粗集料形態(tài)特征對瀝青混合料抗滑性能的影響研究

傅　偉，劉超群，卜　胤

(1.江西省高速公路投資集團有限責任公司撫州管理中心，江西　南昌　330086；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西　南昌　330025；3.江西省交通科學研究院，江西　南昌　330038)

粗集料形態(tài)特征對瀝青混合料抗滑性能的影響研究

傅偉1，劉超群2，卜胤3

(1.江西省高速公路投資集團有限責任公司撫州管理中心，江西南昌330086；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西南昌330025；3.江西省交通科學研究院，江西南昌330038)

傅偉(1967—)，高級工程師，主要從事公路與橋梁研究工作；

劉超群(1981—)，工程師，博士，主要從事公路與橋梁研究工作；

卜胤(1990—)，技術(shù)員，碩士，主要從事道路與鐵道工程研究工作。

江西省交通運輸廳重點科研項目(項目編號：2015C0022)

摘要：粗集料對于瀝青路面的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的形成都具有重要作用，其形狀、棱角和表面紋理與路面表層的抗滑性關(guān)系密切。文章分別采用經(jīng)過0次、300次和1 000次洛杉磯磨耗的不同棱角性粗集料組成AC-16C與SMA-16級配瀝青混合料，并采用擺式摩擦系數(shù)儀法和鋪砂法分別測量其摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，同時，通過AIMS Ⅱ掃描瀝青混合料試件表面，從細觀尺度分析粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響機理。結(jié)果表明：粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響較大，兩者之間具有較好的線性相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：粗集料；形態(tài)特征；瀝青混合料；抗滑性能；AIMS Ⅱ

0引言

瀝青路面的抗滑性能是筑路材料、路面設(shè)計和施工工藝等各項技術(shù)的綜合評價，它反映了特定條件下路面抵抗車輛產(chǎn)生滑移能力的大小，即車輛與路面產(chǎn)生滑動摩擦時阻力的大小，是影響車輛行駛安全的一個重要指標。

抗滑性能取決于路表的宏觀紋理和微觀紋理，其中宏觀紋理是指由集料顆粒排列所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)造紋理，主要受集料的形狀、棱角、粒徑和級配等因素影響[1，2，3]。微觀紋理是指路表面集料顆粒本身的紋理，受集料的表面粗糙度影響[4，5]。國內(nèi)瀝青路面規(guī)范提出的評價路面抗滑性能的方法包括鋪砂法、擺式儀法、激光構(gòu)造深度儀測定法和摩擦系數(shù)測試車法。其中鋪砂法和激光構(gòu)造深度儀法能夠測定路面的宏觀構(gòu)造深度，擺式儀法和摩擦系數(shù)測試車法能夠測定路面的摩擦系數(shù)。

本文采用AC-16C與SMA-16級配瀝青混合料，對于各級配類型，分別采用經(jīng)過0次、300次和1000次磨耗的不同棱角性粗集料組成瀝青混合料，對成型好的各試件采用擺式摩擦系數(shù)儀法和鋪砂法分別測量其摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，以研究粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響，并建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系。最后，通過AIMS Ⅱ掃描瀝青混合料試件表面，從細觀尺度分析粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響機理。

1材料組成

為了研究粗集料棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響作用，需要采用棱角性不同，而其它礦物性能相同的粗集料分別成型瀝青混合料試件。為此，本文選擇利用洛杉磯磨耗儀改變同種石灰?guī)r集料的形態(tài)特征，通過設(shè)置不同的磨耗次數(shù)來獲取不同棱角性的粗集料，首先，將一定重量的含有各檔粒徑的粗集料倒入轉(zhuǎn)筒中，然后，擰緊蓋子封閉，最后在設(shè)置一定的磨耗次數(shù)后，直接運行洛杉磯磨耗儀，直至完成設(shè)定次數(shù)的磨耗。在磨耗試驗中不加入鋼球，是因為鋼球容易導致集料破碎，使其棱角性變得更大，從而起不到磨蝕集料棱角的作用。

國內(nèi)外對集料形態(tài)特征的評價已經(jīng)有大量的研究[6，7，8，9，10]。本文采用X-RayCT技術(shù)獲取粗集料的三維棱角信息，通過MATLAB自編的算法程序?qū)D像進行處理分析，計算算法的原理是對于粗集料三個正交視圖方向的斷層圖像，均通過集料斷層面積對等效橢圓法二維棱角指標進行加權(quán)，求得粗集料的整體綜合棱角值，最后，計算集料在三個視圖方向的綜合棱角值的均值以表征粗集料的三維棱角性，計算公式見式(1)。不同磨耗次數(shù)粗集料的三維棱角測量結(jié)果見圖1。

等效橢圓法三維棱角：3DA=

(1)

式中：

Pti，Pri，Pfi——分別為集料在頂視圖、右視圖和前視圖方向的斷層圖像的周長，mm；

Ati，Ari，Afi——分別為集料在頂視圖、右視圖和前視圖方向的斷層圖像的面積，mm2；

Pte，Pre，Pfe——分別為集料在頂視圖、右視圖和前視圖方向的斷層圖像的等效橢圓周長，mm；

nt，nr，nf——分別為集料在頂視圖、右視圖和前視圖方向的斷層圖像數(shù)量；

i——集料的第i張斷層圖像。

圖1　粗集料棱角性測量結(jié)果圖

本文所采用的石灰?guī)r集料的其它性能指標及石灰?guī)r礦粉的相關(guān)性能指標如表1~3所示。瀝青選用SK-90#基質(zhì)瀝青，其基本性質(zhì)如表4所示。

表1　粗集料基本性能表

表2　細集料基本性能表

表3　礦粉基本性能表

表4　瀝青基本性質(zhì)表

為研究粗集料的棱角性對不同結(jié)構(gòu)類型瀝青混合料抗滑性能的影響，本文選擇AC-16和SMA-16兩種典型的級配類型。為了凸顯粗集料的作用，采用AC-16粗型級配，SMA-16則采用規(guī)范推薦的級配中值，具體的級配組成如表5所示。

表5　瀝青混合料級配組成表

為了避免瀝青用量對混合料性能的影響，僅將粗集料的棱角性作為單因素分析，本文采用磨耗次數(shù)為0(未經(jīng)過磨耗)的粗集料來確定各級配的最佳油量。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的馬歇爾試驗設(shè)計方法，最終確定AC-16級配瀝青混合料的最佳油量為4.1%，SMA-16級配瀝青混合料的最佳油量為5.5%。在SMA-16瀝青混合料中摻加3‰的聚酯纖維，其當量直徑為13±3 um，密度為1.18 g/cm3。

對于各級配類型，分別采用經(jīng)過0次、300次和1 000次磨耗的不同棱角性粗集料組成瀝青混合料，將瀝青混合料在輪碾機上成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，每種瀝青混合料成型3個平行試件。對成型好的各試件采用擺式摩擦系數(shù)儀法和鋪砂法分別測量其摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，以研究粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響，并建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系。為了從細觀尺度分析粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響機理，分別采用經(jīng)過0次、300次、1 000次磨耗的粗集料成型瀝青混合料馬歇爾試件，每組成型2個平行試件，兩種級配總共12個試件。

2試驗方法

瀝青路面的抗滑性能主要取決于瀝青混合料表面的宏觀紋理與微觀紋理，宏觀紋理和微觀紋理特征分別可以通過構(gòu)造深度TD與摩擦系數(shù)BPN表征。本文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，還采用AIMS Ⅱ掃描設(shè)備獲取瀝青混合料的宏觀紋理與微觀紋理。

2.1　構(gòu)造深度測定

通過鋪砂法測定各車轍板試件的構(gòu)造深度TD。(1)使用軟毛刷子將車轍板清掃干凈；(2)用25±0.15 ml大小的圓筒裝滿干燥潔凈的0.15~0.3 mm粒徑的勻質(zhì)砂，接著將砂倒在試件表面的中心位置，并用推平板將砂均勻地攤鋪成圓形，填入試件表面的空隙中;(3)用鋼板尺測量所構(gòu)成圓的兩個垂直方向的直徑，取其平均值，計算構(gòu)造深度TD，其計算公式見式(2)。

(2)

式中：TD——構(gòu)造深度，mm；

V——砂的體積，25 cm3；

D——攤開砂的平均直徑，mm。

2.2　摩擦系數(shù)測定

通過擺式摩擦系數(shù)儀法測定各車轍板試件的摩擦系數(shù)BPN。(1)使用軟毛刷子將車轍板清掃干凈，并沿著與輪碾垂直的方向，每隔1/4邊長處選擇測點，一共3個測點；(2)將擺式摩擦系數(shù)儀置于測點位置，通過儀器調(diào)平、調(diào)零和校核滑動長度來調(diào)試儀器，調(diào)試完成后，將潔凈的水噴灑在測點處；(3)按下釋放開關(guān)，使擺在試件表面滑過，重復5次，并讀記每次測定的擺值，取其平均值得到BPNt，再計算3個不同測點處擺值的平均值作為瀝青混合料的摩擦系數(shù)。同時，使用路表溫度計測量試件表面的溫度，以將擺值BPNt換算成標準溫度20 ℃的擺值BPN20，換算公式見式(3)。

BPN20=BPNt+ΔBPN

(3)

式中：BPN20——換算成標準溫度20 ℃時的擺值；

BPNt——試件表面溫度t ℃時測得的擺值；

ΔBPN——溫度修正值。

2.3　AIMSⅡ掃描

Masad在AIMS Ⅱ中開發(fā)了一個用于掃描獲取瀝青混合料試件表面特征的功能，該功能通過測量試件表面不同位置距離底部水平面的高度和試件表面粗集料的表面紋理，表征瀝青混合料試件表面的宏觀構(gòu)造特征與微觀紋理特征，以評價混合料表面的宏觀粗糙度與微觀粗糙度。AIMS Ⅱ可以掃描直徑為100 mm或150 mm，高度低于35 mm的瀝青混合料試件。具體的工作原理如下：

2.3.1試驗前準備工作

在掃描之前，需要將集料測量模式切換為試件掃描模式。然后，將符合尺寸要求的瀝青混合料試件放置于25 mm集料旋轉(zhuǎn)托盤上，試件的初始位置應位于相機視野范圍外的左側(cè)，同時試件的中心應處于托盤的凹槽內(nèi)，如圖2所示。

圖2　AIMSⅡ掃描瀝青混合料表面圖

2.3.2確定掃描參數(shù)

(1)確定輸入的試件高度參數(shù)應該略微小于試件的實際高度值，以便粗略定位顯微鏡的對焦距離，如果試件高度參數(shù)比實際高度值大，則會導致對焦錯誤。(2)確定試件的直徑以及掃描間距和跨距，試件直徑參數(shù)根據(jù)實際的直徑確定。掃描間距表示相鄰高度測量位置之間的距離，可在0.2~10 mm范圍之間選擇，掃描間距越小，獲取瀝青混合料試件的表面特征信息越詳細，但掃描時間會增加。掃描跨距表示表面測量的直徑范圍，掃描跨距必須小于試件的直徑，選擇的掃描跨距越大，掃描時間也越長。

2.3.3掃描過程

總共需要進行5次掃描，每次掃描均在不同放大倍數(shù)下捕獲試件的表面圖像，放大倍數(shù)分別為×15.8、×12.6、×6.27、×3.13、×1.2。第一次掃描是在最大放大倍數(shù)下測量試件表面不同位置距離底部水平面的高度，隨后的四次掃描依次在逐步降低的放大倍數(shù)下測量4.75/9.5 mm、9.5/13.2 mm、13.2/16 mm、16/19 mm粒徑粗集料的表面紋理，這是因為放大倍數(shù)越小，顯微鏡的拍攝視野越大，能夠捕獲更大粒徑集料的表面紋理圖像。

2.3.4試驗后導出結(jié)果

當掃描完成后，AIMS軟件將所有的測量分析結(jié)果導入到預先設(shè)定路徑下的Excel表中。

3試驗結(jié)果分析

對于各級配不同棱角性瀝青混合料的構(gòu)造深度TD，其測量結(jié)果如圖3所示。

圖3　構(gòu)造深度TD測量結(jié)果圖

從圖3中可以看出，AC-16與SMA-16瀝青混合料的表面構(gòu)造深度均隨著粗集料棱角性的降低而變小，表明粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能有一定的影響，棱角性越低，抗滑性能越差。這是因為粗集料棱角性的降低使混合料表面空隙減少，從而導致表面凹凸程度變小。因此，采用棱角性低的集料鋪筑路面，對行車安全不利，特別是在雨天潮濕路況下，容易出現(xiàn)交通事故。從圖中還可以看出，在磨耗次數(shù)相同的情況下，SMA-16瀝青混合料比AC-16瀝青混合料的構(gòu)造深度大，表明SMA級配比AC級配瀝青混合料的抗滑性能好。因此，對抗滑性能要求高的路面，如機場道面、長縱坡路面等，推薦采用SMA級配瀝青混合料。

為了建立粗集料棱角性與瀝青混合料抗滑性能之間的關(guān)系，對于各級配瀝青混合料，采用origin軟件對粗集料的平均等效橢圓三維棱角值3DA和混合料表面構(gòu)造深度TD進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4　粗集料三維棱角值與瀝青混合料表面構(gòu)造深度相關(guān)關(guān)系圖

圖4線性擬合結(jié)果表明，對于AC-16和SMA-16瀝青混合料，其粗集料三維棱角性與瀝青混合料表面宏觀紋理之間均具有很好的線性關(guān)系，AC-16瀝青混合料的線性相關(guān)系數(shù)高達0.993，SMA-16瀝青混合料的線性相關(guān)系數(shù)稍低，為0.978。

對于各級配不同棱角性瀝青混合料的摩擦系數(shù)BPN，其測量結(jié)果如圖5所示。

圖5　摩擦系數(shù)BPN測量結(jié)果圖

從圖5中可以看出，AC-16與SMA-16瀝青混合料的表面摩擦系數(shù)均隨著粗集料棱角性的降低而變小，表明粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能有一定的影響，棱角性越低，抗滑性能越差。此外，在磨耗次數(shù)相同的情況下，AC-16瀝青混合料比SMA-16瀝青混合料的摩擦系數(shù)大，但相差較小，表明AC級配瀝青混合料的微觀紋理比SMA級配瀝青混合料的微觀紋理稍大。這是因為密級配AC瀝青混合料表面空隙較少，擺式摩擦系數(shù)儀上的橡膠片在擺動過程中與集料接觸較多，導致擺值較小。然而，由于SMA級配瀝青混合料的宏觀紋理明顯比AC級配瀝青混合料的宏觀紋理大，綜合比較可以得出，SMA級配仍然比AC級配瀝青混合料的抗滑性能好。

采用origin軟件對粗集料的平均等效橢圓三維棱角值3DA和混合料表面摩擦系數(shù)BPN進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6　粗集料三維棱角值與瀝青混合料表面摩擦系數(shù)相關(guān)關(guān)系圖

圖6表明，對于AC-16和SMA-16瀝青混合料，其粗集料三維棱角性與瀝青混合料表面微觀紋理之間均具有很好的線性關(guān)系，AC-16瀝青混合料的線性相關(guān)系數(shù)高達0.998，SMA-16瀝青混合料的線性相關(guān)系數(shù)稍低，為0.958。

從以上瀝青混合料抗滑性能研究可以得知，粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能影響較大，棱角性越低，抗滑性能越差，它們之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。粗集料的棱角性對瀝青混合料表面宏觀紋理的影響最大，其次是對瀝青混合料表面微觀紋理的影響。另外，相比較于AC級配瀝青混合料，SMA級配瀝青混合料的抗滑性能更好。

按照前面介紹的方法測量具有不同表面特性的瀝青混合料試件，測量結(jié)果如圖7所示。圖中，通過試件表面不同位置高度的變化可以表征瀝青混合料的宏觀構(gòu)造，通過測量混合料表面集料的AIMS紋理指標可以表征瀝青混合料的微觀紋理，AIMS紋理指標是采用小波分析法獲取粗集料表面紋理信息并對其進行量化得到的。計算公式見

式(4)。

(4)

式中：D——分解函數(shù)；

N——張圖像中細節(jié)系數(shù)的總數(shù)量；

i——第i張高精度圖像；

j——小波指數(shù)；

x，y——在轉(zhuǎn)換域中細節(jié)系數(shù)的橫、縱坐標。

從圖7中可以看出，對于AC-16和SMA-16級配瀝青混合料，隨著組成它們的粗集料經(jīng)受的磨耗次數(shù)越多，混合料表面高度變化的頻率越低、幅度越小，同時，分布于高紋理區(qū)域的集料數(shù)量越少，表明瀝青混合料表面的宏觀粗糙度與微觀粗糙度均變低。這是因為粗集料經(jīng)受的磨耗次數(shù)越多，其棱角性越低，導致瀝青混合料的表面粗糙度越低。此外，從圖中還可以看出，對于由相同磨耗次數(shù)粗集料組成的不同級配瀝青混合料試件，SMA-16混合料的表面宏觀粗糙度比AC-16混合料的表面宏觀粗糙度高。

通過建立AIMS Ⅱ微觀紋理測量結(jié)果與擺式摩擦系數(shù)儀法測量結(jié)果之間的相關(guān)性，具體分析兩者之間的聯(lián)系，基于計算得到的線性相關(guān)系數(shù)，定量地驗證AIMS Ⅱ測量瀝青混合料表面粗糙度的合理性。相關(guān)性分析結(jié)果如后頁圖8所示。

通過以上分析結(jié)果得知，鋪砂法和擺式摩擦系數(shù)儀法測量結(jié)果與AIMS Ⅱ測量結(jié)果之間具有較好的一致性。此外，從圖8中得到，對于AC-16和SMA-16級配瀝青混合料，AIMS Ⅱ微觀紋理測量結(jié)果與擺式摩擦系數(shù)儀法測量結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)分別高達0.920 5和0.964 4，表明兩者之間具有較好的線性相關(guān)性。因此，采用AIMS Ⅱ測量瀝青混合料的抗滑性能是合理的。

(a)AC-16-0瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(b)AC-16-300瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(c)AC-16-1000瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(d)SMA-16-0瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(e)SMA-16-300瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(f)SMA-16-1000瀝青混合料表面的宏觀構(gòu)造與微觀紋理

(a)AC-16

(b)SMA-16

4結(jié)語

本文采用AC-16C與SMA-16級配瀝青混合料，對于各級配類型，分別采用經(jīng)過0次、300次和1 000次磨耗的不同棱角性粗集料組成瀝青混合料，采用擺式摩擦系數(shù)儀法和鋪砂法分別測量其摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，研究粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響，并建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系。最后，通過AIMS Ⅱ掃描瀝青混合料試件表面，從細觀尺度分析粗集料的棱角性對瀝青混合料抗滑性能的影響機理。主要得到以下結(jié)論：

(1)粗集料的棱角性越低，瀝青混合料的抗滑性能越差，它們之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

(2)粗集料的棱角性對瀝青混合料表面宏觀紋理的影響最大，其次是對表面微觀紋理的影響。另外，SMA級配瀝青混合料比AC級配瀝青混合料的抗滑性能好。

(3)AIMS Ⅱ基于圖像處理技術(shù)測量瀝青混合料表面特性是合理的，其測量結(jié)果與規(guī)范的抗滑性能試驗結(jié)果之間具有很好的相關(guān)性。

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Research on the Impact of Coarse Aggregate Morphology on the Sliding Resistance of Asphalt Mixture

FU Wei1，LIU Chao-qun2，BU Yin3

(1.Fuzhou Administration Center of Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330086；2.Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330025；3.Jiangxi Transportation Research Institute，Nanchang，Jiangxi，330038)

Abstract：The coarse aggregate has an important role for the formation of macroscopic and microscop-ic structure of asphalt pavement，its shape，angularity and surface texture are closely related to the slid-ing resistance of pavement surface.This article respectively adopted the coarse aggregate with different angularity and after 0，300，and 1 000 times of Los Angeles abrasion to constitute AC-16C and SMA-16 graded asphalt mixtures，and used the pendulum friction coefficient tester method and sanding method to respectively measure their friction coefficient and structure depth，meanwhile，through scanning the asphalt mixture specimen surface by AIMS Ⅱ，it analyzed the impact mechanism of coarse aggregate angularity on the sliding resistance of asphalt mixture from the microscopic scale.The results showed that：the angularity of coarse aggregate has greater impact on the sliding resistance of asphalt mixture，with a good linear correlation between them.

Keywords：Coarse aggregate；Morphology；Asphalt mixture；Sliding resistance；AIMS Ⅱ

文章編號：1673-4874(2015)12-0007-08

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.002

基金項目

作者簡介