路用集料力学指标衰减规律及其相关性

孔令云，曹慧平，唐樊龙，沈 鹃

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

路用集料力学指标衰减规律及其相关性

孔令云1，曹慧平2，唐樊龙2，沈 鹃3

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

通过对石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩4种集料的磨光值试验、磨耗值试验、冲击值试验、压碎值试验、坚固性试验等试验进行了分析，并对几种集料的抗滑耐磨性能进行了研究。通过以上研究得出：在标准条件下所选用的几种集料的力学指标存在一定的相关性；本研究中使用的石灰岩、砂岩相当的石灰岩、砂岩作沥青路面抗滑表层的集料，在技术上是可行的；在交通量不大且地形平缓时，采用石灰岩作为抗滑表层的集料基本可以满足高速公路使用期内(大中修之前)的抗滑耐磨性能。通过以上各个方面的研究，从抗滑耐磨的角度综合分析、评价采用石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩4种集料作为沥青抗滑表层材料的可行性。

道路工程；衰减规律；回归分析；集料性能；沥青路面

0 引 言

随着我国公路事业的不断发展，车辆对沥青路面的要求也越来越高。除了满足温度稳定性和耐久性外，沥青路面对抗滑性能的要求也越来越高。沥青路面抗滑性能指的是当车辆刹车时，轮胎与沥青路面之间的抗滑能力大小[1-2]。抗滑性能指标直接影响着道路的安全性能，抗滑性能越好，则意味着在刹车时，高速行驶的汽车与路面之间具有足够的制动力，更容易减速，从而交通安全得到了更好的保证。参考国内其他学者的研究资料[3-8]，集料在沥青混合料的总质量中占了约95%比例，所以粗集料和细集料的性能的好坏对沥青混合料路面的使用性能有重要影响。通过对石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩4种集料的磨光值试验、磨耗值试验、冲击值试验、压碎值试验、坚固性试验等进行分析，同时从抗滑耐磨的角度综合分析、选择最佳集料搭配作为沥青抗滑表层材料。

1 集料力学指标试验结果及分析

集料本身的物理力学特性对沥青混合料的路面性能具有重要的影响。国内研究对集料力学性能涉及的参数主要包括磨光值、磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性等指标。为了研究集料在沥青路面表层使用中的抗滑耐磨性能，本研究将采用现行JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]中规定的试验方法，研究不同集料的几种力学指标的变化规律，分析这些集料在沥青路面表面层中应用的可行性。

1.1 集料的耐磨光性能

用作沥青路面面层的集料长时间在车轮的碾压和磨耗下，一段时间之后就会把集料表面裹附的沥青层磨掉而显现出集料来，此时路面的抗滑性能需要集料本身的摩擦力来保证。集料的耐摩擦性能可以通过集料的磨光值来体现，集料的磨光值越大则反映集料抗滑性能越佳。

按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]进行试验，为了分析几种集料在较长时期的抗滑耐磨性能，在进行标准试验基础上，延长磨光时间。试验结果见图1。

图1 磨光值与标准磨光次数之间的关系Fig. 1 Relationship between the polishing value and the standard grinding times

由图1可看出，同样的荷载下，几种集料的磨光性能由好到次为：砂岩、玄武岩 、石灰岩、花岗岩。所选集料的磨光值和时间存在线性关系，且线性都较明显。通过图中的线性斜率可知，砂岩的耐磨性能最佳，石灰岩耐磨性能最差，花岗岩与玄武岩的磨光值衰减速度相差不大。

1.2 集料的耐磨耗性能

在道路建设中，集料的使用性能一般通过粗集料的洛杉矶磨耗损失指标来体现，抗滑表层中集料的磨耗值经常用来反映集料抗摩擦、撞击的能力，通过磨耗损失百分比体现。选用JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]中的试验方法来测试磨耗值。该试验规程的标准磨耗试验的转动次数为500转，在试验中增加了磨耗转数来估测路面面层在使用过程中的磨损情况，转数依次为700,900,1 100，试验结果见图2。

图2 磨耗转数与磨耗值关系Fig. 2 Relationship between wear speed and wear value

由图2可以得出，磨耗转数一致时，石灰岩集料的耐磨耗性能较佳，其次是砂岩，花岗岩、玄武岩的磨耗损失率相当。4种集料的磨耗损失都随磨耗转数的增加呈线性上升。图中的斜率表征了磨耗转数增加下磨耗损失的速度，石灰岩最快，其次是砂岩、花岗岩、玄武岩。

1.3 集料的抗冲击性能

路面所承受的冲击力主要来自于路面车辆的通行，车辆附加给路面的冲击通过面层逐渐向基层传递。面层的粗集料承受了大部分的面层冲击力，从而集料的抗冲击能力也是影响路面的服务水平和使用周期的一个主要因素。

依照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]中的试验方法进行试验。为了分析冲击次数对集料抵抗冲击能力的差异的影响程度，在规程规定的标准冲击次数基础上，依次增加5次冲击次数。试验结果见图3。

图3 冲击次数与冲击值关系曲线Fig. 3 Relationship curve of impact times and impact value

通过图3可以得出，在冲击次数相同时，石灰岩集料的冲击值最大，其次为砂岩、花岗岩、玄武岩。所选用集料的冲击值都与冲击次数之间呈直线上升关系。冲击值随着冲击次数增加的增长速度表现为线性的斜率。

1.4 集料的抗压碎性能

为了评价集料在道路工程的适用程度，集料的压碎值又是一项重要的力学指标。简单来说就是集料在荷载逐渐增加条件下的抵抗压碎能力大小。

按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]中的试验方法，在10 min内匀速将荷载加到400 kN，同时又依次增加了几组荷载以便更好地分析集料在不同荷载条件下的抗压碎性能，荷载增加速度为每分钟40 kN。上述试验方法的试验结果见图4。

图4 荷载与压碎值关系曲线Fig. 4 Relationship curve of loading and crushing value

通过图4可以看出，在荷载值固定时，4种集料的压碎值大小各不相同。石灰岩抗压碎性能最差，其次为砂岩、花岗岩，玄武岩的抗压碎性能最好。同时，压碎值随荷载增加呈现较好的线性关系。荷载不断增加情况下各集料的压碎值上升速率也不尽相同，其中砂岩速率最慢最为明显。

1.5 集料的坚固性能

石料的自然风化和抵抗外界因素破坏能力是通过集料的坚固性能体现的，这一性能影响着集料的耐久性。

按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[9]的试验方法对集料进行4 h的浸泡，浸泡之后再进行4 h的105 ℃左右(±5 ℃)烘干，循环5次。为了分析集料在不同循环次数下的坚固性能，将循环次数增加为10，15，20次依次试验，采用上述方式的试验结果见图5。

图5 冻融循环次数与坚固性关系曲线Fig. 5 Relationship curve of freezing and thawing cycles and soundness

通过图5得出，几种集料的质量损失情况都与循环次数呈二次函数关系，但花岗岩是较好的线性。几种材料在荷载不断增加情况下，质量损失速率有快有慢。按坚固性指标，同等循环次数下玄武岩的坚固性最好，其次是花岗岩、石灰岩，砂岩的坚固性最差。

2 集料抗滑耐磨试验指标间相关性分析

2.1 标准条件下各指标之间相关性分析

通过一系列试验方法，对石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩等4种材料耐风化能力、抗滑耐磨性能等方面进行了试验研究。在标准试验条件下，4种集料磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性、磨光值试验结果汇总于表1。

表1 标准试验条件下4种材料各项指标汇总Table 1 Summary of various indexes of four kinds of materials at standard test conditions

从上表给出的4种集料测试结果以及现行规范对沥青路面表层所用集料的基本要求,可以看出这4种集料所测试的几项指标均符合技术标准。下面讨论在标准条件下，磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性、磨光值这5个指标之间的相关性。图6～图9分别将磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性、磨光值与其它指标做线性相关性分析，并将结果汇总于表2。

图6 磨耗值与其它指标间的关系Fig. 6 Relationship between wear value and other indexes

图7 冲击值与其它指标间的关系Fig. 7 Relationship between impact values and other indexes

图8 压碎值与坚固性、磨光值之间的关系Fig. 8 Relationship among crushing value, firming value and polishing value

图9 坚固性与磨光值的关系Fig. 9 Relationship between firming value and polishing value

表2 标准条件下5种力学指标的关系
Table 2 Relationship of five kinds of mechanical indexes at standard test conditions

相关系数力学指标冲击值压碎值坚固性磨光值磨耗值0.95100.97600.41820.6825冲击值0.98300.96000.0970压碎值0.93760.1102坚固性0.3688

2.2 各指标衰减规律之间的相关性分析

4种集料的磨耗值、冲击值、压碎值、磨光值与试验周期之间存在线性关系，但是，不同的材料，其线性的斜率各不相同。因为坚固性能的线性与其它几种指标不同，故不放在这里讨论。除坚固性外的4种技术指标衰减系数详见表3。

表3 不同技术指标的线性回归方程的斜率汇总Table 3 Slope summary of linear regression equations of different technical indexes

下面讨论4种集料不同指标衰减系数之间的相关性，图10～图12分别将磨耗值、冲击值、压碎值、磨光值与其它技术指标做线性相关性分析，并将结果汇总于表4。

表4 各指标之间衰减规律的关系

图10 磨耗值与其它指标的关系Fig. 10 Relationship between wear value and other indexes

图11 冲击值与压碎值、磨光值的关系Fig. 11 Relationship among impact value, crushing value and polishing value

图12 压碎值与磨光值的关系Fig. 12 Relationship between crushing value and polishing value

3 结 论

笔者对4种材料的集料抗滑耐磨性能进行了试验研究，得出主要结论如下：

1)在标准试验条件下，4种集料的磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性、磨光值均能满足规范要求。

2)研究涉及的石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩等4种材料，没有一种材料的所有指标都是最好的。砂岩的磨光值最大但是其坚固性最差，石灰岩的各项指标相对于其他材料处于中等偏下水平，玄武岩的各项指标相对均较好。因此，在选择材料的过程中，应根据具体工程的要求，有针对性的进行材料的选择。

3)4种集料技术指标的衰减都呈线性关系，且线性相关系数均较大。

4)根据集料在各技术指标下的回归方程的斜率可以看出，不同集料衰减速度的快慢。

通过标准条件下各指标之间的相关性分析可以得出以下结论：

1)集料的各项指标需满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[10]中的相关技术要求。

2)在相同的试验条件下，从磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性4个指标看，石灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩的优劣顺序基本为：石灰岩<砂岩<花岗岩<玄武岩。

3)从指标间的相关性来看，指标间的两两相关性是磨耗值与其它指标的最大。

4)从具体相关系数来看，磨光值与其它技术指标的相关性都较差，压碎值和冲击值与除磨光值之外的技术指标的相关性较好，都有0.9以上的相关性。磨耗值与坚固性两者相关性较差，但分别与冲击值、压碎值相关性较好，而与磨光值相关性差。

通过各指标衰减规律之间的相关性分析可得出以下结论：

1)4种材料中，对磨耗值、冲击值、压碎值、磨光值指标而言，石灰岩的衰减速度最快，也就是说，4种材料当中，石灰岩的抗滑耐磨性能是最弱的。

2)砂岩、玄武岩、花岗岩3种材料中，砂岩的磨耗、抗冲击性能较差，而压碎、磨光性能较好；玄武岩、花岗岩则与其相反。

3)从几个指标的相关性来看，指标间两两相关程度也各不相同且表格中均有体现。

4)从指标之间相关系数看，除了冲击值与压碎值的相关性较差之外，其它指标之间的相关性都较好。

5)各指标衰减规律间的相关性要好于标准条件下各指标之间的相关性。

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(责任编辑：朱汉容)

Attenuation Law of Mechanical Properties of Road Aggregate and Its Correlation

KONG Lingyun1, CAO Huiping2, TANG Fanlong2, SHEN Juan3

(1.Traffic Civil Engineering Materials of National and Local Joint Laboratory, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China;2.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, P.R.China)

The polishing value test, wear value test, impact value test, crushing value test and soundness test on four kinds of aggregates, such as limestone, sandstone, basalt, and granite were analyzed. And the sliding and wearing resistances of the above aggregates were also studied. It is indicated that the mechanical indexes of the above aggregates at the standard test conditions are correlated at a certain degree. It is feasible in technology that using the proposed limestone and sandstone to be the aggregates of the anti-sliding layer of the asphalt road pavement. When the traffic volume is not large and the landform is even, using limestone as the aggregate of the anti-sliding layer can basically satisfy the requirements of slide and wear resistance of highway in operation (before the medium and large repair). Through the research on above aspects, the feasibility of using four kinds of aggregates, such as limestone, sandstone, basalt and granite as the material of asphalt anti-sliding surface was comprehensively analyzed and evaluated from the point view of slide and wear resistance.

highway engineering; attenuation law; regression analysis; aggregate performance; asphalt pavement

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.07

2015-11-28；

2016- 02-29

国家自然科学基金项目(51508062)；2014年重庆高校优秀成果转化资助项目(KJZH14104)；重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2015-001)；重庆交通大学研究生教育创新基金项目(20160109)

孔令云(1976—)，女，江苏如皋人，副研究员，博士，主要从事沥青与沥青混合料方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

U416.217

A

1674- 0696(2017)05- 035- 05