3，表示集料表面高度呈較正規(guī)分布，即尖緩部位并存，可為瀝青路面長期抗滑性能提供較優(yōu)的構(gòu)造。

2.3 集料磨光試驗指標(biāo)相關(guān)性分析

對采用改進(jìn)的集料加速磨光試驗測得的擺式摩擦系數(shù)與集料表面三維形貌指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3和表4。

表3 摩擦系數(shù)與集料表面三維形貌指標(biāo)初始值相關(guān)性

表4 摩擦系數(shù)與集料表面三維形貌指標(biāo)穩(wěn)定值相關(guān)性

可見，偏斜度穩(wěn)定值和峭度穩(wěn)定值與擺值初始值相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.94、0.86；算術(shù)平均高度穩(wěn)定值、偏斜度穩(wěn)定值與擺值耐久值相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.66、0.62；峭度初始值與耐磨性的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.89。因此，可采用峭度初始值進(jìn)行集料耐磨性的初步判斷，采用算術(shù)平均高度穩(wěn)定值和偏斜度穩(wěn)定值進(jìn)行集料磨光耐久性的初步判斷，采用偏斜度穩(wěn)定值和峭度穩(wěn)定值進(jìn)行集料初始磨光性能的初步判斷。

3 結(jié)語

a.在對現(xiàn)有集料磨光試件成型方式進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了改進(jìn)的集料加速磨光試驗。磨光試驗過程與路面實際磨光情況更貼近，對擺式摩擦系數(shù)測試結(jié)果更穩(wěn)定、準(zhǔn)確，對不同集料抗磨光指標(biāo)的測試結(jié)果區(qū)分度更好。

b.在條件允許的情況下，應(yīng)將長期抗滑性能和耐磨性較好的花崗巖、輝綠巖作為抗滑表層集料的首選，玄武巖次之，不應(yīng)將石灰?guī)r用作抗滑表層集料。

c.可采用峭度初始值進(jìn)行集料耐磨性的初步判斷，采用算術(shù)平均高度穩(wěn)定值和偏斜度穩(wěn)定值進(jìn)行集料磨光耐久性的初步判斷，采用偏斜度穩(wěn)定值和峭度穩(wěn)定值進(jìn)行集料初始磨光性能的初步判斷。