化学组成对路用集料抗滑性能的影响

2022-08-04关博文

公路工程 2022年3期

赵华，李松，熊锐，关博文

(1.南昌大学建筑工程学院，江西南昌 330031；2. 武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063；3. 长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061)

道路交通安全问题仍是世界各国共同面临的难题。在人-车-路-环境-管理构成的交通安全影响系统中，“路”的角色至关重要。导致交通事故频发的一个重要因素是胎/路间缺乏足够的摩擦力。通常，为确保沥青路面抗滑性能，沥青路面表层要求使用高抗滑耐磨集料，而集料抗滑性能与其矿物、化学组成密切相关[1]，国内外学者对此进行了大量的研究。KANE[2]等认为路面的长期抗滑性能主要由集料中的硬质矿物成分和软质矿物成分的组合决定。熊锐[3]等认为集料的维式硬度对集料耐磨性能有重要影响。YANG[4]等发现组成集料矿物间硬度差异越大，集料长期抗滑性能越好。WANG[5-8]等认为晶体尺寸较小、硬度高和晶体硬度差异大的集料，具有优异的抗滑性能。ZHANG[9]等研究了集料化学组成对其性能的影响，发现Al2O3和SiO2可以改善粗集料的性能，而CaO则有负面影响。吴将丰[10]借助分子动力学和有限元方法模拟了集料的磨耗过程，发现化学组成对集料抗磨耗性能影响顺序为SiO2、MgO、Na2O与CaO。

在公路路面表层材料的选择和设计过程中，需要综合考虑材料耐久性和表面服务性。新材料的引进，为长效耐久型路面抗滑表层提供了新的契机，其中包括新型高抗滑耐磨集料-煅烧铝矾土(Calcined Bauxite)。WOODWARD[11]和FREEL[12]等发现煅烧铝矾土的长期抗滑性能明显优于天然集料，且当煅烧铝矾土与天然集料掺配比例为6∶4时，长期抗滑性能最佳。杨发[4]等发现当刚玉与莫来石的比例大于3时，煅烧铝矾土具有优异抗滑性能；刚玉与莫来石的比可以用来评价煅烧铝矾土是否可用于修筑沥青路面表层。WU[13]等认为具有较大硬度、较大硬度弥散值和较高弹性模量的煅烧铝矾土集料最适合用于修筑沥青路面表层。YU[14]等认为煅烧铝土集料的机械、物理和几何特性对High Friction Surface Treatment的摩擦性能至关重要。GUAN[15]等研究了沥青与煅烧铝矾土的黏结性能。首先，对沥青的黏结强度、表面自由能、沥青与骨料的相位角进行了测试。利用傅里叶变换红外光谱和表面粗糙度试验研究了沥青骨料的化学反应和黏附性。结果表明：煅烧铝土的氧化铝含量越高，其与沥青的黏附性能越大；氧化铝含量低的煅烧铝矾土用于沥青混合料的磨耗层前，应进行处理以增强附着力。

煅烧铝矾土具有强度高、质地坚硬、耐磨耗和耐久性良好等优点，已在美国大范围(包括SDDOT、SCDOT、CADOT、FDOT、GCDOT、ILDOT、IADOT、TXDOT、VIDOT和INDOT等)施用，尤其是在新/旧路特殊路段上实施“High Friction Surface Treatment(HFST)”技术(如图1所示，其中胶结料为环氧胶黏剂)，且其应用范围正进一步扩大。

图1 基于煅烧铝矾土集料的美国HFST技术

目前，国内尚鲜见将煅烧铝矾土作为抗滑集料应用于路面抗滑表层，亦缺乏针对化学组成对新型耐磨集料-煅烧铝矾土(Calcined Bauxite)抗滑性能影响的研究报道。鉴于此，拟采用PSV、压碎值、洛杉矶磨耗试验研究3种典型集料-玄武岩、花岗岩与88#煅烧铝矾土集料的基本性能，借助SEM，XRD等手段对其微观特性和化学组成进行表征。在此基础上，引入新指标-Al2O3/SiO2来表征不同集料的长期抗滑性能，以期为快速遴选沥青路面表层用抗滑耐磨集料提供新思路。

1 原材料

1.1 基本技术性能

本文选用88#煅烧铝矾土、玄武岩和花岗岩，其物理力学性能如表1所示。可以看出：3种集料抗滑指标都符合现行规范要求，尤以88#煅烧铝矾土集料抗滑性能最优。

表1 不同类型集料的抗滑性能Table 1 Skid resistance of different types of aggregates性质磨光值磨耗值压碎值玄武岩43.712.9211.52花岗岩45.418.1416.5788#煅烧铝矾土55.710.617.74规范值(JTG F40-2004)≥42≤28≤26

1.2 微观形貌

3种集料的宏微观形貌如图2所示[3]。

(a) 玄武岩

1.3 化学组成

表2为3种集料的X射线荧光光谱分析(X-Ray Fluorescence)结果。由表2可知，不同岩性集料具有不同的化学组成，其中SiO2、Al2O3和CaO等为集料的主要化学成分。

表2 3种集料的XRF试验结果Table 2 XRF test results of 3 aggregates%集料类型SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OP2O5LOI88#煅烧铝矾土3.324.4790.291.550.150.17<0.010.170.240.01玄武岩49.513.6114.0012.620.164.978.671.921.40.05花岗岩66.640.3815.942.70.053.714.411.860.110.16

1.4 黏附性

1.4.1集料碱值试验

集料化学成分对沥青-集料黏附性有重要影响，可用碱值进行表征。不同集料的碱性不同，接受质子的能力不同，消耗掉氢离子浓度亦不同。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)对集料碱值进行测定(见图3)，试验结果如表3所示。

图3 碱值测定过程

表3 不同集料碱值测定结果Table 3 Results of alkali values of different aggregates集料种类N1N2N0碱值玄武岩1.812.510.440.66花岗岩1.622.510.440.5788#煅烧铝矾土2.112.510.440.81

由此可见，88#煅烧铝矾土碱值最高，玄武岩次之，而花岗岩最小。

1.4.2光电比色法试验

为准确得到沥青膜剥落率数值，本文采用光电比色法进行测定，进而评价沥青-集料黏附性能。此法通常采用721型分光光度计(见图4)，溶液为0.01 g/L的酚藏花红生物染料溶液。即根据标定的标准曲线(见图5)，得到溶液的浓度；利用吸光度与浓度的关系曲线，计算出表面裹覆有沥青膜的集料与原集料在吸附试验后的染料残留浓度，最后得到青膜剥落率。

图4 721型分光光度计

图5 酚藏花红染料标准曲线

由表4可知，各种集料与沥青黏附性结果为：88#高抗滑集料>玄武岩>花岗岩，其结果与碱值试验一致。

表4 光电比色法试验结果Table 4 Photoelectric colorimetric test results样品染料溶液起始C0原集料溶液C1混合料溶液C0’集料质量m/g剥落度/%黏附性/%88#高抗滑集料0.0100.003 120.006 8110046.353.7花岗岩0.0100.003 570.006 0410061.639.4玄武岩0.0100.003 290.006 3710054.145.9

2 结果分析

2.1 集料的矿物组成

集料的化学组成与其矿物组成息息相关，为此，先对3种集料进行矿物分析。图 6为3集料XRD衍射图谱。

由图6(a)中玄武岩的XRD数据结合矿相显微图像可知，本试验中玄武岩样品的主要晶相为斜长石(Plagioclase)、辉石(Pyroxene)和角闪石(Hornblende)。斜长石属于架状硅酸盐矿物，三斜晶系，莫氏硬度6～6.5；角闪石属于双链硅酸盐，单斜晶系，针状、纤维状，莫氏硬度5～6；辉石属于链状硅酸盐，单斜晶系，晶型呈短柱状，莫氏硬度5.5～6。

由图6(b)中花岗岩的XRD数据结合矿相显微图像可知，本试验中花岗岩样品的主要晶相为石英(Quartz)和钠长石(Albite)。石英为不同温度下SiO2结晶体内部发生变化，生成同质多像系列，莫氏硬度7级。钠长石属于长石的一类为架状硅酸盐结构，比重2.62，莫氏硬度为6～6.5。

由图6(c)中高抗滑集料的XRD数据结合矿相显微图像可知，本试验中高抗滑集料样品的主要晶相与两种天然集料显著不同，为刚玉(Corundum)和莫来石(Mullite)。刚玉属三方晶系。晶体桶状、短柱状或腰鼓状，晶面有横纹。物理性质：常为灰蓝色或黄色，莫氏硬度为9级，不溶于酸。莫来石(Mullite)：又被称为富铝红柱石，斜方晶系，晶体呈柱状、针状，切面近似于四边形，莫氏硬度为6。

(a) 花岗岩

通过Jade6.0软件和X'Pert HighScore Plus软件半定量计算了4种集料中主要相的质量分数，结合上文中的化学组成，将各集料的岩性和化学组成总结如表5所示。

表5 集料的主要矿物特性Table 5 Main mineral characteristics of aggregates集料类型主要矿物成分所占比例/%主要化学组成莫式硬度莫氏硬度比花岗岩石英68.6SiO2, Al2O371.16钠长石32.46辉石35.86玄武岩斜长石40.7Fe2O3, SiO2Al2O361.09角闪石23.55.588#煅烧铝矾土刚玉86Al2O3,SiO291.5莫来石146

2.2 化学组成与集料抗滑性能相关性

为评价化学组成对集料抗滑性能的影响，引入皮尔逊相关系数，其计算公式如式(1)所示[16]。皮尔森相关系数是1种用来表征2个变量线性关系的统计量，一般认为：r的绝对值越大，2个变量相关性越强。本文以0.7为界限，即当皮尔逊系数大于0.7时，认为2个因素相关；否则为不相关。采用SPSS 软件分别计算了 SiO2、Al2O3、CaO与3种集料磨光值、磨耗值、压碎值的皮尔逊系数，结果如图7所示。

(1)

由图7(a)可知：磨光值与SiO2、Al2O3和CaO具有较好相关性；其中，Al2O3的皮尔逊系数最高，而后依次是SiO2和CaO。除了Al2O3以外，SiO2和CaO与磨光值负相关。这说明Al2O3含量越高，SiO2和CaO含量越低，则集料的磨光值越高，耐磨性越好。由于CaO、SiO2含量高，Al2O3含量低，玄武岩的磨光值较低；与玄武岩相比，花岗岩由于存在略多的Al2O3而磨光值稍高；由于CaO、SiO2含量低，Al2O3含量高，88#煅烧铝矾土的磨光值最高。

由图7(b)可知：除CaO外，磨耗值与SiO2、Al2O3之间存在显著相关性。磨耗值与SiO2正相关，表明SiO2含量越高，磨耗值越大；另一方面，Al2O3的负相关关系表明集料中Al2O3含量越大，集料耐磨性越好，此与集料矿物组成间硬度差有关。3种集料的主要矿物特性如表5所示，虽然3种集料的主要化学组成均为SiO2和Al2O3，但其所对应的矿物组成不尽相同，矿物间莫氏硬度亦不同。其中，88#煅烧铝矾土的莫式硬度比最大，最易形成差异磨耗，故抗滑性能佳。

由图7(c)可知：除CaO外，压碎值与SiO2、Al2O3之间亦存在显著相关性。压碎值与SiO2正相关，表明SiO2含量越高，压碎值越大；另一方面，Al2O3的负相关关系表明，集料中Al2O3含量越多，集料抗压性能越好。此外，花岗岩的SiO2含量明显大于玄武岩，而Al2O3含量略高于玄武岩，因而最差；88#煅烧铝矾土的Al2O3含量远高于玄武岩和花岗岩，SiO2含量明显低于玄武岩和花岗岩，因而抗压性能最优。

由图7(d)可知：黏附性能与SiO2、Al2O3和CaO具有较好相关性；其中，SiO2和Al2O3的皮尔逊系数较高。其中Al2O3与黏附性能正相关，SiO2和与黏附性能负相关。这说明Al2O3含量越高，SiO2含量越低，则集料的黏附性越好。这是因为二氧化硅相呈酸性，氧化铝相呈碱性，氧化铝相易与沥青发生酸碱中和反应，增强沥青与集料间的黏附性能。

(a) 磨光值

2.3 集料的长期抗滑性能评价

在沥青面层服役期内，其抗滑性能逐渐衰减。鉴于集料在路面服役期间扮演的抗滑“关键角色”，研究集料长期抗滑性能具有重要意义。鉴于此，采用PSV试验，研究了3种集料的长期抗滑性能，结果如图8和图9所示。

图8 集料的磨光值随磨光次数的变化规律

(a) 玄武岩

由图8和图9可知：随磨光次数的增加，3种集料的PSV均呈现不同程度的下降，磨光值快速衰减区间为0～16万次，在16 000次时趋于稳定；通过3种集料磨光值衰减速度变化率可以看出，在速度变化率峰值之前，PSV衰减速度变化率逐渐增大，则其抗磨光作用越明显，在峰值之后PSV衰减速度变化率逐渐减小，此时磨光值衰减速率降低。总而言之，88#煅烧铝矾土的长期抗滑性能最好，花岗岩其次，玄武岩最差。由于不同集料具有不同的化学组成，特引入Al2O3/SiO2参数来评价不同类型集料的抗滑性能。

选择集料磨光160 000次后的PSV为终值，为全面评价集料的抗滑性能，引入轴向系数与均方根高度Rq这2个指标来评价集料的宏微观抗滑性能，具体如下：

轴向系数/Aspect[17]为表征颗粒的针片状大小，轴向系数越大，颗粒针状性愈大；该指标反映的是集料颗粒宏观整体的状态和特征，其公式为：

(2)

式中：Axis(major)为颗粒等效椭圆的主轴；Axis(minor)为颗粒等效椭圆的次轴。

均方根高度(Rq)表示沿参考长度方向所有轮廓高度平均值的均方根(图9)，其公式为：

(3)

图10 Rq定义示意图

表6为磨光160 000次后集料的轴向系数、磨光值和Rq值；图11为Al2O3/ SiO2与集料抗滑指标的相关性图示。由图11可知，Al2O3/ SiO2与3种指标均具有较好相关性，这为快速筛选沥青路面表层用抗滑耐磨集料提供了另一种思路。

图11 Al2O3/SiO2与集料抗滑指标的相关性

综上，集料的化学组成通过影响矿物组成进而影响集料的抗滑耐磨性能，即集料中化学组分的不同导致不同矿物间产生硬度差，由此导致不同集料抗滑耐磨特性互异。

表6 3种集料磨光16 000次后的抗滑指标Table 6 Skid resistance indexes of three aggregates after polishing for 16 000 times集料类型磨光次数轴向系数磨光值Rq88#煅烧铝矾土160 0001.032 853.18.073玄武岩160 0001.027 836.24.778花岗岩160 0001.028 942.15.955