劉春陽 李洛克

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

當(dāng)前，道路對(duì)路面性能要求日益增多，對(duì)道路安全性、環(huán)保及資源再利用等要求持續(xù)提高。路面材料的適用性、安全性、組成設(shè)計(jì)等對(duì)路面的使用性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在道路工程領(lǐng)域，瀝青材料具有可再生利用的優(yōu)勢，巖石集料為普遍采用的原材料，其表面紋理的粗糙程度會(huì)顯著影響瀝青混合料的路用性能。粗糙的紋理表面有利于增大集料與瀝青的接觸面積，形成一定的膠結(jié)料滲透深度，增加瀝青膜的厚度，增強(qiáng)兩種材料在接觸面上的物理吸附作用。同時(shí)，集料顆粒輪廓面的細(xì)微凸起較多，有利于在拌和過程中形成相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，使瀝青混凝土具有良好的抗剪強(qiáng)度，提升路面的抗車轍性能。因此，定量表征巖石類材料輪廓面的粗糙特性，對(duì)于改善及提高瀝青混合料的路用性能具有實(shí)際意義。

近年來，巖石類材料輪廓面粗糙特性的相關(guān)研究日益受到關(guān)注，如BARTON N使用節(jié)理粗糙度系數(shù)(JRC)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]，選取10條典型巖石表面輪廓線評(píng)估JRC，其取值范圍在0到20之間[2]，如表1所示。在巖土工程研究領(lǐng)域，粗糙度系數(shù)常被用于建立巖石表面輪廓形貌與其界面力學(xué)及滲流特性的相關(guān)性[3-4]。在道路工程領(lǐng)域，粗糙度是分析瀝青與集料的黏附性與集料顆粒表面紋理粗糙度關(guān)聯(lián)程度的重要指標(biāo)[5-6]?，F(xiàn)階段工程領(lǐng)域常采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)集料形貌特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，如我國現(xiàn)行的《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中粗集料磨光值試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)集料的路用耐磨耗、抗滑等性能，但不適宜在微觀層次描述集料紋理的粗糙程度[7]。

鑒于此，本文采用粗糙度系數(shù)JRC對(duì)集料表面紋理粗糙度進(jìn)行定量表征，提出了基于接觸式測量的粗集料破裂面二維剖面的評(píng)價(jià)方法，定性與定量評(píng)價(jià)粗集料破裂面二維剖面。在此基礎(chǔ)上，分析集料表面二維輪廓線粗糙度的各向異性特征，提出集料表面三維輪廓面粗糙度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建基于輪廓測量的集料表面粗糙度表征方法，進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證方法的可靠性。

表1 Barton標(biāo)準(zhǔn)粗糙度輪廓線

1 集料表面二維輪廓線粗糙度評(píng)價(jià)方法

采集粗集料破裂面表面的二維剖面輪廓線，分別運(yùn)用定性與定量方法評(píng)估粗糙度，提出了適合工程應(yīng)用的二維粗糙度測量方法及模式。

1.1 Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面法

在粗集料表面測試區(qū)域內(nèi)選取等距的9個(gè)觀測截面，如圖1所示。應(yīng)用Kasaka FGA51型觸針式輪廓形狀分析系統(tǒng)采集粗集料觀測截面斷面的紋理表面起伏輪廓線。首先，設(shè)置觸針移動(dòng)速度為0.5 mm/s，波動(dòng)范圍控制在±0.02 mm/s，采樣步長為2 μm，采樣直線距離為12 mm。其次，在對(duì)有效測試長度10 mm內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并數(shù)字化的基礎(chǔ)上，將其等比例繪制于坐標(biāo)網(wǎng)格中。最終，通過與Barton標(biāo)準(zhǔn)輪廓線的目測比較來確定集料二維剖面測試輪廓線的JRC，如表2所示。

由上述粗糙度評(píng)價(jià)過程可以看出，通過Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面法雖可以在特定剖面提取粗糙度特征，定性評(píng)價(jià)粗集料表面紋理，但受輪廓曲線采集精度、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)等因素影響較大。同時(shí)，受巖性與生產(chǎn)工序影響，巖石類集料表面紋理的形貌特征差異明顯，僅根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線目測對(duì)比以確定集料二維剖面測試輪廓線的粗糙度存在較大誤差。

圖1 集料表面觀測截面

表2 基于Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面法的輪廓線粗糙度評(píng)價(jià)

1.2 特征參量表征法

為定量分析巖石類材料二維剖面輪廓線的粗糙度，以貫穿于取樣長度內(nèi)的一條最小二乘中線作為基準(zhǔn)線，建立幾何特征統(tǒng)計(jì)參數(shù)與粗糙度間的回歸方程計(jì)算JRC值，進(jìn)一步提取分析輪廓曲線的起伏特征信息，如圖2所示。

圖2 二維輪廓線起伏幅度示意

根據(jù)紋理輪廓線與基準(zhǔn)線間的關(guān)系，獲取表征粗糙度的相關(guān)參數(shù)，主要包括輪廓線總長度、輪廓線幅度函數(shù)、輪廓線正向坡、負(fù)向坡總長度等。但由于上述參數(shù)基準(zhǔn)線位置是影響其結(jié)果的重要因素，在實(shí)際操作過程中，尋找最小二乘中線較為困難。因此，根據(jù)不受基準(zhǔn)線位置影響的結(jié)構(gòu)函數(shù)SF與粗糙度系數(shù)間的關(guān)系[8-9]，定量計(jì)算集料二維剖面輪廓線的粗糙度JRC2D：

JRC2D=37.28+16.58lgSF

(1)

(2)

式中，L為表面輪廓線總長度；y(x)、f(x)均表示表面輪廓線幅度；△xi為輪廓線L在X軸方向上測點(diǎn)間距(X軸方向上測點(diǎn)間距為2 μm，即△xi=0.002 mm)。

根據(jù)測量曲線相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算集料破裂面9條二維輪廓線的粗糙度系數(shù)JRC2D，如表3所示。

表3 基于特征參量表征法的輪廓線粗糙度評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，采用特征參量表征法可以定量表征集料紋理的二維剖面的粗糙度系數(shù)，但對(duì)集料紋理起伏形態(tài)的幾何特征參數(shù)測量精度要求較高。在工程應(yīng)用中，受測量條件及統(tǒng)計(jì)規(guī)模的限制，使用起伏度特征參數(shù)表征法對(duì)集料表面紋理粗糙度的評(píng)價(jià)能力十分有限。

1.3 跡線長度表征法

在實(shí)際工程應(yīng)用中定量評(píng)價(jià)路用巖石類集料的粗糙度系數(shù)，首先要滿足精度要求，同時(shí)測量儀器、試驗(yàn)方法及計(jì)算流程不宜過于繁雜，應(yīng)具備測量速度快、便于統(tǒng)計(jì)分析的特點(diǎn)。因此，在綜合比較已有的計(jì)算參數(shù)后，認(rèn)為采用SOUDANI S M[10]提出的跡線長度表征法符合以上要求。

(3)

式中，Rp為剖面輪廓線輪廓線實(shí)際長度與其直線長度的比值；xi、xi+1、yi、yi+1分別為測試輪廓線第i點(diǎn)和第i+1點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。

在不同的采樣間隔下，Rp與JRC的函數(shù)關(guān)系如表4所示[11]。

表4 參數(shù)Rp與JRC的函數(shù)關(guān)系

將表2中各輪廓曲線的測點(diǎn)數(shù)據(jù)以0.5 mm間隔進(jìn)行采樣后帶入式(3)，獲取輪廓線的伸長率Rp，再通過表4中采樣間隔0.50 mm的Rp與JRC的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算每條集料破裂面二維剖面輪廓線的粗糙度系數(shù)JRC2D，結(jié)果如表5所示。

表5 基于跡線長度表征法的輪廓線粗糙度評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，使用起伏度特征參數(shù)表征法與跡線長度表征法的計(jì)算偏差在13%以內(nèi)，具有良好的相關(guān)性。本文中兩種粗糙度表征方法計(jì)算結(jié)果的偏差主要是由采樣間隔差異引起的，通過特征參量表征法計(jì)算時(shí)采樣間隔為0.002 mm，通過跡線長度表征法計(jì)算時(shí)采樣間隔為0.5 mm。在相對(duì)較大的采樣間隔下，測量曲線的部分細(xì)觀形貌變化無法采集，導(dǎo)致計(jì)算的粗糙度數(shù)值總體偏低。

2 集料破裂面三維粗糙度表征方法

建立集料破裂面的三維形貌數(shù)字高程模型，分析了集料表面粗糙度的各向異性特征，提出了集料輪廓面三維平均粗糙度的表征方法。

2.1 粗集料破裂面表面粗糙度的各向異性特征

將粗集料破裂面表面10 mm×10 mm范圍作為觀測區(qū)域，在x、y方向均以0.5 mm采樣間隔各設(shè)置20個(gè)測點(diǎn)，共400個(gè)測點(diǎn)，如圖3所示。采用輪廓形狀分析系統(tǒng)獲取測點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過Matlab編程繪制集料破裂面采集區(qū)域的三維形貌數(shù)字高程模型[12]，如圖4所示。

圖3 集料破裂面測量區(qū)域與測點(diǎn)

圖4 集料破裂面三維形貌數(shù)字高程模型

由三維形貌數(shù)字高程模型可見，粗集料破裂面剖面的二維輪廓線粗糙度在不同角度方向上具有顯著的差異性。在觀測區(qū)域內(nèi)定義坐標(biāo)原點(diǎn)與0°方向；以0°方向?yàn)榛鶞?zhǔn)線，經(jīng)過該點(diǎn)每隔15°切一個(gè)剖面，將集料破裂面采集區(qū)域共切出12個(gè)剖面，如圖5所示。應(yīng)用跡線長度表征法分別測算12條二維剖面輪廓線的粗糙度系數(shù)JRC2D，繪制集料破裂面采集區(qū)域的粗糙度各向異性圖，如圖6(a)所示。

圖5 斷裂面12條剖切線平面位置分布

(a)15°間隔各剖面粗糙度變化

(b)30°間隔各剖面粗糙度變化

(c)45°間隔各剖面粗糙度變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，集料破裂面采集區(qū)域內(nèi)的12條二維剖面輪廓線粗糙度各不同，并與方向改變無明顯關(guān)聯(lián)性，呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征。因此，二維粗糙度系數(shù)不能整體地表征集料表面的幾何形態(tài)，應(yīng)使用三維粗糙度系數(shù)進(jìn)一步綜合表征集料顆粒輪廓面粗糙紋理的幾何特征。

2.2 三維平均粗糙度JRC3D表征方法

鑒于粗集料破裂面表面形態(tài)與剖面輪廓線二維粗糙度呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)特征，參考學(xué)者杜時(shí)貴提出的方法[13]，采用求均值方法將測試區(qū)域測定的多角度二維剖面輪廓線的粗糙度系數(shù)JRC2D擴(kuò)展為三維粗糙度系數(shù)JRC3D，表征粗集料斷裂面測試區(qū)域內(nèi)的平均粗糙度，降低剖面線的選取差異導(dǎo)致的測試結(jié)果偏差。

(4)

應(yīng)用式(4)計(jì)算圖6(a)中測量區(qū)域12條剖面輪廓線的平均粗糙度為13.56。為進(jìn)一步分析剖面輪廓線間隔角度及數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，分別取間隔角度為30°、45°，相應(yīng)的剖面輪廓線數(shù)量分別為6條及4條，對(duì)應(yīng)的剖面粗糙度變化如圖6(b)、圖6(c)所示。

應(yīng)用式(4)計(jì)算圖6(b)中30°間隔的6條剖面輪廓線平均粗糙度JRC3D為13.59，計(jì)算圖6(c)中45°間隔的4條剖面輪廓線平均粗糙度JRC3D為14.57。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，由間隔15°的12條剖面輪廓線與間隔30°的6條剖面輪廓線計(jì)算的平均粗糙度JRC3D結(jié)果差值分別為2.8%及7.4%，其余試樣也體現(xiàn)相關(guān)規(guī)律?？梢姡?dāng)剖面輪廓線間隔小于30°時(shí)，計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定。進(jìn)一步考慮試驗(yàn)效率與評(píng)價(jià)精度，建議測試剖面夾角取為30°，對(duì)應(yīng)的測試二維剖面輪廓線數(shù)量n為6。

3 基于JRC3D的粗集料破裂面粗糙度評(píng)價(jià)

選取平均粗糙度JRC3D作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提取道路工程中常用集料表面的粗糙度特征，深入分析在不同磨光程度下集料輪廓面的粗糙度變化情況。

3.1 集料的拋光試驗(yàn)

選取云南尋甸縣石灰?guī)r(堿性石料)、貴州省羅甸縣玄武巖(弱堿性偏中性石料)、花崗巖(酸性石料)3種集料(13.2～16 mm)進(jìn)行拋光試驗(yàn)，各項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

為定量分析3種巖性集料在不同磨光程度下破裂面粗糙度的變化情況，使用振動(dòng)拋光機(jī)改變集料表面紋理的細(xì)觀構(gòu)造特征，用氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的1000號(hào)一級(jí)金剛砂作為磨料，制備具有不同破裂面粗糙度的3種巖性粗集料測試試樣[14-15]。

表6 集料的基本性質(zhì)

3.2 粗糙度評(píng)價(jià)

分別對(duì)具有良好破裂面的10顆石灰?guī)r、10顆玄武巖及10顆花崗巖進(jìn)行0.5、1.0、1.5、2.0 h不同時(shí)間的拋光處理；每段拋光試驗(yàn)結(jié)束后，采用間隔30°的6條剖面輪廓線評(píng)價(jià)方法對(duì)集料斷裂面表面10 mm×10 mm區(qū)域的平均粗糙度系數(shù)JRC3D進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果如表7所示。各巖性集料的測試樣品在不同拋光時(shí)間下測試區(qū)域平均粗糙度的變化趨勢如圖7所示。

表7 集料破裂面平均粗糙度隨拋光時(shí)間變化

圖7 集料破裂面平均粗糙度的變化趨勢

試驗(yàn)結(jié)果顯示，拋光試驗(yàn)前石灰?guī)r集料斷裂面表面的粗糙度最高，花崗巖最小，玄武巖居中。隨著拋光時(shí)間的增加，集料粗糙的紋理表面逐步磨損，表現(xiàn)為不同巖性粗集料表面粗糙度均隨磨光時(shí)間增加呈下降趨勢；其中，石灰?guī)r粗糙度降幅最大，玄武巖次之，花崗巖粗糙度降幅最小，表明玄武巖與花崗巖的耐磨光性能均高于石灰?guī)r，與實(shí)際工程中路用集料力學(xué)指標(biāo)的衰減規(guī)律一致[15]。綜上可見，平均粗糙度系數(shù)JRC3D可以較為精確地定量評(píng)價(jià)集料顆粒表面的粗糙紋理特征，在表征集料三維輪廓面局部區(qū)域形貌特征變化時(shí)具有良好的敏感性。因此，平均粗糙度系數(shù)JRC3D可以作為評(píng)價(jià)路用集料表面粗糙度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)語

為定量描述集料表面的粗糙程度，本文采用輪廓形狀分析系統(tǒng)測量集料的表面形態(tài)，使用粗糙度系數(shù)JRC作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了集料表面粗糙度的評(píng)價(jià)方法，獲得主要結(jié)論如下：

(1)Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面法可以定性評(píng)價(jià)粗集料表面紋理在特定剖面的二維粗糙度特征，但存在人為估值的主觀性缺點(diǎn)；表面起伏特征參數(shù)法雖可定量表征集料表面的二維剖面粗糙度，但輪廓線的獲取對(duì)儀器精度要求較高，測量工作量大，評(píng)價(jià)效率有限；跡線長度表征法中的特征參量指代明確，便于測量與統(tǒng)計(jì)，適合在實(shí)際工程中用于評(píng)價(jià)集料表面二維剖面的輪廓線粗糙度。

(2)集料表面粗糙度存在明顯的各向異性特征，紋理二維剖面輪廓線粗糙度系數(shù)不能全面表征集料三維輪廓面的復(fù)雜形態(tài)，可將多角度二維剖面輪廓線粗糙度擴(kuò)展為三維平均粗糙度系數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)集料表面觀測區(qū)域內(nèi)的平均粗糙度特征。

(3)選取平均粗糙度系數(shù)JRC3D作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以準(zhǔn)確描述集料在不同拋光程度下表面粗糙度的變化情況，具有良好的敏感性，可作為表征路用集料表面粗糙度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。