集料磨耗特性及其对混合料抗滑性能影响研究

吴建涛，王浩安*，黄谷来，曹鹏飞

(1.河海大学 道路与铁道工程研究所，江苏 南京 210098；2.华设集团股份有限公司，江苏 南京 210098)

公路建设的快速发展消耗了大量的优质石料，造成了石料短缺问题。为缓解石料供应不足的压力，回收集料的二次使用成为公路建设行业的大趋势[1-4]。然而，回收集料在经过施工、服役和铣刨后，其棱角性会有不同程度的衰减，已有研究表明，集料棱角性的不同会对沥青混合料的路用性能产生显著影响[5-6]。同时，道路上的驾驶者对沥青路面的舒适性和安全性的要求日益提高，其中，人们关注最多的也是最不可忽视的重要因素便是路面的抗滑性能。

在粗集料形状特征研究方面，现阶段常采用数字图像处理技术提出的棱角性指标来评价分析粗集料的形状特征[7-11]。汪海年等[12]基于图像处理技术提出粗集料棱角性的评价指标。ZHANG 等[13]研究提出了棱角性指标是最能代表粗集料形状特征变化的指标。WANG 等[14]采用傅里叶级数法对集料的棱角性进行评价，发现集料棱角性越强，其棱角显著性指标越大。叶奋等[15]借助数字图像处理技术来筛分粗集料，提高了集料级配设计的稳定性和准确性。MASAD 等[16]利用数字图像处理技术研究磨耗的粗集料的形状特征，发现其形状特征指标随磨耗程度加深都有不同程度的衰减规律。同时，MASAD 等[17]还使用基于数字图像处理技术的侵蚀-膨胀法对细集料的棱角性进行定量研究，但该方法在图像处理前后方面存在较大差异。而在沥青混合料抗滑性能方面，许多学者研究并建立了集料棱角性评价指标与混合料抗滑性能的相关联系[18-20]。孙洪利等[21]通过采用沥青混合料加速加载试验发现集料形状的磨损通过微观构造影响着沥青混合料的抗滑水平。HUANG 等[22]通过进行车辙试验发现，在粗集料棱角性较好的情况下，其制成的沥青混合料的抗滑性能表现也较好。李菁若等[23]利用摩擦特性测试仪采集集料的动态摩擦系数，发现不同磨耗程度的集料互掺之后其混合料的耐磨和抗滑性都得到了增强。

目前，针对粗集料棱角性评价指标的研究已有不少，相关数字图像处理技术也比较成熟，但是关于回收粗集料在二次使用过程中棱角性的变化情况及其与新粗集料棱角性变化特征的相关联系还有待研究。同时，沥青混合料的抗滑性能受其所含粗集料棱角性好坏的影响，然而，对于在确定具体级配组成时，不同磨耗程度的粗集料和不同粒径档替换的磨耗粗集料对沥青混合料的抗滑性能影响还有待研究。因此，本研究通过对料源相同的新旧玄武岩粗集料在不同磨耗次数下的棱角性进行评价，来分析新旧粗集料棱角性变化规律，并在AC-13C级配下，对不同类型的沥青混合料试件的平均棱角性进行量化，通过平均棱角性与各个抗滑试验指标的相关性来研究粗集料的不同磨耗程度和粒径对其沥青混合料抗滑性能的影响，从而为回收集料的二次使用提供有效指导。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

1)沥青。本研究根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[24]对70#基质沥青进行了针入度、延度、软化点以及60 ℃动力黏度测试，由表1可知，各项性能指标测试结果均符合相应的技术标准要求。

表1 70#基质沥青基本指标

2)集料。本研究采用的旧集料源于南京某坝区道路路面的上面层，通过铣刨方式对旧集料进行回收处理，其岩性为玄武岩。本研究使用的新集料的岩性为同一料源的玄武岩，矿粉为石灰岩。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[25]对集料进行表观相对密度、毛体积相对密度、吸水率以及针片状含量技术指标测试，由表2可知，集料的各项技术性质指标测试结果均满足相应的规范要求。表3是本研究所用的沥青混合料AC-13C具体级配组成。

表2 集料主要技术性质指标

表3 AC-13C级配组成

1.2 试件制备

1.2.1新旧粗集料磨耗处理

本研究按照试验设计，采用转速为30～33 r/min的洛杉矶磨耗仪，在保证部分粗集料(2.36～4.75 mm)、细集料、矿粉、沥青等材料种类和质量分数不变的情况下，对来自同一料源的4.75、9.5和13.2 mm的新集料和回收集料均分别进行0、400、800、1 200 r的洛杉矶磨耗。同时，为了提高试验的准确性和减小新旧粗集料棱角性指标测量的误差，本研究通过渐近分析法确定各档粒径的新旧粗集料颗粒，均选取90颗。

1.2.2车辙板试件制作

本研究按照表3所示的AC-13C级配，取集料和沥青在135 ℃、4 h进行短期老化，然后进行拌合、轮碾压成型车辙板试件。将得到的7块沥青混合料车辙板试件依据粗集料形状特征差别进行分组编号。如下所示：4.75～16 mm粒径的粗集料全部替换为经过0、400、800和1 200 r磨耗的粗集料，下面简称并且标号，A为0 r混合料、B为400 r混合料、C为800 r混合料、D为1 200 r混合料；单4.75 mm粒径的粗集料颗粒替换为磨耗1 200 r的粗集料、单9.5 mm粒径的粗集料颗粒替换为磨耗1 200 r的粗集料、单13.2 mm粒径的粗集料颗粒替换为磨耗1 200 r的粗集料，下面简称并且标号，E为13.2 mm粒径混合料，F为9.5 mm粒径混合料，G为4.75 mm粒径混合料。本研究将上述试件分为两组，其中，A试件不做任何处理，可分别作为两组类别的对照试件，第一组为编号A、B、C、D；第二组为编号A、E、F、G。

1.3 试验方案

本研究首先使用洛杉矶磨耗仪对不同粒径档的新旧粗集料颗粒进行磨耗，然后使用数字图像处理技术获取不同磨耗程度下新旧粗集料颗粒的棱角性，以此来分析新旧粗集料在不同磨耗程度下的棱角性变化规律及其相关联系。在此基础上，本研究运用控制变量法，在只改变粗集料棱角性，其它试验条件均相同的情况下，按照AC-13C级配组成，取不同磨耗次数的粗集料颗粒制作具有不同平均棱角性特征的沥青混合料试件；采用接触式测量方法中的摆式摩擦仪探究不同磨耗次数和颗粒替换粒径对沥青混合料抗滑性能的影响。另外，王宠惠[26]提出了一种用于非接触式测量中的骨料暴露率指标，该指标表明了不同磨耗程度的集料对沥青路面表面的抗滑性能有着显著影响。本研究也运用此指标来对摆值所得到的结论进行对比验证。

1.3.1棱角性的测量与计算

为了得到回收粗集料和新粗集料在不同磨耗程度下棱角性的变化特征，本研究取磨耗后的新旧粗集料颗粒进行冲洗、烘干和筛分处理，按照磨耗次数和颗粒粒径的不同分类放置，然后运用数字图像信息处理技术[27]对集料进行拍摄，利用IPP软件按照图像信息处理的基本操作流程对拍摄的粗集料颗粒图像信息进行批量处理，通过IPP软件采集到的每一颗粗集料颗粒的周长、等效椭圆周长等参数来计算每个粗集料颗粒棱角性(AN)。粗集料颗粒图像处理过程见图1所示。

图1 粗集料图像处理过程

在得到各档粒径粗集料在不同磨耗次数下棱角性的基础上，本研究按照公式(1)对各沥青混合料试件的平均棱角性I进行加权计算。

(1)

式中，I为平均棱角性；Pi为各档粒径集料的质量百分率/%；Ii为各档粒径集料的棱角性。

1.3.2抗滑性能指标的测量与计算

为了得到粗集料棱角性在不同磨耗程度和不同替换磨耗粒径下对沥青混合料抗滑性能的影响，本研究按照下面步骤对制成的7块沥青混合料车辙板试件进行摆值和骨料暴露率指标的测量与计算。

1)沥青混合料试件表面处理。正常服役期的沥青路面表层短期内已被行车轮胎磨掉，而新压制的车辙板表面被沥青所裹覆，其抗滑性能受表面沥青的影响。为模拟真实路况的路面，本研究使用加热至30 ℃的煤油对试件表面进行处理，将试件表面集料上裹覆的沥青用煤油擦拭干净，接着使用无水乙醇将试件表面擦拭干净，再用清水对试件表面进行冲洗，最后将试件在常温下放置一天，待试件表面晾干后进行摆值和骨料暴露率的测量与计算。

2)温度为20 ℃下的摆值测量计算。本研究采用摆式摩擦仪测定沥青混合料摩擦系数，如图2所示。

图2 摩擦系数测试

具体测试步骤如下：将静置48 h后的车辙板按轮碾垂直方向划分三等分区域；固定摆式摩擦仪并进行读数调零矫正和仪器水平调整；将所测沥青混凝土试件使用记号笔标记到固定位置，每个区域测试3组数据，3次数值差不大于三个单位(刻度盘的一格半)，如差值大于三个单位，应检查产生的原因，并再次重复上述各项操作；测得各个沥青混合料摩擦系数后，按照公式(2)将在路面温度下测得的摆值修正为20 ℃下的标准温度值。温度修正值见表4。

BPN20=BPNt+ΔBPN

(2)

式中，BPN20为换算成标准温度20 ℃摆值；BPNt为路面温度t时测得摆值；ΔBPN为温度修正值，按表4取值。

表4 规范摆值温度修正值

3)骨料暴露率测量CAER计算。定义在单位面积的沥青路面中，露出的骨料总面积与该单位面积之比为骨料暴露率(CAER)，见式(3)。

(3)

式中，CAER为单位面积内沥青路面的骨料暴露率；Aa为单位面积内暴露骨料的总面积；Ag为该区域的沥青混合料总面积。

本研究采用数字图像处理技术对经过煤油表面处理后的沥青混合料试件进行二值化处理；使用IPP软件获取试件表面的总面积和集料裸漏的总面积，最后计算各个试件的骨料暴露率。

4)在得到各个试件的摆值和骨料暴露率之后，本研究按照公式(4)和公式(5)对试件进行单位质量分数的摆值下降幅度ΔBPN20(ω)和单位质量分数的骨料暴露率上升幅度ΔCAER(ω)计算。

(4)

式中，BPN20(ω)为单位质量分数的摆值下降幅度；BPN20(R)为替换颗粒粒径为R的摆值；BPN20(A)为A试件的摆值；ω(R)为替换颗粒粒径为R的质量分数。

(5)

式中，ΔCAER(ω)为单位质量分数的骨料暴露率上升幅度；CAER(R)为替换颗粒粒径为R的骨料暴露率；CAER(A)为A试件的骨料暴露率；ω(R)为替换颗粒粒径为R的质量分数。

2 试验结果与分析

2.1 新旧粗集料棱角性变化规律

图3表示的是不同颗粒粒径档的新旧粗集料的棱角性随磨耗次数的变化示意图，由图3可知，磨耗次数与新旧粗集料棱角性之间有明显的相关性。当颗粒粒径一定时，随着磨耗次数增加，新旧粗集料三档粒径的棱角性均呈现下降趋势；当磨耗次数一定时，新旧粗集料的棱角性均随颗粒粒径的增大而增大，并且13.2 mm粒径档的新旧粗集料的棱角性最好，这表明回收粗集料的棱角性变化趋势所遵循的规律同新粗集料相同。然而，随着磨耗次数的增加，新旧粗集料的棱角性减小的幅度不同。对于新粗集料，随着磨耗次数增加，其棱角性下降速率先快后慢，这是因为随着磨耗程度的加深，新粗集料颗粒表面逐渐光滑，棱角性越小，越难以被磨耗。对于回收粗集料，其棱角性随着磨耗次数增加损失加快，这是因为回收粗集料在经过施工、车辆碾压、铣刨等过程，其棱角性受损严重，再进行磨耗，其棱角性将大幅度下降。

图3 磨耗次数与不同颗粒粒径的新旧粗集料棱角性关系图

从图3还可以看出，新旧粗集料的棱角性随磨耗次数变化的转折点均发生在400 r处。为了进一步研究新旧粗集料棱角性随不同磨耗程度变化规律的相关联系，本研究将图3所示的新旧粗集料棱角性随磨耗次数(≥400 r)的变化趋势按照公式(6)进行线性拟合。

AN=kr+c

(6)

式中，AN为新旧粗集料颗粒棱角性；k为集料棱角性随磨耗次数的变化斜率；r为磨耗次数；c为磨耗次数为0r时的集料棱角性。

根据公式(6)拟合结果绘制了新旧粗集料4.75、9.50和13.20 mm三档粒径的棱角性随磨耗次数变化的斜率|k|对比图，见图4所示。

图4 新旧集料各档粒径斜率|k|对比图

由图4可以看出，4.75、9.50和13.20 mm三档粒径的旧集料棱角性随磨耗次数变化的斜率|k|值为对应粒径档的新集料斜率|k|值的2倍左右，这表明回收粗集料相较于新粗集料在磨耗次数大于400 r时的棱角性衰减速率更快，由此可推断回收粗集料在二次使用过程中的效果不好。造成这一现象的原因可能是回收粗集料在施工、服役、铣刨过程中存在二次破碎，加上回收的沥青混合料经过三氯乙烯的浸泡，使得回收粗集料的表面纹理被污染，难以分辨并筛分出二次破碎的粗集料颗粒。

2.2 粗集料棱角性对其沥青混合料抗滑性能影响

从2.1节的试验结果可知，回收粗集料中因含有难以筛分的二次破碎颗粒而与新粗集料在棱角性变化上存在显著差异，因此，为了提高粗集料棱角性变化对其沥青混合料抗滑性能影响研究的真实性和准确性，本节选用由新粗集料制成的沥青混合料试件进行平均棱角性量化、摆式摩擦仪接触试验和图像处理技术非接触试验，结果见表5所示。

表5 沥青混合料试验结果

根据表5，绘制了第一组试件(编号A、B、C、D)摆值和骨料暴露率与磨耗次数关系图(见图5)以及第二组试件(编号A、E、F、G)摆值和骨料暴露率与1 200 r不同集料粒径关系图(见图6)。

图5 第一组试件摆值和骨料暴露率与磨耗次数关系

图6 第二组试件摆值和骨料暴露率与1 200 r不同替换粒径关系

由表5可以看出，沥青混合料平均棱角性I随磨耗次数增加而减小。由图5可以看出，随着磨耗次数增加，沥青混合料摆值减小，骨料暴露率增加，这表明沥青混合料抗滑性能随磨耗次数增加而逐渐变差。此外，摆值在0～400 r、400～800 r和800～1 200 r下降的幅度分别为7.08%、7.54%和7.49%，骨料暴露率在0～400 r、400～800 r和800～1 200 r上升的幅度分别为4.40%、7.32%和3.67%，在400～800 r之间的沥青混合料的摆值下降幅度最大、骨料暴露率上升幅度最大，这表明400～800 r之间的磨耗次数对沥青混合料抗滑性能影响最大。

根据程谞等[28]在研究沥青路面抗滑性能修复技术中提到的摆值一般要求不小于65。从图5可以看出，编号C和D试件的摆值分别为63.15、58.42，抗滑性能较差，已经不满足使用要求，这表明当粗集料颗粒磨耗次数大于400 r时，其制成的沥青混合料试件的抗滑性能已不满足沥青路面抗滑性能要求。

由表5可以看出，在1 200 r磨耗程度的前提下，随着替换颗粒粒径的增大，沥青混合料平均棱角性I也增大。由图6可以看出，随着替换颗粒粒径的减小，沥青混合料试件摆值减小，骨料暴露率增加。根据摆值一般要求不小于65，编号F和G试件的摆值分别为64.30和62.24，这表明替换9.50 mm档和4.75 mm档的沥青混合料的抗滑性能已不满足沥青路面抗滑性能使用要求。

从图6还可以看出， E、F、G三种试件基于A试件的摆值下降幅度和骨料暴露率上升幅度之间存在显著差异。同时，结合表3所示的AC-13C级配组成可知，E、F、G试件替换的13.20、9.50和4.75 mm三档粒径的质量分数分别为5%、20%和33%，这表明沥青混合料抗滑性能不仅与替换颗粒的粒径大小有关，也与替换颗粒的质量分数有关。

因本小节研究重点并不是替换颗粒的质量分数，所以为排除替换颗粒的质量分数对沥青混合料抗滑性能的影响，本研究根据公式(4)和公式(5)的计算结果绘制了不同替换颗粒粒径的单位质量分数的摆值下降幅度和单位质量分数的骨料暴露率上升幅度变化示意图，如图7所示。

图7 不同替换粒径的单位质量分数抗滑性能指标变化图

从图7可以看出，替换颗粒粒径为13.2 mm的单位质量分数的摆值下降幅度和单位质量分数的骨料暴露率上升幅度均为最大，这表明相比于4.75和9.50 mm粒径档的粗集料，13.2 mm粒径档的粗集料在磨耗行为的作用下，不仅对粗集料混合料的平均棱角性影响最大，也对其沥青混合料的抗滑性能影响最大，即13.2 mm粒径档的粗集料颗粒为该AC-13C级配下决定沥青混合料抗滑性能的关键粒径档。

3 结论

1)随着磨耗次数增加，新旧粗集料的三档粒径的棱角性均呈现下降趋势；新旧粗集料的棱角性均随集料颗粒粒径的增大而增大。

2)回收粗集料的棱角性变化所遵循的规律与新粗集料相同，但回收集料中因含有难以筛分的二次破碎的粗集料颗粒，导致回收粗集料的棱角性指标在磨耗程度不断加深时的衰退速率比新粗集料更快。

3)随着磨耗次数的增加和替换颗粒粒径的减小，沥青混合料的平均棱角性变小，摆值变小，骨料暴露率变大，导致沥青混合料的抗滑性能越来越差； 同时，磨耗次数大于400 r的沥青混合料试件的抗滑性能已不满足沥青路面抗滑性能要求。

4)通过对单位质量分数的摆值下降幅度和骨料暴露率上升幅度分析，发现13.2 mm粒径档的粗集料颗粒为该AC-13C级配下决定沥青混合料抗滑性能的关键粒径档。