粗集料的抗滑耐磨性能评价新方法

李菁若，张东长，谭 巍,2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)



粗集料的抗滑耐磨性能评价新方法

李菁若1，张东长1，谭 巍1,2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

为了改进现行规范集料磨光值评价方法，开发出非曲面、不易断裂掉粒、样本量充足的集料板试件及其制备工艺与结构组合；根据自研仪器——自动化测试路面材料动态摩擦系数的“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”，提出集料板抗滑耐磨性能测试方法与评价指标；研究了不同岩性集料及互掺集料的抗滑性能衰变规律，分别从主要矿物成分、产出条件与结构构造上分析了不同岩性集料板抗滑性能的差异性；互掺集料的抗滑耐磨性能相比弱者达到强弱结合偏强的效果，不同岩性集料互掺技术有待成为抗滑表层选材技术的新方向；自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系更能综合体现集料本身的抗滑耐磨性能，可用于沥青路面抗滑表层室内快速选材的新型检测方法。

道路工程；集料/沥青混合料摩擦特性测试仪；抗滑性能评价方法；抗滑性能；集料；互掺技术

0 引言

现行高速交通的行车条件，如道路渠化交通、超载车辆和超载率等的增加，对路面抗滑性能提出了更高的要求。沥青路面表面层在经受长期车辆荷载作用后，包裹在集料表面的沥青膜逐渐被磨掉，集料逐渐裸露出来，此时路面主要依靠集料提供抗滑力。因此在轮胎的作用下，不仅要求集料具有较高的抗磨耗性，而且要求具有较高的抗磨光性。然而目前我国采用的磨光值试验方法，从材料到试验方法本身均存在一定的人为因素，从而导致了沥青路面抗滑表层粗集料磨光值这一重要指标的不确定性，成为了我国高速公路沥青路面建设中的一处软肋。

现行规范中关于集料磨光值的检测不仅试验程序复杂烦琐、试验周期长，且试验过程引起误差的因素也比较多，往往会造成磨光值测定数据偏差过大，是路用粗集料检测中比较不易掌握，又容易出问题的检测项目，其不足之处主要总结为以下4方面：(1)理论上：现行规范评价集料磨光值是将被测集料与标准试件进行比较试验的结果，其参照系为标准试样的磨光值，并不能说明被测集料在6 h磨光过程中摩擦系数的衰减速度及其衰减规律[1]；磨光试件所用集料约17±3颗，样本量少，代表性不足。(2)现实条件上：距选定标准试样几十年，在不断开采的料场中，矿石层位变化可能引起石料磨光值等的变化[2]。(3)实际操作上：磨光试件尺寸小、薄，呈曲面，磨光过程中试件承受长时间持续不断的振动、挤压，极易发生掉粒、断裂等现象[3-4]；试验步骤多，过程繁琐，耗时长(6 h)。(4)应用推广上：现行规范中集料的磨光试验，不能用于磨光沥青混合料试件，且其抗滑指标测量手段为摆式仪，测摆值时不仅人为因素大、检测速度慢，而且只能表征低速下(0～10 km/h甚至接近于0)的摩擦系数，与实际高速行车产生的摩擦系数不符，使得测试结果应用具有很大的局限性[5-6]。

黄云涌等[1]明确指出现行的集料磨光值评价方法有待改进。但是几年过去了，仍未被有效解决甚至初露研究迹象。因此，本文通过自主研发的“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”对不同料源的集料(石灰岩、花岗岩、玄武岩、辉绿岩)进行抗滑耐磨长期性能及其变化规律研究，试图在现行规范磨光值测试方法的不足之上，开发出简单易行的评价集料抗滑耐磨性能的技术方法以及评价指标，使其试验过程更加客观，试验结果更加稳定。

1 自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化检测方法

1.1 自主创新试验用集料板

1.1.1 集料板结构简介

集料板试件(如图1所示)分上、中、下3个结构层次，依次为主体材料层、黏结层、经济节约层。主体材料层(11±1.5)mm主要由各种路面碎石材料构成，如玄武岩、辉绿岩、花岗岩、石灰岩、安山岩等集料；黏结层(14±1)mm主要由各种胶结料构成，如环氧树脂砂浆、不饱和聚酯树脂砂浆、聚氨酯砂浆、水泥砂浆、沥青砂浆等；经济节约层(25±1)mm主要是为了节约中间黏结层的造价，考虑使用经济节约的混凝土，如水泥混凝土、沥青混合料等。

图1 自主创新试验用集料板Fig.1 Independent innovated aggregate plate for test

1.1.2 集料板制备工艺

首先准备9.5～13.2 mm的结净干燥粗集料，并于试模内部周边涂刷肥皂水等脱模剂；然后将集料颗粒尽量紧密地排列于试模内，且大面、平面向下；于集料间隙内充填<0.3 mm的干砂，充填高度约为集料颗粒高度的2/3且表面不得有浮粒；选用强黏结力的树脂，混合<0.3 mm的干砂，铺第一层黏结层，并用橡胶锤轻轻敲打密实黏结层，在铺撒与敲打时尽量不触动集料；在第一层黏结层未完全固化前，对其表面进行拉毛、刻槽等处理，以增大其表面粗糙度以及与下层的黏结强度；在第一层黏结层基本固化后，铺第二层经济节约层，本层是为了增大集料板的厚度，使其稳定安装于测试仪器中，故本层对胶凝材料黏结力要求不高，可以选用较为经济的胶凝混合物；最后将表面抹平，并根据经济节约层的凝胶性质进行养生，形成强度。

1.2 集料板抗滑耐磨性能自动化测试仪器与方法

1.2.1 抗滑耐磨性能自动化测试仪器简介

自研设备“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”由操作界面、驱动系统、加载系统、承样台、磨具系统、加热系统以及喷水系统组成,如图2所示。该仪器用于自动化测试路面材料的动态摩擦力，对抗滑表层路用集料进行甄选以及对不同岩性集料进行“田忌赛马”式的性能加强型组合方式的优选。试验时，电缸驱动系统，带动磨具做直线往返运动；集料板试件被安装于承样台中，用于模拟实际路面所用集料，并承受磨具的匀速往复磨光磨耗运动；加载系统为气缸，与驱动系统联合实现加速加载的功能，用于模拟路面车辆不同行驶速度与不同荷载的作用；操作界面为触控系统，控制着测试仪的运行、试验参数设定、动态数据记录与打印、故障预警等。另外，仪器的调温系统和喷水系统用于模拟实际路面温度与路表干湿状况(水膜厚度0～5 mm)等环境条件的变化。除此之外，该仪器还可用于沥青混合料试件的磨光磨耗试验。

图2 集料/沥青混合料摩擦特性测试仪Fig.2 Friction characteristic tester for aggregates and asphalt mixtures

自主创新集料板试件(图1)所用集料约300±15颗，样本量大，代表性足；试验数据由仪器自动化测试与显示，人为因素小；不需要标准试样作对比；试件尺寸为300 mm×150 mm×50 mm，较厚实，磨光过程中不会因长时间持续不断的振动、挤压等产生掉粒、断裂等现象，影响试验数据的准确性或者不得不进行重复性试验；试验步骤少，操作过程简单，耗时较短(3～5 h)；能够测试不同速度下的摩擦系数及其变化规律，即室内长期抗滑性能的模拟，与实际高速行车产生的摩擦性能基本相符。

1.2.2 集料板抗滑耐磨性能评价指标

集料/沥青混合料摩擦特性测试仪采用电缸作为驱动，通过控制电磁阀的通断做往复直线运动，每个单次单向直线运动被剖解为3个运动阶段，即加速行驶阶段、匀速行驶阶段与减速行驶阶段。集料板的加速加载磨光磨耗运动与数据采集均发生在匀速行驶阶段，又匀速运动下的拉力等于摩擦力，故拉力与集料板本身受到的正压力的比值即为动态摩擦系数。因此集料板抗滑性能的评价指标为仪器自测动态摩擦系数的衰减终值以及衰减速率。

2 自主创新集料板抗滑耐磨性能变化规律

2.1 不同岩性集料板的长期抗滑耐磨性能

采用云南石灰岩、缅甸石灰岩、云南玄武岩、江苏玄武岩、新疆花岗岩、湖北辉绿岩以及湖南辉绿岩分别制备抗滑集料板，均进行两次平行试验。使用“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”测试其抗滑性能，自动化采取各个时间点的动态摩擦系数，待稳定后(稳定期为试验开始后的第1 h后)，每隔1 h取值并对其动态摩擦系数进行曲线拟合，结果如表1所示。

表1 不同岩性集料板抗滑性能的衰减规律

从表1可知：

(1)文中对动态摩擦系数进行曲线拟合时，采用的是磨光磨耗趋于稳定后的数据。实际上集料的抗滑耐磨性能的衰减是先从一个初值迅速降低，然后逐渐趋于稳定的过程，即集料的抗滑耐磨衰减速率不是一个定值，一般情况下随荷载作用次数的增加而减小，而不考虑加载初期衰减速率后，其变化程度不大，基本上为一定值[7-8]。另有相关研究[1]表明，沥青路面抗滑指标衰减规律的拟合不必过多地考虑加载初期衰减规律的拟合函数相关性的好坏，更重要的是研究抗滑指标在经过初步压密以后的变化规律。因此，本文亦着重研究集料板磨光磨耗趋于稳定后的变化规律，根据稳定后拟合曲线可知衰减速率为一定值，即稳定后集料的抗滑耐磨性能随着磨光磨耗时间线性降低。

(2)集料岩性不同，其抗滑耐磨性能衰减速率亦不同，衰减速率越大，集料的长期抗滑耐磨性能越差。石灰岩集料的衰减速率约为玄武岩、辉绿岩、花岗岩的1.4～2.7倍；岩性相同，而产地不同，亦会导致衰减速率的差异性。从矿物成分上，玄武岩主要矿物为辉石、长石、橄榄石等；花岗岩主要矿物为石英、长石等暗色矿物；辉绿岩主要为辉石和基性长石等；石灰岩主要为方解石，伴有白云石、菱镁矿和其他碳酸盐矿物。一方面，石英、长石、辉石、橄榄石等的莫氏硬度为5～7，方解石与白云石的莫氏硬度分别为3和4，其抵抗机械作用力侵入的能力相对较弱；另一方面，方解石与白云石具有很好的解理性和较差的结晶度，不仅能够弱化岩石强度，而且具有较强的各向异性[9-10]，在平行于面理方向上容易以层状切削的方式被行车荷载磨损脱落。因此石灰岩集料板稳定状态下的磨光磨耗衰减速率相对玄武岩、辉绿岩、花岗岩等集料的衰减速率较大。

(3)集料岩性不同，其抗滑耐磨性能衰减终值亦不同，石灰岩的衰减终值约为玄武岩、辉绿岩、花岗岩的0.63～0.88倍；岩性相同，而产地不同，亦会导致其衰减终值各异性；衰减终值越大，集料的长期抗滑耐磨性能越好。

(4)根据②与③的分析可知，衰减终值大的衰减速率不一定小，最终难于综合评判集料的长期抗滑耐磨性能。为了综合衰减速率与衰减终值两个指标，引入衰减终值为0.42时对应的磨光磨耗时间，这里的0.42为潮湿区高速公路、一级公路表面层用粗集料的磨光值要求。可见不同岩性集料的长期抗滑耐磨性能依次为：江苏玄武岩>湖北辉绿岩>湖南辉绿岩>云南玄武岩>新疆花岗岩>兴磊石灰岩>十五标石灰岩>户勒石灰岩>缅甸石灰岩>恩和石灰岩>八标石灰岩。玄武岩、辉绿岩、花岗岩三者相比，虽然均属于岩浆岩，但玄武岩为喷出岩，基质一般为细粒或隐晶质；辉绿岩为浅成岩，显晶质，细-中粒；而花岗岩为深成岩，晶体一般较粗大，为粗粒至巨粒结构和块状结构[11]。一般而言，细结构的岩石颗粒间接触面较大，连结力较强，强度高，抵抗磨耗的作用力也强，因此从三者的颗粒大小方面上，可知玄武岩抗磨耗能力强于辉绿岩，辉绿岩强于花岗岩。但是即便是同一岩性的集料，因其所处的地理区域不同，地质构造不同，造岩矿物种类与含量有在差异等，其集料的抗滑性能衰减速率和衰减终值亦有所差异，如云南玄武岩与江苏玄武岩、新疆花岗岩与重庆花岗岩、湖北辉绿岩与湖南辉绿岩的差异等。

2.2 不同岩性集料板长期抗滑耐磨性能与现行磨光值的相关性

不同岩性的集料抗滑耐磨技术指标(如磨光值、压碎值、磨耗值)以及根据专家调查法[12-13]计算出的集料抗滑耐磨综合指标如表2所示，其中磨光值、集料抗滑耐磨综合指标与各种岩性集料板长期抗滑耐磨性能(即衰减终值为0.42时对应的时间)的关系图如图3、图4所示。

表2 不同岩性集料抗滑耐磨技术指标与抗滑耐磨综合指标

图3 集料磨光值与集料板抗滑性能的相关性Fig.3 Correlation between polished stone value and skidresistance performance of aggregate plate

图4 集料抗滑耐磨综合指标与集料板抗滑性能的相关性Fig.4 Correlation between skid-resistance and wear-resistance comprehensive index of aggregate and skid-resistance performance of aggregate plate

从图3可知，总体上集料的磨光值越大，集料板的长期抗滑耐磨性能越好。但是从表2的集料磨光值与表1的集料板衰减终值或衰减终值为0.42时对应的衰减时间数值上分析，集料的磨光值与集料板的长期抗滑耐磨性能之间的关系杂乱无章。也就是说，虽然现行规范中规定沥青路面抗滑表层抗滑性能选材主要以集料磨光值作为评价指标，但实际上路面抗滑性能亦与集料的其他性能，如压碎值、磨耗值、冲击值、棱角性、颗粒形态等物理力学指标存在相关关系。

已有研究[14]表明：集料特性对沥青路面抗滑耐磨性能存在影响作用，其中集料磨光值、磨耗值以及压碎值对抗滑性能的相关性以及权重较大，因此被称为抗滑表层集料选择阶段预测路面抗滑表层抗滑性能的集料抗滑耐磨技术指标。为此本文亦主要根据不同岩性集料的磨光值、压碎值、磨耗值，采用专家调查法计算其抗滑耐磨综合指标。从图4可知，集料板的长期抗滑耐磨性能与集料的抗滑耐磨综合指标之间具有较好的线性相关性，这也进一步表明了本文推出的自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系比现行规范集料磨光值评价体系更能综合体现集料本身的抗滑耐磨性能，因此该试验方法可用于沥青路面抗滑表层抗滑材料的室内快速选材之法。除此之外，自主创新集料板抗滑耐磨性能试验方法与操作步骤更加简便可靠，仪器自动化采集数据，不需要人为测摆值，免除了个体人为因素带来的试验误差。

2.3 不同岩性互掺集料板的长期抗滑性能

图5为根据现行规范集料磨光值制样方法制备出的玄石互掺集料试件，由图5可知规范中集料磨光值试件呈曲面，厚度不超过20 mm，长度不超过95 mm，宽度不超过45 mm；集料颗粒为17±3颗，即便严格取样，也避免不了样品“个性突显、共性降低” 的现象。更何况对于互掺集料，集料排列方式、有效测试区域内的大面、平面面积等都必须着重考虑，难于按照比例分配、排列，测试时也极易造成误差。而对于自主创新集料板(图6)而言，有效磨光磨耗测试区域为120 mm×250 mm，面积大，样本量多，自动化采集数据，误差小。因此，自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化检测方法有待成为日后测试互掺集料抗滑数据的有效途径。

图5 玄石互掺集料现行规范磨光值测试试件Fig.5 Specimens of polished stone value test based on existing specification

图6 玄石互掺集料板Fig.6 Aggregate plate blended with basaltand limestone

不同岩性集料以1∶1的比例互掺稳定后的动态摩擦系数拟合曲线及衰减终值如表3所示。

表3 不同岩性互掺集料板长期抗滑性能的衰减规律

从表3可知：

(1)互掺集料的磨光磨耗运动趋于稳定后，其衰减速率亦为一定值，即稳定后抗滑耐磨性能与磨光磨耗时间线性相关。

(2)互掺集料的衰减速率、衰减终值分别处于互掺之前两种集料的衰减速率、衰减终值之间，说明集料互掺可以改善衰减速率与衰减终值。

(3)互掺集料的衰减终值为0.42时对应的时间处于两者之间，说明集料互掺之后能够改善较弱集料(石灰岩)的长期抗滑耐磨性能。

(4)不同的石灰岩集料与同一种集料(如玄武岩、花岗岩、辉绿岩集料等)互掺，石灰岩集料本身的长期抗滑耐磨性能越好，互掺集料的长期抗滑耐磨性能亦越好。

(5)结合表1可知，互掺集料的衰减终值以及衰减终值为0.42时对应的时间相对于较弱集料提高的幅度高于按照1∶1的比例增加的幅度，说明石灰岩集料中掺入1∶1的玄武岩、花岗岩或者辉绿岩集料后，其长期抗滑耐磨性能改善幅度得到增强，达到强弱结合偏强的效果。由此可知在石灰岩丰富、玄武岩等匮乏地区，采用互掺集料既可以保证抗滑性能，节约工程造价，又可充分利用地材，实现当地经济的可持续发展。

3 结论

(1)自主研发出非曲面、不易断裂掉粒、样本量充足的集料板试件的结构与制备工艺；为集料板试件研发了配套使用的室内自动化测试路面材料动态摩擦力的“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”，可以对抗滑表层路用集料进行甄选以及对不同岩性互掺集料进行组合优选；提出集料板抗滑耐磨性能衰减规律的测试方法与评价指标，改善了现行规范集料磨光值的不足。

(2)11种不同岩性集料板以及互掺集料板趋于稳定后的抗滑耐磨性能与磨光磨耗时间均线性相关，即其稳定后衰减速率为定值。

(3)岩性不同，集料板的抗滑耐磨性能衰减速率与衰减终值均不同；岩性相同、产地不同，亦会导致衰减速率与衰减终值的各异性；石灰岩集料的衰减速率约为玄武岩、辉绿岩、花岗岩的1.4～2.7倍，衰减终值约为玄武岩、辉绿岩、花岗岩的0.63～0.88倍；分别从主要矿物成分、产出条件以及结构构造上分析了不同岩性集料板抗滑性能的差异性。

(4)分析了不同岩性集料板长期抗滑性能与现行集料磨光值的相关性，两者趋势上相关，实际上相关性不大；相反，不同岩性集料板长期抗滑性能与集料抗滑耐磨综合指标之间具有较好的线性相关性，说明自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系比现行规范集料磨光值评价体系更能综合体现集料本身的抗滑耐磨性能，可用于沥青路面抗滑表层室内快速选材的检测方法。

(5)自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系改进了现行规范集料磨光值评价体系对互掺集料抗滑耐磨性能的测试与评价；集料互掺之后抗滑耐磨性能改善幅度得到增强，达到强弱结合偏强的效果，提出不同岩性集料互掺技术，成为缓解公路安全、快速建设矛盾的有效办法，为今后我国高速公路沥青路面抗滑表层的选材开辟新方向。

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A Novel Method for Evaluating Skid-resistance and Wear-resistance Performance of aggregates

LI Jing-ruo1, ZHANG Dong-chang1, TAN Wei1,2

(1.China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, China;2.School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to improve the evaluation method polished stone value of aggregates in existing specifications, the aggregate plate specimen which has advantages as non-curved surface, not easy break and peel off, large-scale samples and so on is developed, and the preparation process and structure combination are also developed. The testing method and evaluation indexes of skid-resistance and wear-resistance performance of aggregate plate is put forward based on the self developed friction characteristic tester for automated testing dynamic friction coefficient of aggregates and asphalt mixtures. Then, the decay law of skid-resistance of aggregates with different lithology and blending technology is studied, and their differences of skid-resistance are analyzed from points of main mineral components, production conditions and the structure and texture. Besides, the skid-resistance and wear-resistance performance of blending aggregates achieve enhanced effect than the weaker one are analysed, so the blending technology of aggregates with different lithology leads a new direction for selecting the materials for anti-skid surface. The independent innovated automated evaluation system for skid-resistance and wear-resistance performances of aggregate can be as a novel testing method for quickly selecting materials for asphalt pavement surface, because it can more comprehensively reflect the skid-resistance and wear-resistance performances of aggregates.

road engineering; friction characteristic tester of aggregates and asphalt mixtures;evaluation method of skid-resistance performance; skid-resistance performance; aggregate; blending technology

2016-02-01

云南省交通厅科技计划项目(云交科2011(B)01-b)

李菁若(1988-)，女，河南柘城人，硕士研究生. (lijingruo@cmhk.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.012

U416.217

A

1002-0268(2016)12-0076-07