粗集料綜合形態特征與抗磨耗性能的關聯性

汪海年， 雷鳴宇， 孔慶鑫， 王惠敏， 馮珀楠

(1.長安大學公路學院， 西安 710064； 2. 杭州交投建管建設集團有限公司， 杭州 310024)

粗集料的形態特征包括輪廓形狀、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]。目前中國規范中對集料的質量控制較不嚴格，尤其是對粗集料外形特征的質量控制及應用做得遠遠不夠，只是籠統地將集料分成卵石和碎石，在粗集料形態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對道路材料路用性能的影響逐漸成為研究熱點。與此同時，粗集料的形態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(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定性能的影響，發現表面紋理值越大，瀝青混合料水穩定性越好。錢振東等[9]在差異磨耗原理的基礎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瀝青混合料并進行了長期的磨光試驗，發現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分析集料形態指標，結果發現對于高性能要求的路面，應先選用棱角大、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，多集中于石灰巖和玄武巖，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]，進而難以提出更全面的評價方法及指標以指導道路工程集料的優選。為了定量分析粗集料的抗磨耗性，現采用第二代集料圖像測量系統(AIMS Ⅱ)測試評價粗集料形態特征，通過對比分析磨耗前后的球度、梯度棱角和紋理指標，定量分析粗集料磨耗前后的形態特征，并提出評價粗集料抗磨耗性能的新指標，通過形態綜合指標評價粗集料抗磨耗性能為瀝青路面抗滑表層集料的優選提供依據。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

選用5種巖性集料，分別為石灰巖、玄武巖、輝綠巖、花崗巖和砂巖，其中石灰巖來自浙江杭州、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《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)[15]，測試11種不同巖性和來自不同產地的集料的物理力學性能，測試結果如表1所示。

1.2 洛杉磯磨耗試驗

研究發現對于路面長期抗滑性能影響應優先考慮磨耗值[16]，根據《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)的粗集料磨耗試驗(洛杉磯法)進行試驗，試驗儀器為上海榮計達公司的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為集料磨耗前的質量，g；m2為集料磨耗后的質量，g。

1.3 集料圖像測量系統

集料形態評價試驗采用美國PINE公司生產的AIMS II儀器(圖1)，可利用系統內自有的評價指標分析集料的形態特征。對于粗集料，可評價3個不同層次且相互獨立的集料形態(形狀、棱角和紋理)。

1.3.1 球度

AIMS Ⅱ采用球度指標評價粗集料的三維形態特征，該指標由集料的長軸長、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(AIMS Ⅱ)Fig.1 Aggregate image measurement system(AIMS Ⅱ)

表1 集料基本性能測試結果Table 1 Test result of aggregate basic performance

球度指標結果取值范圍為0～1。指標值越接近于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為集料圖像邊緣點的梯度向量角度；n為集料圖像邊緣點的總數量；i為集料圖像邊緣的第i個點。

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

梯度棱角指標結果取值范圍為0～10 000，指標值越小表示集料的棱角性越低，圓的梯度棱角指標值為0。AIMS Ⅱ建立了梯度棱角指標數值范圍，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行量化。可以通過一系列轉換分解后得到的所有細節系數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；N為一張圖像中細節系數的總數量；i為第i張高精度圖像；J為小波指數；x、y為在轉換域中細節系數的橫、縱坐標。

表面紋理取值范圍為0～1 000，指標值越小表示集料表面越光滑，完全光滑表面的紋理指標值為0。根據粗集料表面的粗糙程度，AIMS Ⅱ通過紋理指標數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

AIMS II完成上述單個形態指標評價后，可基于棱角紋理綜合指標(CAAT)全面評價集料的形態，進而根據系統的給定范圍評價集料優良，CAAT是由梯度棱角和紋理指標組合而成，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。

粗集料棱角紋理綜合指標的范圍為0～15 000，其值越大，表示粗集料具有更好的形態特征，進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合性能。

1.4 集料形態樣本數量確定

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。漸近分析是一種描述函數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到多少樣本數量時，AIMS Ⅱ測量樣本平均值結果趨于穩定狀態，從而能夠表征粗集料總體的形態特征。漸近分析結果如圖5所示。

圖5 漸近分析結果Fig.5 Asymptotic analysis results

從圖5可以看出，對于粗集料的表面紋理特征，當樣本數量達到40左右時，AIMS Ⅱ紋理指標測量結果趨于穩定狀態。同樣，對于粗集料的棱角和形狀特征，當樣本數量達到40左右時，AIMS Ⅱ梯度棱角與球度指標測量結果也趨于穩定狀態。因此，當采用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應當至少取40顆以更準確地表征該組粗集料總體的形態特征，達到統計評價的目的。本文推薦一組粗集料的測量樣本數量為50顆。

2 試驗結果分析

2.1 集料的初始磨耗值

通過對11種不同巖性的集料進行磨耗值測試，隨機選取磨耗試驗前后的9.5～13.2 mm集料進行形態特征測定，每次選取兩次試驗的平均值作為結果。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，分布結果集中于4.75～13.2 mm，并產生一定的細集料。通過觀察得到，石灰巖產生的細集料最多，輝綠巖產生的細集料最少，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，石灰巖具有最大的磨耗值，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。這可能與所產生的細集料多少有關，產生的細集料越多，可能在磨耗過程中集料的棱角發生很大的改變，具體磨耗情況將通過AIMS Ⅱ進行更進一步的分析，通過集料形態的分析得到不同巖性的磨耗機理。

2.2 磨耗對集料形態的影響

每種巖性集料選取樣本數為50顆，粒徑為9.5～13.2 mm，對11種集料進行球度、梯度棱角和紋理指標進行測試，測試結果如圖7所示。

圖7 指標測試結果Fig.7 Index test results

由圖7得到每種集料的指標變化趨勢，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，代表該集料形態越好，得到曲線與Y軸偏離得越遠，代表該集料具有越高的指標值。通過計算，得到50顆樣本集料的球度、棱角梯度和紋理指標的平均值，如表2所示。

表2 不同巖性、產地集料的球度、梯度棱角和紋理指標平均值結果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、紋理指標和綜合指標可以較好地反映該批集料的形態特征。不同巖性與產地的集料樣本所測試的球度指標相差不大，原因可能是集料的加工破碎工藝沒有太大區別。輝綠巖和玄武巖具有較高的棱角梯度、紋理指標和綜合指標，石灰巖具有較低的梯度棱角、紋理指標和綜合指標。對這些集料進行磨耗處理，對比磨耗前后的各指標值的變化趨勢，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，棱角參數指標有很大的變化，下降了27.5%～57.5%。不同的巖性具有不同的棱角變化趨勢，石灰巖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，由于石灰巖硬度相對較低，在磨耗試驗中石灰巖集料表面的棱角被磨平，導致梯度棱角下降。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，降低最大的是石灰巖，其次是玄武巖、花崗巖，表明其表面細觀構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觀構造特征的影響較小。不同于棱角參數的變化，磨耗前后紋理的變化與紋理指標的初始值無關。因此，磨耗過程并不能影響粗集料的表面結構，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，可能會使球度發生細微的變化。

圖8 指標變化趨勢Fig.8 Trend of index change after abrasion

2.3 CAAT與集料磨耗值的相關性

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系，以反映集料的形態特征變化，如圖9所示。

由圖9可以看出，粗集料CAAT指標和磨耗值具有良好的相關性，R2達到了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特征變化機理。同時對抗磨耗性能的進一步深入研究。

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生的結構構造紋理，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]采用數字圖像處理技術分析粗集料在車輪碾壓作用下傾角的動態變化，揭示了粗集料空間分布對路面抗滑性能的影響，隨著碾壓次數的增加，部分粗集料分布狀態由豎直變為水平，從而影響路面的構造深度。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，發生一定程度的磨耗后，對混合料構造深度的保持能力，這與瀝青混合料的抗滑性能存在密切聯系。

國內瀝青路面規范提出的評價路面抗滑性能的方法包括鋪砂法、擺式儀法、激光構造深度儀測定法和摩擦系數測試車法[20-21]，其中最能反映因構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造深度等測試方法。

為了驗證AIMS Ⅱ指標CAAT評價集料的耐磨耗特性的適用性，選用5種不同的巖性(石灰巖、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過磨耗和經過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CAAT與鋪砂法測量結果，驗證其評價抗磨耗性能的合理性。在不同巖性、不同磨耗次數的瀝青混合料構造深度，測量結果如圖10所示。

圖10 巖性與構造深度和CAAT變化規律 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和構造深度具有良好的相關性，因此可以用CAAT來表征路面的構造深度。此外，在磨耗次數相同的情況下，不同巖性具有不同構造深度，玄武巖和輝綠巖具有較好的構造深度，石灰巖和花崗巖具有較差的構造深度，造成這一結果的原因是各巖性集料的成分和成巖結構存在顯著差異。且石灰巖和花崗巖在磨耗1 000次后構造深度小于0.6，達不到《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[22]的要求，在路面上面層并不適宜使用石灰巖和花崗巖，建議選擇玄武巖或輝綠巖。

3 結論

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

(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應當至少取40顆以更準確地表征該組粗集料總體的形態特征。

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

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

(4)在路面性能測試中，利用鋪砂法測試構造深度，發現構造深度與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造深度進行分析以驗證CAAT的適用性和合理性。因此，應進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系。