粗集料綜合形態(tài)特征與抗磨耗性能的關(guān)聯(lián)性

汪海年， 雷鳴宇， 孔慶鑫， 王惠敏， 馮珀楠

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2. 杭州交投建管建設(shè)集團(tuán)有限公司， 杭州 310024)

粗集料的形態(tài)特征包括輪廓形狀、表面紋理和棱角性，其對瀝青混合料路用性能有重大影響[1-2]。目前中國規(guī)范中對集料的質(zhì)量控制較不嚴(yán)格，尤其是對粗集料外形特征的質(zhì)量控制及應(yīng)用做得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只是籠統(tǒng)地將集料分成卵石和碎石，在粗集料形態(tài)方面僅要求控制粗集料的針片狀含量，因此近年來集料形態(tài)對道路材料路用性能的影響逐漸成為研究熱點(diǎn)。與此同時，粗集料的形態(tài)特征很大程度上影響著瀝青路面的性能[3-5]，尤其是路面表層，研究表明粗集料應(yīng)具有良好的耐磨性，才可以保證路面的抗滑性能[6-7]。

Feng[8]利用第二代集料圖像測量系統(tǒng)(aggregate image measurement system Ⅱ，AIMS Ⅱ)分析不同巖性粗集料的紋理特征，研究了粗集料紋理特性對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，發(fā)現(xiàn)表面紋理值越大，瀝青混合料水穩(wěn)定性越好。錢振東等[9]在差異磨耗原理的基礎(chǔ)上以瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stone mastic asphalt，SMA)瀝青瑪蹄脂碎石混合料為背景，采用4種不同巖性集料制備了13種SMA瀝青混合料并進(jìn)行了長期的磨光試驗，發(fā)現(xiàn)集料的磨光值對路表抗滑能力具有最大的影響；Qian等[10]研究了集料的拋光性，試圖分析不同集料類型對路面抗滑性能的影響，提出玄武巖集料具有更豐富的紋理。Zhang等[11]通過X射線衍射(XRD)對測試集料礦物組成成分，并采用AIMS分析集料形態(tài)指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于高性能要求的路面，應(yīng)先選用棱角大、磨耗值低的粗集料，控制集料中的針片狀比例，有助于瀝青路面性能提升。

綜上所述，目前研究多集中于對單一集料類型展開研究，多集中于石灰?guī)r和玄武巖，缺少針對各類集料抗磨耗性能的定量表征與對比分析[12-14]，進(jìn)而難以提出更全面的評價方法及指標(biāo)以指導(dǎo)道路工程集料的優(yōu)選。為了定量分析粗集料的抗磨耗性，現(xiàn)采用第二代集料圖像測量系統(tǒng)(AIMS Ⅱ)測試評價粗集料形態(tài)特征，通過對比分析磨耗前后的球度、梯度棱角和紋理指標(biāo)，定量分析粗集料磨耗前后的形態(tài)特征，并提出評價粗集料抗磨耗性能的新指標(biāo)，通過形態(tài)綜合指標(biāo)評價粗集料抗磨耗性能為瀝青路面抗滑表層集料的優(yōu)選提供依據(jù)。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

選用5種巖性集料，分別為石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖、花崗巖和砂巖，其中石灰?guī)r來自浙江杭州、廣州肇慶和陜西渭南，玄武巖來自浙江麗水和廣東佛山，輝綠巖來自廣州惠州和浙江寧波，花崗巖來自廣州惠州、重慶和廣東汕頭，硬砂巖來自廣州梅州。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42—2005)[15]，測試11種不同巖性和來自不同產(chǎn)地的集料的物理力學(xué)性能，測試結(jié)果如表1所示。

1.2 洛杉磯磨耗試驗

研究發(fā)現(xiàn)對于路面長期抗滑性能影響應(yīng)優(yōu)先考慮磨耗值[16]，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42—2005)的粗集料磨耗試驗(洛杉磯法)進(jìn)行試驗，試驗儀器為上海榮計達(dá)公司的DM-II洛杉磯磨耗儀。研究表明，磨耗值反映了集料的耐磨性能和抗車轍性能，磨耗值越小，表明集料耐磨、堅硬及耐久性好[17-18]，具體計算公式為

(1)

式(1)中：Q為集料的磨耗值；m1為集料磨耗前的質(zhì)量，g；m2為集料磨耗后的質(zhì)量，g。

1.3 集料圖像測量系統(tǒng)

集料形態(tài)評價試驗采用美國PINE公司生產(chǎn)的AIMS II儀器(圖1)，可利用系統(tǒng)內(nèi)自有的評價指標(biāo)分析集料的形態(tài)特征。對于粗集料，可評價3個不同層次且相互獨(dú)立的集料形態(tài)(形狀、棱角和紋理)。

1.3.1 球度

AIMS Ⅱ采用球度指標(biāo)評價粗集料的三維形態(tài)特征，該指標(biāo)由集料的長軸長、次軸長與短軸長(長度、寬度、高度)計算得到，如圖2所示。

圖1 集料圖像測量系統(tǒng)(AIMS Ⅱ)Fig.1 Aggregate image measurement system(AIMS Ⅱ)

表1 集料基本性能測試結(jié)果Table 1 Test result of aggregate basic performance

球度指標(biāo)結(jié)果取值范圍為0～1。指標(biāo)值越接近于1，表示集料三維形狀越近似于球，球體的球度指標(biāo)值為1，球度計算公式為

(2)

式(2)中：dS為集料短軸長(高度)，mm；dI為集料次軸長(寬度)，mm；dL為集料長軸長(長度)，mm。

1.3.2 梯度法棱角

AIMS Ⅱ采用梯度分析法量化集料的棱角性。集料的梯度棱角指標(biāo)通過梯度向量方向改變量的平均值表征，計算公式為

(3)

式(3)中：θ為集料圖像邊緣點(diǎn)的梯度向量角度；n為集料圖像邊緣點(diǎn)的總數(shù)量；i為集料圖像邊緣的第i個點(diǎn)。

圖2 集料的三維尺寸Fig.2 Three-dimensional size of aggregate

梯度棱角指標(biāo)結(jié)果取值范圍為0～10 000，指標(biāo)值越小表示集料的棱角性越低，圓的梯度棱角指標(biāo)值為0。AIMS Ⅱ建立了梯度棱角指標(biāo)數(shù)值范圍，即將集料的棱角劃分為4個水平，具體分類如圖3所示。

1.3.3 表面紋理

AIMS Ⅱ采用小波分析法獲取粗集料表面紋理信息并對其進(jìn)行量化。可以通過一系列轉(zhuǎn)換分解后得到的所有細(xì)節(jié)系數(shù)的平方和表征粗集料表面紋理，計算公式為

圖3 集料棱角性分類Fig.3 Angularity classification of aggregates

(4)

式(4)中：D為分解函數(shù)；N為一張圖像中細(xì)節(jié)系數(shù)的總數(shù)量；i為第i張高精度圖像；J為小波指數(shù)；x、y為在轉(zhuǎn)換域中細(xì)節(jié)系數(shù)的橫、縱坐標(biāo)。

表面紋理取值范圍為0～1 000，指標(biāo)值越小表示集料表面越光滑，完全光滑表面的紋理指標(biāo)值為0。根據(jù)粗集料表面的粗糙程度，AIMS Ⅱ通過紋理指標(biāo)數(shù)值范圍將粗集料的表面紋理劃分為4個水平，具體分類如圖4所示。

放大倍數(shù)為15.8×圖4 集料表面紋理性分類Fig.4 Aggregate surface texture classification

1.3.4 粗集料棱角紋理綜合指標(biāo)

AIMS II完成上述單個形態(tài)指標(biāo)評價后，可基于棱角紋理綜合指標(biāo)(CAAT)全面評價集料的形態(tài)，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)的給定范圍評價集料優(yōu)良，CAAT是由梯度棱角和紋理指標(biāo)組合而成，計算公式為

CAAT=10TX+0.5GA

(5)

式(5)中：GA為梯度棱角；TX為紋理指標(biāo)。

粗集料棱角紋理綜合指標(biāo)的范圍為0～15 000，其值越大，表示粗集料具有更好的形態(tài)特征，進(jìn)而可在瀝青混合料中提供更好的抗滑特性、骨架嵌擠效果和與瀝青的界面結(jié)合性能。

1.4 集料形態(tài)樣本數(shù)量確定

采用漸近分析法確定9.5～13.2 mm粒徑粗集料的最小測量樣本數(shù)。漸近分析是一種描述函數(shù)在極限附近行為的方法，通過漸近分析法可以得到粗集料達(dá)到多少樣本數(shù)量時，AIMS Ⅱ測量樣本平均值結(jié)果趨于穩(wěn)定狀態(tài)，從而能夠表征粗集料總體的形態(tài)特征。漸近分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 漸近分析結(jié)果Fig.5 Asymptotic analysis results

從圖5可以看出，對于粗集料的表面紋理特征，當(dāng)樣本數(shù)量達(dá)到40左右時，AIMS Ⅱ紋理指標(biāo)測量結(jié)果趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同樣，對于粗集料的棱角和形狀特征，當(dāng)樣本數(shù)量達(dá)到40左右時，AIMS Ⅱ梯度棱角與球度指標(biāo)測量結(jié)果也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，當(dāng)采用AIMS Ⅱ測量一組粗集料的形狀、棱角和表面紋理時，粗集料的測量樣本數(shù)應(yīng)當(dāng)至少取40顆以更準(zhǔn)確地表征該組粗集料總體的形態(tài)特征，達(dá)到統(tǒng)計評價的目的。本文推薦一組粗集料的測量樣本數(shù)量為50顆。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 集料的初始磨耗值

通過對11種不同巖性的集料進(jìn)行磨耗值測試，隨機(jī)選取磨耗試驗前后的9.5～13.2 mm集料進(jìn)行形態(tài)特征測定，每次選取兩次試驗的平均值作為結(jié)果。從磨耗過程看，不同巖性的集料在磨耗后以不同的尺寸分布，由于選取9.5～13.2 mm的集料用于洛杉磯磨耗試驗，分布結(jié)果集中于4.75～13.2 mm，并產(chǎn)生一定的細(xì)集料。通過觀察得到，石灰?guī)r產(chǎn)生的細(xì)集料最多，輝綠巖產(chǎn)生的細(xì)集料最少，各類型集料的磨耗值如圖6所示。

圖6 不同巖性集料磨耗值Fig.6 Wear values of aggregates of different lithologies

由圖6可知，石灰?guī)r具有最大的磨耗值，其次是花崗巖、砂巖和玄武巖，輝綠巖具有最小的磨耗值，說明輝綠巖具有較好的耐磨性。這可能與所產(chǎn)生的細(xì)集料多少有關(guān)，產(chǎn)生的細(xì)集料越多，可能在磨耗過程中集料的棱角發(fā)生很大的改變，具體磨耗情況將通過AIMS Ⅱ進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，通過集料形態(tài)的分析得到不同巖性的磨耗機(jī)理。

2.2 磨耗對集料形態(tài)的影響

每種巖性集料選取樣本數(shù)為50顆，粒徑為9.5～13.2 mm，對11種集料進(jìn)行球度、梯度棱角和紋理指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 指標(biāo)測試結(jié)果Fig.7 Index test results

由圖7得到每種集料的指標(biāo)變化趨勢，中等和高等范圍集料所占百分比越大，低等范圍集料所占的比例越小，代表該集料形態(tài)越好，得到曲線與Y軸偏離得越遠(yuǎn)，代表該集料具有越高的指標(biāo)值。通過計算，得到50顆樣本集料的球度、棱角梯度和紋理指標(biāo)的平均值，如表2所示。

表2 不同巖性、產(chǎn)地集料的球度、梯度棱角和紋理指標(biāo)平均值結(jié)果Table 2 Average results of sphericity， gradient angularity and texture index of aggregates from different lithology and origin

從表2可以看出，球度、棱角梯度、紋理指標(biāo)和綜合指標(biāo)可以較好地反映該批集料的形態(tài)特征。不同巖性與產(chǎn)地的集料樣本所測試的球度指標(biāo)相差不大，原因可能是集料的加工破碎工藝沒有太大區(qū)別。輝綠巖和玄武巖具有較高的棱角梯度、紋理指標(biāo)和綜合指標(biāo)，石灰?guī)r具有較低的梯度棱角、紋理指標(biāo)和綜合指標(biāo)。對這些集料進(jìn)行磨耗處理，對比磨耗前后的各指標(biāo)值的變化趨勢，如圖8所示。

由圖8(a)可以看出，11種集料在磨耗前后球度的指標(biāo)變化不大，受磨耗的影響較小，這可能是在磨耗過程并沒有對集料產(chǎn)生過大的破碎作用，自身形狀特征改變較小。可以判斷，磨耗基本不影響集料形狀的變化。

由圖8(b)可以看出，棱角參數(shù)指標(biāo)有很大的變化，下降了27.5%～57.5%。不同的巖性具有不同的棱角變化趨勢，石灰?guī)r在磨耗前后的變化最大，輝綠巖和硬砂巖在磨耗前后的變化最小。不同巖性的集料具有不同的物理性質(zhì)，由于石灰?guī)r硬度相對較低，在磨耗試驗中石灰?guī)r集料表面的棱角被磨平，導(dǎo)致梯度棱角下降。相比之下，輝綠巖就具有較高的硬度，在磨耗過程中輝綠巖集料的棱角不易于被磨平。此外，在磨耗前具有較高梯度棱角的集料，在磨耗后的變化趨勢也比較小。

由圖8(c)可以看出，對于集料表面紋理的變化，降低最大的是石灰?guī)r，其次是玄武巖、花崗巖，表明其表面細(xì)觀構(gòu)造特征的抗磨耗性能較差；輝綠巖和硬砂巖改變較小，這表示磨耗對其表面細(xì)觀構(gòu)造特征的影響較小。不同于棱角參數(shù)的變化，磨耗前后紋理的變化與紋理指標(biāo)的初始值無關(guān)。因此，磨耗過程并不能影響粗集料的表面結(jié)構(gòu)，在磨耗前后只有少量的集料可以在表面形成新的破碎面。此外，紋理的改變即為集料表面變得光滑，可能會使球度發(fā)生細(xì)微的變化。

圖8 指標(biāo)變化趨勢Fig.8 Trend of index change after abrasion

2.3 CAAT與集料磨耗值的相關(guān)性

CAAT可以綜合反映集料的棱角和紋理特征，通過建立CAAT變化百分率與磨耗值的關(guān)系，以反映集料的形態(tài)特征變化，如圖9所示。

由圖9可以看出，粗集料CAAT指標(biāo)和磨耗值具有良好的相關(guān)性，R2達(dá)到了0.956。因此，CAAT

圖9 磨耗值與CAAT變化百分比擬合方程Fig.9 Fitting equation of wear value and CAAT change percentage

變化率可以較好地表征集料的磨耗值，也可以較好地分析不同集料在磨耗前后的形態(tài)特征變化機(jī)理。同時對抗磨耗性能的進(jìn)一步深入研究。

2.4 CAAT的適用性分析

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。于海利等[19]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析粗集料在車輪碾壓作用下傾角的動態(tài)變化，揭示了粗集料空間分布對路面抗滑性能的影響，隨著碾壓次數(shù)的增加，部分粗集料分布狀態(tài)由豎直變?yōu)樗剑瑥亩绊懧访娴臉?gòu)造深度。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。集料抗磨耗性能的差異最終反映在混合料上即為服役一定時間，發(fā)生一定程度的磨耗后，對混合料構(gòu)造深度的保持能力，這與瀝青混合料的抗滑性能存在密切聯(lián)系。

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[20-21]，其中最能反映因構(gòu)造深度變化而造成抗滑性能變化的方法為鋪砂法和激光構(gòu)造深度等測試方法。

為了驗證AIMS Ⅱ指標(biāo)CAAT評價集料的耐磨耗特性的適用性，選用5種不同的巖性(石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖、花崗巖、硬砂巖)的集料，每種巖性的集料分為未經(jīng)過磨耗和經(jīng)過1 000次磨耗兩組，選擇SMA-16級配的瀝青混合料成型車轍試樣。通過比較AIMS Ⅱ指標(biāo)CAAT與鋪砂法測量結(jié)果，驗證其評價抗磨耗性能的合理性。在不同巖性、不同磨耗次數(shù)的瀝青混合料構(gòu)造深度，測量結(jié)果如圖10所示。

圖10 巖性與構(gòu)造深度和CAAT變化規(guī)律 Fig.10 Lithology and structural depth and CAAT variation

從圖10中可以看出，SMA-16瀝青混合料的表面構(gòu)造深度均隨著粗集料CAAT降低而變小，表明CAAT對瀝青混合料抗滑性能有一定的影響，CAAT越低，抗滑性能越差。在磨耗前后，CAAT和構(gòu)造深度具有良好的相關(guān)性，因此可以用CAAT來表征路面的構(gòu)造深度。此外，在磨耗次數(shù)相同的情況下，不同巖性具有不同構(gòu)造深度，玄武巖和輝綠巖具有較好的構(gòu)造深度，石灰?guī)r和花崗巖具有較差的構(gòu)造深度，造成這一結(jié)果的原因是各巖性集料的成分和成巖結(jié)構(gòu)存在顯著差異。且石灰?guī)r和花崗巖在磨耗1 000次后構(gòu)造深度小于0.6，達(dá)不到《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)[22]的要求，在路面上面層并不適宜使用石灰?guī)r和花崗巖，建議選擇玄武巖或輝綠巖。

3 結(jié)論

采用洛杉磯磨耗試驗對5種巖性的11種集料進(jìn)行磨耗，通過AIMS II對磨耗試驗前后不同粗集料的形態(tài)特征進(jìn)行特征進(jìn)行了測定和分析，提出了粗集料形態(tài)特征綜合分析指標(biāo)，并建立了其與磨耗值之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

(1)采用AIMS II測量一組粗集料的球度、棱角和表面紋理時，粗集料的測量樣本數(shù)應(yīng)當(dāng)至少取40顆以更準(zhǔn)確地表征該組粗集料總體的形態(tài)特征。

(2)不同巖性集料在相同的磨耗次數(shù)下，輝綠巖和硬砂巖在磨耗前后梯度棱角和紋理指標(biāo)下降百分比較小，綜合指標(biāo)CAAT下降百分比較小，具有較好的集料抗磨耗性能；石灰?guī)r本身具有較低的梯度棱角和紋理指標(biāo)，且磨耗后梯度棱角和磨耗指標(biāo)下降百分比大，具有較差的抗磨耗特性。

(3)磨耗值與CAAT具有良好的線性關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)為0.956，表示CAAT可以較好地表征集料形態(tài)的抗磨耗性能。

(4)在路面性能測試中，利用鋪砂法測試構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造深度與CAAT具有相同的變化趨勢。由于研究范圍有限，目前只對路表面的構(gòu)造深度進(jìn)行分析以驗證CAAT的適用性和合理性。因此，應(yīng)進(jìn)一步開展更多的瀝青混合料的性能試驗，以便建立集料抗磨耗特性與瀝青混合料性能之間的聯(lián)系。