路用粗集料抗滑耐磨性能衰减规律试验研究

2020-06-04邓德毅邓海斌陆新民

公路交通科技 2020年5期

谭乐，吴敏，邓德毅，邓海斌，陆新民

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.湖州市公路管理局，浙江湖州 313000；3. 广东省机场管理集团公司工程建设指挥部，广东广州 510470)

0 引言

沥青路面抗滑表层是指直接承受车辆荷载、抵抗外界环境因素变化，并具有防滑功能的面层，也被称为磨耗层。而抗滑表层所处的特殊工作环境决定了抗滑表层对粗集料的性能要求较高，一般用于抗滑表层的粗集料应坚硬、耐磨、不透水、良好棱角性、化学稳定性以及与沥青具有良好的黏附性，同时应该洁净、干燥、无风化颗粒和无杂质。实际上，相较于中下面层，抗滑表层对粗集料抗滑耐磨性能提出了更高的要求。目前，评价粗集料抗滑耐磨性能方面的指标主要有磨光值(PSV)、磨耗值(AAV)、冲击值(LSV)、集料硅含量(Silica%)、集料燃烧损失法(LOI)等[1]。磨光值最早由英国运输和道路研究所用于评价集料表面微观构造，该方法在1976年被写进了英国试验规程，现今已成为欧洲评价集料性能的标准方法[2]。磨耗值用于确定石料抵抗表面磨损的能力，磨耗试验是优选石料的一个重要手段，世界上大部分国家的沥青路面规范都对磨耗损失提出了要求。冲击值反映石料抵抗冲击荷载的能力。集料抗冲击能力的强弱在一定程度上决定了路面的服务能力和使用年限，且集料冲击值与磨光值有较好的相关性，因此也会被用来评价集料的抗滑性能[3]。另外，集料硅含量被美国材料与试验协会标准采用表征集料的耐磨性能[4]；集料燃烧损失质量也被用来评价集料的耐磨性能[5]。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F50—2004)主要以磨光值和洛杉矶磨耗值来评价粗集料的抗磨光和抗磨耗性能，磨光值越大表明集料抗磨光性能越好[6]，磨耗值越小表明集料抵抗外物磨损的性能越好[7]。

近些年，国内外有些学者试着从集料表面构造特征等方面研究集料的抗滑耐磨性能，如赵战利[8]借助图形识别和提取技术探讨了集料棱角性和集料颗粒形状分维的关系； T.F.Fwa[9]研究分析了集料凸出体间距对沥青路面抗滑性能的影响；曹平[10]从理论上分析了沥青路面宏观构造凸出体的高度和密度对沥青路面抗滑性能影响；苗英豪等[11]选用平均断面深度、偏斜度、驼峰度、分形维数、平均斜率、和平均曲率等6 个指标构建了二次多项式模型，精确地描述沥青路面表面宏观构造与抗滑性能间的关系。有些研究者尝试开发粗集料的抗滑耐磨性能评价新方法，如李菁若[12]提出了自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系，丛林[13]提出了基于维氏硬度的粗集料磨光值衰减模型，从硬度方面去解释集料抗滑磨光性能。另外，一些研究者也提出在评价石料或级配的潜在抗滑性能时，不能仅以集料磨光值评价路面抗滑性能，也要对沥青混合料的抗滑性能进行综合考量，如Minh-Tan Do等[14]采用W-S加速磨光仪对沥青混合料式样进行加速磨耗试验，试验结果显示室内模拟和现场测试的抗滑值趋于一致；Khasawneh[15]开发了一种用于磨耗沥青混合料的加速磨耗仪，并在沥青混合料进行试验验证时发现：石料的磨光值和以该石料为骨料的沥青混合料的摩擦系数值具有良好的相关性。

路面粗集料长期经受轮胎的磨损、冲击和碾压等综合作用，会导致裸露的粗集料产生微裂纹随后剥落或原有凸起、棱角等被磨掉，因而要维持较高水平的抗滑能力就需要粗集料在轮胎的长期磨光作用下，不至于大量磨损，大面积磨光。实践表明，除路面微观构造和宏观构造外，粗集料本身的耐磨性能也是影响路面抗滑的重要因素。因此，探索路用粗集料耐磨性能衰减规律对我国公路沥青抗滑表层的使用安全性能具有理论意义与实用价值。

1 试验原材料及其性能试验

路用粗集料由自然界硬质岩石加工而成的，岩石本身的结构和构造对粗集料的物理力学特性具有重要影响，而粗集料的某些物理力学特性在很大程度上可以反映粗集料的抗滑耐磨性能。如密度和坚固性可以看出粗集料的致密程度和抵抗破坏的能力，石料的抗压强度可以反映粗集料的强度，而压碎值、磨耗值和磨光值可以反映粗集料潜在的抗滑耐磨性能。

选取贵州省沥青路面抗滑表层常用的4种岩石粗集料：石灰岩粗集料、硅质石灰岩粗集料、辉绿岩粗集料和玄武岩粗集料。表1是4种粗集料的物理力学性能测试结果，由试验结果可知，玄武岩和辉绿岩粗集料的各项物理力学性能优于硅质石灰岩和石灰岩，其中玄武岩和辉绿岩粗集料由于磨耗值较小、磨光值较大，其抗滑耐磨性能要明显优于硅质石灰岩和普通石灰岩粗集料。另外可以发现4种粗集料的坚固性和压碎值、磨耗值、磨光值具有一致的抗滑耐磨趋势，也可以反映粗集料抗滑耐磨性能。

表1 粗集料物理力学性能[7]

2 粗集料的磨耗衰减规律

2.1 粗集料洛杉矶磨耗试验

磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果，一般划分为表面的相互作用、表面层的变化和表面层的破坏形式3个过程[16-17]。车轮与路面集料间的磨损源于轮胎滚动对路面裸露集料的撞击、摩擦等作用，是非常复杂的过程，先是沥青薄膜被慢慢磨损直至将集料暴露，接着部分裸露的集料在车轮摩擦、撞击等作用下，微观凸起部分逐渐被“击碎”，导致集料棱角被磨平。洛杉矶磨耗试验可以模拟车轮与集料的这种磨损行为。

集料洛杉矶磨耗值的计算方法一般是1.7 mm以下粒径的集料与原有集料试样质量比值，表征的是集料的磨耗损失率，为进一步探究粗集料耐磨性能随磨耗机转数的衰减规律，提出用粗集料磨耗留存率——粗集料经过磨耗仪设定转数的磨耗后，其粒径大于1.7 mm的集料占原有粗集料的质量百分比来表征粗集料抵抗磨耗的能力。参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中 T0317—2005 试验方法对集料进行磨耗试验，钢筒的回转速率为30～33 r/min，并分别设定磨耗转动次数250，500，750和1 000转，对4种不同种类粗集料进行洛杉矶磨耗试验，4种粗集料的磨耗衰减试验结果和磨耗留存率与转数关系曲线分别见表2和图1。

表2 粗集料的磨耗衰减试验结果

图1 粗集料的磨耗留存率与转数关系曲线Fig.1 Curves of relationship between abrasion retention rate and revolution of coarse aggregate

2.2 磨耗衰减试验结果及分析

由图1可见，4种粗集料的磨耗留存率均随着转数的增大而减小，并成一定的线性规律，且随着转数增大，4种粗集料磨耗留存率的差异逐渐拉大，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰减速率越快，抵抗磨耗的能力越弱。采用一元线性回归方法对试验数据拟合，置信水平为0.95，结果见表2，所建立的粗集料磨耗衰减方程对4种粗集料磨耗衰减曲线拟合良好，R2均大于0.99。

我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)采用洛杉矶磨耗试验来评价集料抵抗摩擦和撞击的能力，并提出高等级公路抗滑表层用粗集料的洛杉矶磨耗损失率不高于28%，也就是在钢筒500转情况下，粗集料磨耗留存率不低于72%。由表2可知，4种粗集料在钢筒500转时磨耗留存率均不低于72%，即使1 000转时辉绿岩和玄武岩的磨耗留存率仍高于72%，远远满足现行规范要求，这也表明玄武岩和辉绿岩这两种硬度较高的粗集料抵抗车轮磨耗、撞击性能较好。

3 粗集料的磨光衰减规律

3.1 粗集料磨光试验

沥青路面在车轮的磨光作用下，使集料的暴露程度越来越大，而集料的微观凸起在车轮压、剪等作用下逐渐被“削平”，路面的摩擦系数开始下降，直至衰减趋于稳定。粗集料的磨光值试验模拟了车轮对沥青路面粗集料的磨光行为，并能探寻粗集料磨光衰减规律，可评价集料潜在的抗磨光作用。

按照《公路工程集料试验规程》(JTGE 42—2005)对4种粗集料进行磨光值衰减试验，为保证试件的成活率，在道路轮的外弧面和磨光试件之间均匀地垫上宽为30 mm，厚度2 mm的土工布；在试件间塞上长为45 mm，宽为10 mm，厚度2 mm的土工布小垫片，以缓解高速转动时试件间产生的压应力；每轮粗砂磨光和细砂磨光的道路轮转数设置为20 000转(原57 600转)；将粗砂磨光时粗砂流量由(27 ±7)g/min调至最大34 g/min，细砂磨光时细砂流量由(3±1)g/min调至为4 g/min，水流速度保持在最大流速60 mL/min，以加快试验进程；每轮试验结束后，将试件置于40 ℃烘箱养护12 h，以防止试件破损。

3.2 磨光衰减试验结果及分析

为评价不同粗集料磨光特性，提出以粗集料磨光衰减速率(Vn) ——n轮磨光后的磨光值(PSVn)与n-1轮磨光后的磨光值(PSVn-1)差值反映粗集料抵抗磨光的能力。由表3可见，4种粗集料在同一试验条件下进行6轮磨光后，辉绿岩的最终磨光值最大达到40.4，玄武岩和硅质石灰岩其次，分别为37.0和32.8，石灰岩最终磨光值最小为28.4，表明玄武岩和辉绿岩粗集料平均磨光衰减速率明显小于硅质石灰岩和石灰岩，说明辉绿岩和玄武岩抵抗磨光作用的能力较好，硅质石灰岩其次，石灰岩较差。我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求高等级公路抗滑表层用粗集料的磨光值在极端情况下不低于42。根据试验结果推断：以粗集料初始磨光值在65左右计算，如果粗集料磨光值首轮磨光衰减速率超过23，则磨光值基本满足不了规范极端情况下的磨光值要求；如果粗集料磨光稳定终值在42以上，则磨光值必然满足极端情况下的磨光值要求。

表3 粗集料的磨光衰减试验结果

图2 粗集料6轮磨光后形貌图Fig.2 Morphology of coarse aggregate after 6 rounds of polishing

磨光值衰减试验表明，不同粗集料的磨光值衰减速率和衰减幅度存在差异。图2是4种粗集料6轮磨光后的试件表面形貌对比图，由图发现，玄武岩和辉绿岩表面颜色均一且较深，凹凸性较好，硅质石灰岩表面颜色深浅不一，表面构造具有较大的不均匀性，石灰岩表面颜色最浅，表面粗糙度小，几乎成一光面。玄武岩和辉绿岩是由岩浆喷出地表后冷凝而成，呈隐晶质或玻璃质结构，主要由斜长石、辉石、橄榄石等硬度较高，棱角性较好的矿物构成，这种材料和结构决定了玄武岩具有表面粗糙且耐磨的特性；而石灰岩主要由方解石等碳酸盐构成，硬度较低，颗粒较软，构造均匀，从而导致其易于磨损，保持构造能力较差；与石灰岩相比，硅质石灰岩内部含有较高含量的SiO2，且SiO2在岩石结构中形成结核或条带从而使硅质石灰岩形成材质不均、组分硬度差异大的特殊形态，不但提高了自身的抵抗磨光的能力，而且在磨损中会形成构造重生的能力，有利于集料的抗磨光[18]。

另外，从图3粗集料磨光值衰减趋势图来看，4种粗集料的磨光初始值相差不大，但开始几轮磨光后的磨光值差异逐渐拉大，后期几轮磨光后磨光值差异开始减小且渐趋于稳定；开始的几轮磨光试验中，粗集料的磨光衰减速率较快，但随着磨光轮数的增加，粗集料磨光衰减速率逐渐减小，最后趋于零。根据磨光值衰减趋势可知，衰减曲线并非简单的线性形式，而是先快速下降后变慢直至趋于稳定。

图3 粗集料磨光值衰减趋势图Fig.3 Attenuation curves of polishing value of coarse aggregate

粗集料的磨光特性是评价粗集料抗滑耐磨性能的重要方面，磨光值试验是目前评价粗集料抗滑能力最好的室内试验之一。因此，探索不同粗集料磨光衰减曲线趋势和规律在很大程度上将有助于甄别粗集料抗滑性能优劣，同时也能在一定程度上预测粗集料磨光值的衰减速率及其稳定终值，从而为抗滑表层用粗集料的选择提供重要的参考价值。