譚 樂(lè)，吳 敏，鄧德毅，鄧海斌，陸新民

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000；3. 廣東省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)公司工程建設(shè)指揮部，廣東 廣州 510470)

0 引言

瀝青路面抗滑表層是指直接承受車輛荷載、抵抗外界環(huán)境因素變化，并具有防滑功能的面層，也被稱為磨耗層。而抗滑表層所處的特殊工作環(huán)境決定了抗滑表層對(duì)粗集料的性能要求較高，一般用于抗滑表層的粗集料應(yīng)堅(jiān)硬、耐磨、不透水、良好棱角性、化學(xué)穩(wěn)定性以及與瀝青具有良好的黏附性，同時(shí)應(yīng)該潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化顆粒和無(wú)雜質(zhì)。實(shí)際上，相較于中下面層，抗滑表層對(duì)粗集料抗滑耐磨性能提出了更高的要求。目前，評(píng)價(jià)粗集料抗滑耐磨性能方面的指標(biāo)主要有磨光值(PSV)、磨耗值(AAV)、沖擊值(LSV)、集料硅含量(Silica%)、集料燃燒損失法(LOI)等[1]。磨光值最早由英國(guó)運(yùn)輸和道路研究所用于評(píng)價(jià)集料表面微觀構(gòu)造，該方法在1976年被寫(xiě)進(jìn)了英國(guó)試驗(yàn)規(guī)程，現(xiàn)今已成為歐洲評(píng)價(jià)集料性能的標(biāo)準(zhǔn)方法[2]。磨耗值用于確定石料抵抗表面磨損的能力，磨耗試驗(yàn)是優(yōu)選石料的一個(gè)重要手段，世界上大部分國(guó)家的瀝青路面規(guī)范都對(duì)磨耗損失提出了要求。沖擊值反映石料抵抗沖擊荷載的能力。集料抗沖擊能力的強(qiáng)弱在一定程度上決定了路面的服務(wù)能力和使用年限，且集料沖擊值與磨光值有較好的相關(guān)性，因此也會(huì)被用來(lái)評(píng)價(jià)集料的抗滑性能[3]。另外，集料硅含量被美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)采用表征集料的耐磨性能[4]；集料燃燒損失質(zhì)量也被用來(lái)評(píng)價(jià)集料的耐磨性能[5]?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F50—2004)主要以磨光值和洛杉磯磨耗值來(lái)評(píng)價(jià)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損的性能越好[7]。

近些年，國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者試著從集料表面構(gòu)造特征等方面研究集料的抗滑耐磨性能，如趙戰(zhàn)利[8]借助圖形識(shí)別和提取技術(shù)探討了集料棱角性和集料顆粒形狀分維的關(guān)系； T.F.Fwa[9]研究分析了集料凸出體間距對(duì)瀝青路面抗滑性能的影響；曹平[10]從理論上分析了瀝青路面宏觀構(gòu)造凸出體的高度和密度對(duì)瀝青路面抗滑性能影響；苗英豪等[11]選用平均斷面深度、偏斜度、駝峰度、分形維數(shù)、平均斜率、和平均曲率等6 個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了二次多項(xiàng)式模型，精確地描述瀝青路面表面宏觀構(gòu)造與抗滑性能間的關(guān)系。有些研究者嘗試開(kāi)發(fā)粗集料的抗滑耐磨性能評(píng)價(jià)新方法，如李菁若[12]提出了自主創(chuàng)新集料板抗滑耐磨性能自動(dòng)化評(píng)價(jià)體系，叢林[13]提出了基于維氏硬度的粗集料磨光值衰減模型，從硬度方面去解釋集料抗滑磨光性能。另外，一些研究者也提出在評(píng)價(jià)石料或級(jí)配的潛在抗滑性能時(shí)，不能僅以集料磨光值評(píng)價(jià)路面抗滑性能，也要對(duì)瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)行綜合考量，如Minh-Tan Do等[14]采用W-S加速磨光儀對(duì)瀝青混合料式樣進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示室內(nèi)模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的抗滑值趨于一致；Khasawneh[15]開(kāi)發(fā)了一種用于磨耗瀝青混合料的加速磨耗儀，并在瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)：石料的磨光值和以該石料為骨料的瀝青混合料的摩擦系數(shù)值具有良好的相關(guān)性。

路面粗集料長(zhǎng)期經(jīng)受輪胎的磨損、沖擊和碾壓等綜合作用，會(huì)導(dǎo)致裸露的粗集料產(chǎn)生微裂紋隨后剝落或原有凸起、棱角等被磨掉，因而要維持較高水平的抗滑能力就需要粗集料在輪胎的長(zhǎng)期磨光作用下，不至于大量磨損，大面積磨光。實(shí)踐表明，除路面微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造外，粗集料本身的耐磨性能也是影響路面抗滑的重要因素。因此，探索路用粗集料耐磨性能衰減規(guī)律對(duì)我國(guó)公路瀝青抗滑表層的使用安全性能具有理論意義與實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)原材料及其性能試驗(yàn)

路用粗集料由自然界硬質(zhì)巖石加工而成的，巖石本身的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)粗集料的物理力學(xué)特性具有重要影響，而粗集料的某些物理力學(xué)特性在很大程度上可以反映粗集料的抗滑耐磨性能。如密度和堅(jiān)固性可以看出粗集料的致密程度和抵抗破壞的能力，石料的抗壓強(qiáng)度可以反映粗集料的強(qiáng)度，而壓碎值、磨耗值和磨光值可以反映粗集料潛在的抗滑耐磨性能。

選取貴州省瀝青路面抗滑表層常用的4種巖石粗集料：石灰?guī)r粗集料、硅質(zhì)石灰?guī)r粗集料、輝綠巖粗集料和玄武巖粗集料。表1是4種粗集料的物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，由試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖和輝綠巖粗集料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能優(yōu)于硅質(zhì)石灰?guī)r和石灰?guī)r，其中玄武巖和輝綠巖粗集料由于磨耗值較小、磨光值較大，其抗滑耐磨性能要明顯優(yōu)于硅質(zhì)石灰?guī)r和普通石灰?guī)r粗集料。另外可以發(fā)現(xiàn)4種粗集料的堅(jiān)固性和壓碎值、磨耗值、磨光值具有一致的抗滑耐磨趨勢(shì)，也可以反映粗集料抗滑耐磨性能。

表1 粗集料物理力學(xué)性能[7]

2 粗集料的磨耗衰減規(guī)律

2.1 粗集料洛杉磯磨耗試驗(yàn)

磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中表層材料不斷損傷的過(guò)程，它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果，一般劃分為表面的相互作用、表面層的變化和表面層的破壞形式3個(gè)過(guò)程[16-17]。車輪與路面集料間的磨損源于輪胎滾動(dòng)對(duì)路面裸露集料的撞擊、摩擦等作用，是非常復(fù)雜的過(guò)程，先是瀝青薄膜被慢慢磨損直至將集料暴露，接著部分裸露的集料在車輪摩擦、撞擊等作用下，微觀凸起部分逐漸被“擊碎”，導(dǎo)致集料棱角被磨平。洛杉磯磨耗試驗(yàn)可以模擬車輪與集料的這種磨損行為。

集料洛杉磯磨耗值的計(jì)算方法一般是1.7 mm以下粒徑的集料與原有集料試樣質(zhì)量比值，表征的是集料的磨耗損失率，為進(jìn)一步探究粗集料耐磨性能隨磨耗機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的衰減規(guī)律，提出用粗集料磨耗留存率——粗集料經(jīng)過(guò)磨耗儀設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)的磨耗后，其粒徑大于1.7 mm的集料占原有粗集料的質(zhì)量百分比來(lái)表征粗集料抵抗磨耗的能力。參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中 T0317—2005 試驗(yàn)方法對(duì)集料進(jìn)行磨耗試驗(yàn)，鋼筒的回轉(zhuǎn)速率為30～33 r/min，并分別設(shè)定磨耗轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)250，500，750和1 000轉(zhuǎn)，對(duì)4種不同種類粗集料進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)，4種粗集料的磨耗衰減試驗(yàn)結(jié)果和磨耗留存率與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系曲線分別見(jiàn)表2和圖1。

表2 粗集料的磨耗衰減試驗(yàn)結(jié)果

圖1 粗集料的磨耗留存率與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系曲線Fig.1 Curves of relationship between abrasion retention rate and revolution of coarse aggregate

2.2 磨耗衰減試驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖1可見(jiàn)，4種粗集料的磨耗留存率均隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增大而減小，并成一定的線性規(guī)律，且隨著轉(zhuǎn)數(shù)增大，4種粗集料磨耗留存率的差異逐漸拉大，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰減速率越快，抵抗磨耗的能力越弱。采用一元線性回歸方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，置信水平為0.95，結(jié)果見(jiàn)表2，所建立的粗集料磨耗衰減方程對(duì)4種粗集料磨耗衰減曲線擬合良好，R2均大于0.99。

我國(guó)現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)采用洛杉磯磨耗試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)集料抵抗摩擦和撞擊的能力，并提出高等級(jí)公路抗滑表層用粗集料的洛杉磯磨耗損失率不高于28%，也就是在鋼筒500轉(zhuǎn)情況下，粗集料磨耗留存率不低于72%。由表2可知，4種粗集料在鋼筒500轉(zhuǎn)時(shí)磨耗留存率均不低于72%，即使1 000轉(zhuǎn)時(shí)輝綠巖和玄武巖的磨耗留存率仍高于72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，這也表明玄武巖和輝綠巖這兩種硬度較高的粗集料抵抗車輪磨耗、撞擊性能較好。

3 粗集料的磨光衰減規(guī)律

3.1 粗集料磨光試驗(yàn)

瀝青路面在車輪的磨光作用下，使集料的暴露程度越來(lái)越大，而集料的微觀凸起在車輪壓、剪等作用下逐漸被“削平”，路面的摩擦系數(shù)開(kāi)始下降，直至衰減趨于穩(wěn)定。粗集料的磨光值試驗(yàn)?zāi)M了車輪對(duì)瀝青路面粗集料的磨光行為，并能探尋粗集料磨光衰減規(guī)律，可評(píng)價(jià)集料潛在的抗磨光作用。

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 42—2005)對(duì)4種粗集料進(jìn)行磨光值衰減試驗(yàn)，為保證試件的成活率，在道路輪的外弧面和磨光試件之間均勻地墊上寬為30 mm，厚度2 mm的土工布；在試件間塞上長(zhǎng)為45 mm，寬為10 mm，厚度2 mm的土工布小墊片，以緩解高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)試件間產(chǎn)生的壓應(yīng)力；每輪粗砂磨光和細(xì)砂磨光的道路輪轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為20 000轉(zhuǎn)(原57 600轉(zhuǎn))；將粗砂磨光時(shí)粗砂流量由(27 ±7)g/min調(diào)至最大34 g/min，細(xì)砂磨光時(shí)細(xì)砂流量由(3±1)g/min調(diào)至為4 g/min，水流速度保持在最大流速60 mL/min，以加快試驗(yàn)進(jìn)程；每輪試驗(yàn)結(jié)束后，將試件置于40 ℃烘箱養(yǎng)護(hù)12 h，以防止試件破損。

3.2 磨光衰減試驗(yàn)結(jié)果及分析

為評(píng)價(jià)不同粗集料磨光特性，提出以粗集料磨光衰減速率(Vn) ——n輪磨光后的磨光值(PSVn)與n-1輪磨光后的磨光值(PSVn-1)差值反映粗集料抵抗磨光的能力。由表3可見(jiàn)，4種粗集料在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行6輪磨光后，輝綠巖的最終磨光值最大達(dá)到40.4，玄武巖和硅質(zhì)石灰?guī)r其次，分別為37.0和32.8，石灰?guī)r最終磨光值最小為28.4，表明玄武巖和輝綠巖粗集料平均磨光衰減速率明顯小于硅質(zhì)石灰?guī)r和石灰?guī)r，說(shuō)明輝綠巖和玄武巖抵抗磨光作用的能力較好，硅質(zhì)石灰?guī)r其次，石灰?guī)r較差。我國(guó)現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求高等級(jí)公路抗滑表層用粗集料的磨光值在極端情況下不低于42。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推斷：以粗集料初始磨光值在65左右計(jì)算，如果粗集料磨光值首輪磨光衰減速率超過(guò)23，則磨光值基本滿足不了規(guī)范極端情況下的磨光值要求；如果粗集料磨光穩(wěn)定終值在42以上，則磨光值必然滿足極端情況下的磨光值要求。

表3 粗集料的磨光衰減試驗(yàn)結(jié)果

圖2 粗集料6輪磨光后形貌圖Fig.2 Morphology of coarse aggregate after 6 rounds of polishing

磨光值衰減試驗(yàn)表明，不同粗集料的磨光值衰減速率和衰減幅度存在差異。圖2是4種粗集料6輪磨光后的試件表面形貌對(duì)比圖，由圖發(fā)現(xiàn)，玄武巖和輝綠巖表面顏色均一且較深，凹凸性較好，硅質(zhì)石灰?guī)r表面顏色深淺不一，表面構(gòu)造具有較大的不均勻性，石灰?guī)r表面顏色最淺，表面粗糙度小，幾乎成一光面。玄武巖和輝綠巖是由巖漿噴出地表后冷凝而成，呈隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石等硬度較高，棱角性較好的礦物構(gòu)成，這種材料和結(jié)構(gòu)決定了玄武巖具有表面粗糙且耐磨的特性；而石灰?guī)r主要由方解石等碳酸鹽構(gòu)成，硬度較低，顆粒較軟，構(gòu)造均勻，從而導(dǎo)致其易于磨損，保持構(gòu)造能力較差；與石灰?guī)r相比，硅質(zhì)石灰?guī)r內(nèi)部含有較高含量的SiO2，且SiO2在巖石結(jié)構(gòu)中形成結(jié)核或條帶從而使硅質(zhì)石灰?guī)r形成材質(zhì)不均、組分硬度差異大的特殊形態(tài)，不但提高了自身的抵抗磨光的能力，而且在磨損中會(huì)形成構(gòu)造重生的能力，有利于集料的抗磨光[18]。

另外，從圖3粗集料磨光值衰減趨勢(shì)圖來(lái)看，4種粗集料的磨光初始值相差不大，但開(kāi)始幾輪磨光后的磨光值差異逐漸拉大，后期幾輪磨光后磨光值差異開(kāi)始減小且漸趨于穩(wěn)定；開(kāi)始的幾輪磨光試驗(yàn)中，粗集料的磨光衰減速率較快，但隨著磨光輪數(shù)的增加，粗集料磨光衰減速率逐漸減小，最后趨于零。根據(jù)磨光值衰減趨勢(shì)可知，衰減曲線并非簡(jiǎn)單的線性形式，而是先快速下降后變慢直至趨于穩(wěn)定。

圖3 粗集料磨光值衰減趨勢(shì)圖Fig.3 Attenuation curves of polishing value of coarse aggregate

粗集料的磨光特性是評(píng)價(jià)粗集料抗滑耐磨性能的重要方面，磨光值試驗(yàn)是目前評(píng)價(jià)粗集料抗滑能力最好的室內(nèi)試驗(yàn)之一。因此，探索不同粗集料磨光衰減曲線趨勢(shì)和規(guī)律在很大程度上將有助于甄別粗集料抗滑性能優(yōu)劣，同時(shí)也能在一定程度上預(yù)測(cè)粗集料磨光值的衰減速率及其穩(wěn)定終值，從而為抗滑表層用粗集料的選擇提供重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)玄武巖和輝綠巖粗集料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能優(yōu)于硅質(zhì)石灰?guī)r和石灰?guī)r，其中抗滑耐磨性能要明顯優(yōu)于硅質(zhì)石灰?guī)r和石灰?guī)r；粗集料的堅(jiān)固性和壓碎值與磨耗值和磨光值具有一致的抗滑耐磨趨勢(shì)，也可以反映粗集料的抗滑耐磨性能。

(2)粗集料的磨耗留存率均隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增大而減小，并成一定的線性規(guī)律；隨著轉(zhuǎn)數(shù)增大，磨耗留存率的差異逐漸拉大，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰減速率越快，抵抗磨耗的能力越弱；采用一元線形回歸方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建立的粗集料磨耗衰減方程對(duì)粗集料磨耗衰減曲線擬合良好。

(3)粗集料的磨光初始值相差不大，但開(kāi)始幾輪磨光后的磨光值差異逐漸拉大，后期幾輪磨光后磨光值差異開(kāi)始減小且漸趨于穩(wěn)定；隨著磨光輪數(shù)的增加，粗集料磨光衰減速率逐漸減小，最后趨于零。

(4)粗集料磨耗值試驗(yàn)和磨光值試驗(yàn)是評(píng)價(jià)集料抗滑耐磨性能的重要試驗(yàn)，探索粗集料磨耗和磨光衰減曲線趨勢(shì)和規(guī)律有助于甄別粗集料抗滑性能優(yōu)劣，對(duì)公路瀝青抗滑表層的使用安全性能具有實(shí)用價(jià)值。