沥青混合料用粗集料磨光特性研究

2023-11-08谢兼量马健萍李红杰肖玉荣

公路工程 2023年5期

谢兼量，马健萍，李红杰，范倩，3，肖玉荣

(1.保利长大工程有限公司，广东广州 510620；2.广东华路交通科技有限公司，广东广州 510420；3.广东交科技术研发有限公司，广东广州 510550)

0 引言

抗滑性能与交通安全和行车舒适性关系密切，是车辆安全、快速行驶的保证，是对路面的基本要求[1-4]。在道路工程领域，对路面抗滑性能的控制主要体现在粗集料磨光性能的要求方面，即通过选用优质、耐磨集料来抵抗外界复杂的应力环境，保障沥青路面的抗滑性能[5-6]。

目前，集料磨光性能检测方法主要有洛杉矶磨耗试验和集料磨光试验两种[7]。洛杉矶磨耗试验是将集料和钢球置于圆筒内相互摩擦、撞击、剪切，通过测试质量损失，评价集料的耐磨性[8]。一方面，该方法采用钢珠与集料摩擦碰撞方式与实际差别较大；另一方面，该方法测得的结果更偏向于评价集料的强度或抗撞击能力，而非与路面抗滑性能直接相关的抗磨光性能。《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)规定的集料磨光试验是将集料制备成具有一定弯曲度的试件，采用橡胶片模拟车辆轮胎的磨光效果作用于集料表面，测试试验一段时间后的集料表面磨光值，进而评价集料的抗磨光性能[9]。吴斌等[9]和王宝松等[10]在对集料磨光试验过程进行分析的基础上，对容易导致疏漏、误解或过程描述不详细的操作步骤提出了改进对策。但是，一方面，该方法制备的试件具有一定的弯曲度，导致摆值测试过程中，滑块与集料表面接触面积和接触压力不均匀，对测试结果造成影响；另一方面，橡胶片对集料的磨光效果与轮胎对集料的磨光效果不尽相同，导致测试结果与实际不符。

基于上述分析，本研究在对集料试件成型方法进行改进的基础上，采用路面材料加速磨光设备开展集料加速磨光试验研究，以便更真实地模拟集料磨光过程并准确地进行集料抗磨光性能的评价，为路用集料的选择提供参考。

1 改进的集料加速磨光试验设计

1.1 集料加速磨光设备

采用路面材料加速磨光设备进行集料加速磨光试验，设备如图1所示。该设备由两组相互独立的试验加载轮、旋转台及防护装置组成。磨光过程采用小型轮胎与试件相互作用的方式，更符合路面的实际磨光情况。试验前，给定试验压力、旋转速度，轮胎即可采用旋转磨光的方式对试件进行重复磨光作用，试验轮迹示意图如图2所示。

图1 路面材料加速磨光设备

图2 试验轮迹示意图

1.2 集料磨光试件成型方法

本研究采用的集料试件是尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的板状试件，成型方式参考传统的集料磨光值试件成型方式。

a.挑选集料：将9.5～13.2 mm的集料清洗干净，置于105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干，挑选出粒形近正方体、至少有一面为平面的集料颗粒备用。

b.加工模具：由于试验轮迹范围有限，为避免排料过程耗费时间，加工了集料排料模具(见图3)。

图3 集料磨光试件成型磨具

c.排料：将车辙板试模内部洗净烘干后，将集料排料模具放入车辙板试模，将集料颗粒尽量紧密地排列于集料模具的方形卡槽内，每个卡槽内排列一种集料试样。

d.吹砂：用小勺将干砂填入已排好的集料间隙中，并用洗耳球轻轻吹动干砂，使之填充密实。吹去多余的砂，填砂的厚度不宜高于高度最低集料高度的2/3。同时，吹砂过程不得碰动集料，且集料表面不得有砂粒。

e.配制环氧树脂砂浆：将环氧树脂、固化剂与粉料按照一定比例拌匀制成环氧树脂砂浆。

f.填充环氧树脂砂浆：将环氧树脂砂浆分两次填入方形槽中并尽量填充密实。

g.养护：常温养护48 h后脱模。

成型好的集料磨光试件见图4，改进前后的集料磨光试件对比见图5。

图4 成型好的集料磨光试件

(a)原集料磨光试件

2 集料加速磨光试验研究

新建沥青混凝土路面经过一定时间的交通荷载和环境的共同作用，表面的沥青膜会被磨耗掉，其中被包裹着的集料裸露出来并与轮胎直接接触，导致沥青路面的抗滑性能在一段时间内趋于稳定，这种时间的长短主要由集料的特性确定。性质差的粗集料更容易被车辆轮胎磨光，导致有效接触面积衰减速度快，影响抗滑性能的耐久性。本研究主要选取南方地区常用的辉绿岩、花岗岩、石灰岩、玄武岩4种集料开展加速磨光试验研究。

路面材料加速磨光设备参数设置如下：单轮加压，试验轮静态压力250 N(25 kg)，加载线速度30 km/h，试验温度20～25 ℃。为实现集料的加速磨光，每隔15 min在4种集料表面分别撒布质量为2.5 g的30号金刚砂。

在轮载作用次数为0、0.25、0.5、1、1.5、2、3、4 h时，将集料试件表面清扫干净并风干后，分别采用摆式摩擦系数测试仪和路面抗滑纹理测试仪采集集料试件的摆式摩擦系数和三维形貌数据。

2.1 摆式摩擦系数

对各个磨光阶段的集料试件进行摆式摩擦系数采集，橡胶滑块[9]采用集料磨光值测试用的尺寸为31.75 mm×25.4 mm×6.35 mm的橡胶片，调整滑溜块在集料试件上的滑动长度为90 mm，采集的摆式摩擦系数衰减变化结果如图6所示。

图6 摆式摩擦系数衰减变化结果

为便于进行不同集料抗磨光性能对比评价，采用磨光次数为0次时的摆式摩擦系数作为集料的抗磨光初始值评价指标，采用磨光4 h时的摆式摩擦系数作为集料的抗磨光耐久值评价指标，采用摆式摩擦系数的衰减值(初始值与耐久值的差值)作为集料耐磨性评价指标，结果见表1。

表1 集料磨光性能评价指标

采用现行《公路工程集料试验规程》(JTG E42)规定的方法进行集料磨光试验，并对磨光试验后的集料摆式摩擦系数进行测试，结果见表2。

表2 传统方法测得的集料摆式摩擦系数

可见，不同粗集料抗磨光性能的初始值、终止值、耐磨性均存在差异，具体表现为：

a.花岗岩和石灰岩的抗磨光初始值最大，约为70；辉绿岩其次，约为68.2；玄武岩最小，约为64.8。即初始抗滑性能：花岗岩≥石灰岩>辉绿岩>玄武岩。

b.辉绿岩和花岗岩的抗磨光耐久值较优，分别为67.8、68.4；石灰岩和玄武岩的抗磨光耐久值较差，分别为64.4、62.2。即长期抗滑性能：花岗岩>辉绿岩>石灰岩>玄武岩。

c.辉绿岩的抗磨光初始值与耐久值差异最小，约为0.4，其耐磨性最好；其次为花岗岩、玄武岩，分别为1.6、2.6；石灰岩的耐磨性最差，抗磨光初始值与耐久值的差异约为5.4。

d.随着磨光次数的增加，石灰岩的摆式摩擦系数变化呈现先急速下降后趋于稳定的趋势；玄武岩和花岗岩的摆式摩擦系数变化呈现较小的下降；辉绿岩的摆式摩擦系数变化呈现较稳定的趋势。

e.采用传统方法和改进方法测得的4种集料磨光后的摆式摩擦系数规律一致，均为：花岗岩>辉绿岩>石灰岩>玄武岩。但是，由于传统方法和改进方法测试集料试件的摆式摩擦系数时，滑溜块在试件上的滑动长度分别为76、90 mm，故测得的结果大小不具有对比性，主要进行两种测试方法对不同集料抗磨光性能方面的区分度对比。由表1和表2可见，传统的集料磨光试验测试结果实测值差别较小，采用本研究开发的集料加速磨光试验方法，摆式摩擦系数测试仪的滑块滑动距离更长，不同集料试件的摆式摩擦系数值差异相对较大，即改进的方法对不同集料抗磨光指标的测试结果区分度更好。

2.2 集料三维形貌

轮廓均方根偏差、轮廓算术平均偏差、偏斜度、陡峭度等指标常被用于描述沥青路面的微观形貌特征[11-12]，本研究将其用于集料三维形貌的评价。考虑到集料试件的磨光过程主要针对集料表面，隐藏在集料颗粒间缝隙中的表面很难被磨到，所以本研究仅考虑分析集料表面的三维形貌数据变化过程。采用路面抗滑纹理测试仪采集集料颗粒所在的长方形区域，结果如图7所示。

(a)花岗岩

由于集料磨光试件上的集料间缝隙与集料颗粒表面存在较大高程差，利用此特征进行集料颗粒分割，进而开展单颗集料表面形貌数据分析。具体方法：①将采集到的数据进行分割，设定一定的阈值参数进行数据过滤，删除较小值，以便将集料颗粒分隔开；②确定分析对象，考虑到测试位置错动对测试结果的影响，每个数据集合选取中间位置的完整集料颗粒作为固定的分析对象，每种类型的集料选取2颗提取出数据并分别进行分析；③图像调零：为避免每次测试过程中的零平面不确定造成的差异，本研究对提取出的集料表面高程数据的均值作为零平面，并进行实际高程指标的计算；④粗糙度指标计算：对采集到集料颗粒的三维数据进行粗糙度指标计算和分析，结果如图8所示。

(a)算术平均高度

测得的4种集料表面的三维形貌指标情况分析如下：

a.随着磨光次数的增加，集料表面三维形貌指标在磨光初期发生一定的波动，在磨光30 min后基本趋于稳定。其中，花岗岩的算术平均高度和峭度在磨光过程中发生了小范围的增大，可能是由于磨光作用使得集料表面纹理再造。

b.辉绿岩的算数平均高度和均方根高度均较大，说明其纹理特征较为均匀，可为沥青路面抗滑性能提供较均匀的构造。

c.石灰岩的均方根高度也较大，但算数平均高度与其他集料没有较大差异，说明是石灰岩集料表面起伏变化较大，结合偏斜度和峭度指标，可见其尖缓部位并存且高度分布相对于平均面偏下(谷)，不利于为沥青路面提供较好的抗滑耐久性。

d.花岗岩的根均方高度较小，偏斜度>0，峭度接近于3，表示集料表面高度呈较正规分布，即尖缓部位并存，可为沥青路面长期抗滑性能提供较优的构造。

2.3 集料磨光试验指标相关性分析

对采用改进的集料加速磨光试验测得的摆式摩擦系数与集料表面三维形貌指标进行相关性分析，结果见表3和表4。

表3 摩擦系数与集料表面三维形貌指标初始值相关性

表4 摩擦系数与集料表面三维形貌指标稳定值相关性

可见，偏斜度稳定值和峭度稳定值与摆值初始值相关性最好，相关系数分别达0.94、0.86；算术平均高度稳定值、偏斜度稳定值与摆值耐久值相关性最好，相关系数分别达0.66、0.62；峭度初始值与耐磨性的相关性最好，相关系数可达0.89。因此，可采用峭度初始值进行集料耐磨性的初步判断，采用算术平均高度稳定值和偏斜度稳定值进行集料磨光耐久性的初步判断，采用偏斜度稳定值和峭度稳定值进行集料初始磨光性能的初步判断。