粗集料形态特征对沥青混合料抗滑性能的影响研究

傅　伟，刘超群，卜　胤

(1.江西省高速公路投资集团有限责任公司抚州管理中心，江西　南昌　330086；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西　南昌　330025；3.江西省交通科学研究院，江西　南昌　330038)

粗集料形态特征对沥青混合料抗滑性能的影响研究

傅伟1，刘超群2，卜胤3

(1.江西省高速公路投资集团有限责任公司抚州管理中心，江西南昌330086；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西南昌330025；3.江西省交通科学研究院，江西南昌330038)

傅伟(1967—)，高级工程师，主要从事公路与桥梁研究工作；

刘超群(1981—)，工程师，博士，主要从事公路与桥梁研究工作；

卜胤(1990—)，技术员，硕士，主要从事道路与铁道工程研究工作。

江西省交通运输厅重点科研项目(项目编号：2015C0022)

摘要：粗集料对于沥青路面的宏观构造和微观构造的形成都具有重要作用，其形状、棱角和表面纹理与路面表层的抗滑性关系密切。文章分别采用经过0次、300次和1 000次洛杉矶磨耗的不同棱角性粗集料组成AC-16C与SMA-16级配沥青混合料，并采用摆式摩擦系数仪法和铺砂法分别测量其摩擦系数和构造深度，同时，通过AIMS Ⅱ扫描沥青混合料试件表面，从细观尺度分析粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响机理。结果表明：粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响较大，两者之间具有较好的线性相关关系。

关键词：粗集料；形态特征；沥青混合料；抗滑性能；AIMS Ⅱ

0引言

沥青路面的抗滑性能是筑路材料、路面设计和施工工艺等各项技术的综合评价，它反映了特定条件下路面抵抗车辆产生滑移能力的大小，即车辆与路面产生滑动摩擦时阻力的大小，是影响车辆行驶安全的一个重要指标。

抗滑性能取决于路表的宏观纹理和微观纹理，其中宏观纹理是指由集料颗粒排列所产生的结构构造纹理，主要受集料的形状、棱角、粒径和级配等因素影响[1，2，3]。微观纹理是指路表面集料颗粒本身的纹理，受集料的表面粗糙度影响[4，5]。国内沥青路面规范提出的评价路面抗滑性能的方法包括铺砂法、摆式仪法、激光构造深度仪测定法和摩擦系数测试车法。其中铺砂法和激光构造深度仪法能够测定路面的宏观构造深度，摆式仪法和摩擦系数测试车法能够测定路面的摩擦系数。

本文采用AC-16C与SMA-16级配沥青混合料，对于各级配类型，分别采用经过0次、300次和1000次磨耗的不同棱角性粗集料组成沥青混合料，对成型好的各试件采用摆式摩擦系数仪法和铺砂法分别测量其摩擦系数和构造深度，以研究粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响，并建立两者之间的相关关系。最后，通过AIMS Ⅱ扫描沥青混合料试件表面，从细观尺度分析粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响机理。

1材料组成

为了研究粗集料棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响作用，需要采用棱角性不同，而其它矿物性能相同的粗集料分别成型沥青混合料试件。为此，本文选择利用洛杉矶磨耗仪改变同种石灰岩集料的形态特征，通过设置不同的磨耗次数来获取不同棱角性的粗集料，首先，将一定重量的含有各档粒径的粗集料倒入转筒中，然后，拧紧盖子封闭，最后在设置一定的磨耗次数后，直接运行洛杉矶磨耗仪，直至完成设定次数的磨耗。在磨耗试验中不加入钢球，是因为钢球容易导致集料破碎，使其棱角性变得更大，从而起不到磨蚀集料棱角的作用。

国内外对集料形态特征的评价已经有大量的研究[6，7，8，9，10]。本文采用X-RayCT技术获取粗集料的三维棱角信息，通过MATLAB自编的算法程序对图像进行处理分析，计算算法的原理是对于粗集料三个正交视图方向的断层图像，均通过集料断层面积对等效椭圆法二维棱角指标进行加权，求得粗集料的整体综合棱角值，最后，计算集料在三个视图方向的综合棱角值的均值以表征粗集料的三维棱角性，计算公式见式(1)。不同磨耗次数粗集料的三维棱角测量结果见图1。

等效椭圆法三维棱角：3DA=

(1)

式中：

Pti，Pri，Pfi——分别为集料在顶视图、右视图和前视图方向的断层图像的周长，mm；

Ati，Ari，Afi——分别为集料在顶视图、右视图和前视图方向的断层图像的面积，mm2；

Pte，Pre，Pfe——分别为集料在顶视图、右视图和前视图方向的断层图像的等效椭圆周长，mm；

nt，nr，nf——分别为集料在顶视图、右视图和前视图方向的断层图像数量；

i——集料的第i张断层图像。

图1　粗集料棱角性测量结果图

本文所采用的石灰岩集料的其它性能指标及石灰岩矿粉的相关性能指标如表1~3所示。沥青选用SK-90#基质沥青，其基本性质如表4所示。

表1　粗集料基本性能表

表2　细集料基本性能表

表3　矿粉基本性能表

表4　沥青基本性质表

为研究粗集料的棱角性对不同结构类型沥青混合料抗滑性能的影响，本文选择AC-16和SMA-16两种典型的级配类型。为了凸显粗集料的作用，采用AC-16粗型级配，SMA-16则采用规范推荐的级配中值，具体的级配组成如表5所示。

表5　沥青混合料级配组成表

为了避免沥青用量对混合料性能的影响，仅将粗集料的棱角性作为单因素分析，本文采用磨耗次数为0(未经过磨耗)的粗集料来确定各级配的最佳油量。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的马歇尔试验设计方法，最终确定AC-16级配沥青混合料的最佳油量为4.1%，SMA-16级配沥青混合料的最佳油量为5.5%。在SMA-16沥青混合料中掺加3‰的聚酯纤维，其当量直径为13±3 um，密度为1.18 g/cm3。

对于各级配类型，分别采用经过0次、300次和1 000次磨耗的不同棱角性粗集料组成沥青混合料，将沥青混合料在轮碾机上成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，每种沥青混合料成型3个平行试件。对成型好的各试件采用摆式摩擦系数仪法和铺砂法分别测量其摩擦系数和构造深度，以研究粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响，并建立两者之间的相关关系。为了从细观尺度分析粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响机理，分别采用经过0次、300次、1 000次磨耗的粗集料成型沥青混合料马歇尔试件，每组成型2个平行试件，两种级配总共12个试件。

2试验方法

沥青路面的抗滑性能主要取决于沥青混合料表面的宏观纹理与微观纹理，宏观纹理和微观纹理特征分别可以通过构造深度TD与摩擦系数BPN表征。本文基于数字图像处理技术，还采用AIMS Ⅱ扫描设备获取沥青混合料的宏观纹理与微观纹理。

2.1　构造深度测定

通过铺砂法测定各车辙板试件的构造深度TD。(1)使用软毛刷子将车辙板清扫干净；(2)用25±0.15 ml大小的圆筒装满干燥洁净的0.15~0.3 mm粒径的匀质砂，接着将砂倒在试件表面的中心位置，并用推平板将砂均匀地摊铺成圆形，填入试件表面的空隙中;(3)用钢板尺测量所构成圆的两个垂直方向的直径，取其平均值，计算构造深度TD，其计算公式见式(2)。

(2)

式中：TD——构造深度，mm；

V——砂的体积，25 cm3；

D——摊开砂的平均直径，mm。

2.2　摩擦系数测定

通过摆式摩擦系数仪法测定各车辙板试件的摩擦系数BPN。(1)使用软毛刷子将车辙板清扫干净，并沿着与轮碾垂直的方向，每隔1/4边长处选择测点，一共3个测点；(2)将摆式摩擦系数仪置于测点位置，通过仪器调平、调零和校核滑动长度来调试仪器，调试完成后，将洁净的水喷洒在测点处；(3)按下释放开关，使摆在试件表面滑过，重复5次，并读记每次测定的摆值，取其平均值得到BPNt，再计算3个不同测点处摆值的平均值作为沥青混合料的摩擦系数。同时，使用路表温度计测量试件表面的温度，以将摆值BPNt换算成标准温度20 ℃的摆值BPN20，换算公式见式(3)。

BPN20=BPNt+ΔBPN

(3)

式中：BPN20——换算成标准温度20 ℃时的摆值；

BPNt——试件表面温度t ℃时测得的摆值；

ΔBPN——温度修正值。

2.3　AIMSⅡ扫描

Masad在AIMS Ⅱ中开发了一个用于扫描获取沥青混合料试件表面特征的功能，该功能通过测量试件表面不同位置距离底部水平面的高度和试件表面粗集料的表面纹理，表征沥青混合料试件表面的宏观构造特征与微观纹理特征，以评价混合料表面的宏观粗糙度与微观粗糙度。AIMS Ⅱ可以扫描直径为100 mm或150 mm，高度低于35 mm的沥青混合料试件。具体的工作原理如下：

2.3.1试验前准备工作

在扫描之前，需要将集料测量模式切换为试件扫描模式。然后，将符合尺寸要求的沥青混合料试件放置于25 mm集料旋转托盘上，试件的初始位置应位于相机视野范围外的左侧，同时试件的中心应处于托盘的凹槽内，如图2所示。

图2　AIMSⅡ扫描沥青混合料表面图

2.3.2确定扫描参数

(1)确定输入的试件高度参数应该略微小于试件的实际高度值，以便粗略定位显微镜的对焦距离，如果试件高度参数比实际高度值大，则会导致对焦错误。(2)确定试件的直径以及扫描间距和跨距，试件直径参数根据实际的直径确定。扫描间距表示相邻高度测量位置之间的距离，可在0.2~10 mm范围之间选择，扫描间距越小，获取沥青混合料试件的表面特征信息越详细，但扫描时间会增加。扫描跨距表示表面测量的直径范围，扫描跨距必须小于试件的直径，选择的扫描跨距越大，扫描时间也越长。

2.3.3扫描过程

总共需要进行5次扫描，每次扫描均在不同放大倍数下捕获试件的表面图像，放大倍数分别为×15.8、×12.6、×6.27、×3.13、×1.2。第一次扫描是在最大放大倍数下测量试件表面不同位置距离底部水平面的高度，随后的四次扫描依次在逐步降低的放大倍数下测量4.75/9.5 mm、9.5/13.2 mm、13.2/16 mm、16/19 mm粒径粗集料的表面纹理，这是因为放大倍数越小，显微镜的拍摄视野越大，能够捕获更大粒径集料的表面纹理图像。

2.3.4试验后导出结果

当扫描完成后，AIMS软件将所有的测量分析结果导入到预先设定路径下的Excel表中。

3试验结果分析

对于各级配不同棱角性沥青混合料的构造深度TD，其测量结果如图3所示。

图3　构造深度TD测量结果图

从图3中可以看出，AC-16与SMA-16沥青混合料的表面构造深度均随着粗集料棱角性的降低而变小，表明粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能有一定的影响，棱角性越低，抗滑性能越差。这是因为粗集料棱角性的降低使混合料表面空隙减少，从而导致表面凹凸程度变小。因此，采用棱角性低的集料铺筑路面，对行车安全不利，特别是在雨天潮湿路况下，容易出现交通事故。从图中还可以看出，在磨耗次数相同的情况下，SMA-16沥青混合料比AC-16沥青混合料的构造深度大，表明SMA级配比AC级配沥青混合料的抗滑性能好。因此，对抗滑性能要求高的路面，如机场道面、长纵坡路面等，推荐采用SMA级配沥青混合料。

为了建立粗集料棱角性与沥青混合料抗滑性能之间的关系，对于各级配沥青混合料，采用origin软件对粗集料的平均等效椭圆三维棱角值3DA和混合料表面构造深度TD进行线性拟合，拟合结果如图4所示。

图4　粗集料三维棱角值与沥青混合料表面构造深度相关关系图

图4线性拟合结果表明，对于AC-16和SMA-16沥青混合料，其粗集料三维棱角性与沥青混合料表面宏观纹理之间均具有很好的线性关系，AC-16沥青混合料的线性相关系数高达0.993，SMA-16沥青混合料的线性相关系数稍低，为0.978。

对于各级配不同棱角性沥青混合料的摩擦系数BPN，其测量结果如图5所示。

图5　摩擦系数BPN测量结果图

从图5中可以看出，AC-16与SMA-16沥青混合料的表面摩擦系数均随着粗集料棱角性的降低而变小，表明粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能有一定的影响，棱角性越低，抗滑性能越差。此外，在磨耗次数相同的情况下，AC-16沥青混合料比SMA-16沥青混合料的摩擦系数大，但相差较小，表明AC级配沥青混合料的微观纹理比SMA级配沥青混合料的微观纹理稍大。这是因为密级配AC沥青混合料表面空隙较少，摆式摩擦系数仪上的橡胶片在摆动过程中与集料接触较多，导致摆值较小。然而，由于SMA级配沥青混合料的宏观纹理明显比AC级配沥青混合料的宏观纹理大，综合比较可以得出，SMA级配仍然比AC级配沥青混合料的抗滑性能好。

采用origin软件对粗集料的平均等效椭圆三维棱角值3DA和混合料表面摩擦系数BPN进行线性拟合，拟合结果如图6所示。

图6　粗集料三维棱角值与沥青混合料表面摩擦系数相关关系图

图6表明，对于AC-16和SMA-16沥青混合料，其粗集料三维棱角性与沥青混合料表面微观纹理之间均具有很好的线性关系，AC-16沥青混合料的线性相关系数高达0.998，SMA-16沥青混合料的线性相关系数稍低，为0.958。

从以上沥青混合料抗滑性能研究可以得知，粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能影响较大，棱角性越低，抗滑性能越差，它们之间具有显著的线性相关关系。粗集料的棱角性对沥青混合料表面宏观纹理的影响最大，其次是对沥青混合料表面微观纹理的影响。另外，相比较于AC级配沥青混合料，SMA级配沥青混合料的抗滑性能更好。

按照前面介绍的方法测量具有不同表面特性的沥青混合料试件，测量结果如图7所示。图中，通过试件表面不同位置高度的变化可以表征沥青混合料的宏观构造，通过测量混合料表面集料的AIMS纹理指标可以表征沥青混合料的微观纹理，AIMS纹理指标是采用小波分析法获取粗集料表面纹理信息并对其进行量化得到的。计算公式见

式(4)。

(4)

式中：D——分解函数；

N——张图像中细节系数的总数量；

i——第i张高精度图像；

j——小波指数；

x，y——在转换域中细节系数的横、纵坐标。

从图7中可以看出，对于AC-16和SMA-16级配沥青混合料，随着组成它们的粗集料经受的磨耗次数越多，混合料表面高度变化的频率越低、幅度越小，同时，分布于高纹理区域的集料数量越少，表明沥青混合料表面的宏观粗糙度与微观粗糙度均变低。这是因为粗集料经受的磨耗次数越多，其棱角性越低，导致沥青混合料的表面粗糙度越低。此外，从图中还可以看出，对于由相同磨耗次数粗集料组成的不同级配沥青混合料试件，SMA-16混合料的表面宏观粗糙度比AC-16混合料的表面宏观粗糙度高。

通过建立AIMS Ⅱ微观纹理测量结果与摆式摩擦系数仪法测量结果之间的相关性，具体分析两者之间的联系，基于计算得到的线性相关系数，定量地验证AIMS Ⅱ测量沥青混合料表面粗糙度的合理性。相关性分析结果如后页图8所示。

通过以上分析结果得知，铺砂法和摆式摩擦系数仪法测量结果与AIMS Ⅱ测量结果之间具有较好的一致性。此外，从图8中得到，对于AC-16和SMA-16级配沥青混合料，AIMS Ⅱ微观纹理测量结果与摆式摩擦系数仪法测量结果之间的相关系数分别高达0.920 5和0.964 4，表明两者之间具有较好的线性相关性。因此，采用AIMS Ⅱ测量沥青混合料的抗滑性能是合理的。

(a)AC-16-0沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(b)AC-16-300沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(c)AC-16-1000沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(d)SMA-16-0沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(e)SMA-16-300沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(f)SMA-16-1000沥青混合料表面的宏观构造与微观纹理

(a)AC-16

(b)SMA-16

4结语

本文采用AC-16C与SMA-16级配沥青混合料，对于各级配类型，分别采用经过0次、300次和1 000次磨耗的不同棱角性粗集料组成沥青混合料，采用摆式摩擦系数仪法和铺砂法分别测量其摩擦系数和构造深度，研究粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响，并建立两者之间的相关关系。最后，通过AIMS Ⅱ扫描沥青混合料试件表面，从细观尺度分析粗集料的棱角性对沥青混合料抗滑性能的影响机理。主要得到以下结论：

(1)粗集料的棱角性越低，沥青混合料的抗滑性能越差，它们之间具有显著的线性相关关系。

(2)粗集料的棱角性对沥青混合料表面宏观纹理的影响最大，其次是对表面微观纹理的影响。另外，SMA级配沥青混合料比AC级配沥青混合料的抗滑性能好。

(3)AIMS Ⅱ基于图像处理技术测量沥青混合料表面特性是合理的，其测量结果与规范的抗滑性能试验结果之间具有很好的相关性。

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Research on the Impact of Coarse Aggregate Morphology on the Sliding Resistance of Asphalt Mixture

FU Wei1，LIU Chao-qun2，BU Yin3

(1.Fuzhou Administration Center of Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330086；2.Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330025；3.Jiangxi Transportation Research Institute，Nanchang，Jiangxi，330038)

Abstract：The coarse aggregate has an important role for the formation of macroscopic and microscop-ic structure of asphalt pavement，its shape，angularity and surface texture are closely related to the slid-ing resistance of pavement surface.This article respectively adopted the coarse aggregate with different angularity and after 0，300，and 1 000 times of Los Angeles abrasion to constitute AC-16C and SMA-16 graded asphalt mixtures，and used the pendulum friction coefficient tester method and sanding method to respectively measure their friction coefficient and structure depth，meanwhile，through scanning the asphalt mixture specimen surface by AIMS Ⅱ，it analyzed the impact mechanism of coarse aggregate angularity on the sliding resistance of asphalt mixture from the microscopic scale.The results showed that：the angularity of coarse aggregate has greater impact on the sliding resistance of asphalt mixture，with a good linear correlation between them.

Keywords：Coarse aggregate；Morphology；Asphalt mixture；Sliding resistance；AIMS Ⅱ

文章编号：1673-4874(2015)12-0007-08

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.002

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