宗有杰，熊 銳，呂紅莉，孟建黨，李 闖

(1. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061； 2. 河南省交通運輸廳高速公路濮陽至鶴壁管理處，河南 濮陽 457004)

0 引 言

“路”在人-車-路-環(huán)境-管理構成的交通安全影響系統(tǒng)中是一個重要的角色，而胎/路間缺乏足夠的摩擦力是導致交通事故頻發(fā)的一個重要因素。因此確保瀝青路面具有良好的抗滑性能是道路交通安全的內在要求，而集料的長期抗磨光性能對瀝青路面抗滑表層的服役耐久性具有重要影響[1-4]。一般情況下，路面表層初期摩擦力能夠滿足車輛行駛要求，但隨服役時間延長，在行車荷載與氣候環(huán)境等因素作用下，路表摩擦力會呈現(xiàn)不同程度的降低，遠未至設計年限便已無法滿足行車安全需求，集料的長期耐磨耗/光性能下降是主要原因[5]。因此，在公路瀝青路面表層材料的選擇和設計過程中，需綜合考慮材料耐久性和表面服役性。煅燒鋁礬土(calcined bauxite)的引入則為長效耐久型路面抗滑表層提供了新的契機[6]，該材料較普通石灰?guī)r等礦料具有更優(yōu)良的耐磨光/耗性及耐久性。此外，由于我國抗滑表層用優(yōu)質玄武巖集料等日漸匱乏且分布不均，筆者另辟蹊徑地提出基于差異磨光原理的不同集料混摻方法以實現(xiàn)路表抗滑耐久化，無疑具有重要現(xiàn)實意義。圖1為“普通磨光”與“差異磨光”對比。

圖1 集料“普通磨光”與“差異磨光”對比Fig. 1 Comparison of general and differential polishing of aggregate

王元元等[7-8]、劉東旭[9]開展了石灰?guī)r與玄武巖互摻試驗，認為將兩種集料混摻后路表摩擦系數(shù)衰變速率減小，但限于試驗集料磨光值與磨光損耗速率相差較小，難以凸顯高抗滑集料差異磨光的優(yōu)勢[10]；熊銳等[11]以路面抗滑表層集料長期抗磨光性能演化為契入點，引入新型高抗滑集料——88# 煅燒鋁礬土(Al2O3含量不小于88%)，研究得到其抗磨光性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)石灰?guī)r集料，并建立了高抗滑集料磨耗損失率衰減模型。此外，田海濤等[12]研究得到，88# 煅燒鋁礬土與改性瀝青黏附性良好，表明其應用于瀝青路面抗滑表層具有較大潛力。

截至目前，針對高抗滑集料——煅燒鋁礬土與傳統(tǒng)集料互摻形成差異磨光以期實現(xiàn)瀝青混合料高抗滑耐久的研究成果鮮見報道。鑒于此，筆者引入新型高抗滑集料——88# 煅燒鋁礬土與集料差異磨光原理，采用三輪磨光儀(自主研發(fā))與動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀(DFT)等探究了高低磨光值集料差異處理后的瀝青混合料抗滑性能，并評價其在提升路面表層抗滑耐久性方面的適用性。

1 原材料性能及試驗設備

1.1 試驗原材料

試驗采用的SBS I-D類改性瀝青的技術指標如表1。石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土集料分別產(chǎn)自云南省怒江自治州和山西省陽泉市，其技術指標見表2。磨細的石灰?guī)r礦粉作為填料，其技術指標見表3。木質素纖維產(chǎn)自上海昀興實業(yè)發(fā)展有限公司，摻量為瀝青混合料礦料質量的0.35%，其技術指標見表4。鑒于后期制備超薄高抗滑表層，故礦料級配設計采用SMA-5，如表5。

表1 SBS改性瀝青技術指標Table 1 Technical index of SBS modified asphalt

表2 集料技術指標Table 2 Technical index of aggregate

表3 礦粉技術指標Table 3 Technical index of mineral powder

表4 木質素纖維技術指標Table 4 Technical index of plant fiber

表5 SMA-5礦料級配設計Table 5 Design for aggregate gradation of SMA-5

1.2 三輪磨光儀

自主研發(fā)的三輪磨光儀如圖2，其在激光數(shù)顯系統(tǒng)與電機控制下通過輪胎向瀝青混合料板體試件施加一定壓力，以模擬不同工況條件下(胎-路耦合)路表磨光狀況。儀器自重100 kg且加載(含自重)范圍為100～1 000 kg。為保證試件表面輪跡圓與動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀(DFT)的旋轉直徑相同，輪跡圓直徑為284 mm；主軸轉速范圍為0～50 r/min(試驗采用25 r/min)；試驗輪選用橡膠輪且單輪與試件表面接觸面積為11.55 cm2，設定胎壓為0.7 MPa，此時三輪磨光儀加載重量為243 kg。

圖2 三輪磨光儀Fig. 2 Three-wheel polishing apparatus

1.3 試件成型

在石灰?guī)r中摻入質量配比為0%、25%、50%、75%、100% 的88# 煅燒鋁礬土集料。為保證摻配后集料間達到最佳密實狀態(tài)，防止集料大小顆粒間發(fā)生干涉現(xiàn)象，采用等體積替換方式摻配88# 煅燒鋁礬土，以確保設計級配穩(wěn)定。參考李菁若等[13-14]的研究成果，將88# 煅燒鋁礬土由粗集料開始逐級替換摻配，形成目標配比。

為確定各摻配比例下瀝青混合料的最佳油石比，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，對各摻配比例條件下的標準馬歇爾試件進行成型處理，確定出最佳油石比(表6)，并驗證其路用性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范技術要求。在此基礎上，利用小型壓路機成型尺寸為600 mm×600 mm×50 mm的瀝青混合料試件，如圖3。

圖3 試件形貌Fig. 3 Specimen morphology images

表6 SMA-5最佳油石比Table 6 OAC of SMA-5

1.4 試驗方法

試件成型后，采用三輪磨光儀對試件表面進行磨光。基于已有研究基礎，前期磨光 0、2 500、5 000次，而后以5 000次遞增磨光至40 000次，再以10 000 次遞增磨光至60 000次，結束試驗。運用擺式摩擦系數(shù)測定儀和動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀分別測定試件表面BPN值與δDF值并進行分析。同時，對石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土集料進行 XRD與 SEM 測試，分析其主要晶相組成及硬度，從集料層面揭示基于煅燒鋁礬土的差異磨光形成機理。

2 結果與討論

2.1 δDF隨模擬速度的變化規(guī)律

在試驗過程中，不同磨光次數(shù)下各試件δDF隨動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀轉盤轉速增大呈相似變化規(guī)律?，F(xiàn)以磨光0 次與磨光60 000 次為例，分析δDF隨模擬速度變化規(guī)律。

圖4(a)中，隨速度增大，各試件表面δDF均減小，石灰?guī)r(88# 煅燒鋁礬土摻配比例為0%)試件表面δDF顯著低于其他試件。當速度增至80 km/h時，其δDF較初始值下降了28.89%，而摻配比例為25%、50%、75%、100%的試件表面δDF分別下降了12.03%、10.36%、8.81%、25.21%，石灰?guī)r表面δDF顯著降低。當速度增至60 km/h后，摻配比例為100%試件的δDF卻低于三類互摻型，原因是試件未磨光時，表面由單一的88# 煅燒鋁礬土集料組成且被瀝青裹附，致使其表面結構瀝青和自由瀝青厚度相近，試件表面瀝青層形成的微觀紋理較為單一，δDF較其他互摻型小且下降較快，而3種集料互摻型試件表面結構瀝青與自由瀝青形成的紋理差別較大，互摻后試件未磨光時其δDF會大于單一集料組成的試件，且隨速度變化相差不大并漸趨穩(wěn)定。

圖4(b)中，試件δDF隨速度增大呈規(guī)律性降低趨勢，當速度大于50 km/h后，摻配比例為75%試件的δDF大于摻配比例為100%的試件。究其原因，是因為隨磨光次數(shù)增加，初期階段試件表面瀝青層與集料紋理逐漸被打磨，當石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土紋理構造接近后，石灰?guī)r更易先被磨光，而88# 煅燒鋁礬土不易被磨光，兩者的磨光率差異使瀝青混合料表面紋理形貌構造再次逐漸凸顯，致使δDF增大，進而提高路表抗滑性能。試驗結果亦表明，差異磨光提高路面抗滑性能效果在高速條件下較為顯著；在同一速度下，磨光后的石灰?guī)r試件表面δDF明顯低于未磨光時，其他試件磨光前后δDF呈下降趨勢但較平穩(wěn)。

圖4 不同磨光次數(shù)下δDF隨模擬速度的變化規(guī)律Fig. 4 Variation rule of δDF value changing with simulation velocity under different polishing times

采用Origin 8.0軟件對圖4中兩種工況下速度與δDF進行非線性自定義擬合，結果表明，速度與δDF呈指數(shù)關系且相關性較佳，即在一定磨光次數(shù)下，可運用擬合公式(1)預估高速(大于80 km/h)時路表δDF。表7與表8為兩種工況下擬合公式系數(shù)。

(1)

式中：y為δDF；x為速度；y0，w，A，xc均為系數(shù)。

表7 磨光0次時擬合公式系數(shù)Table 7 Coefficient of fitting formula for unpolished

表8 磨光 60 000 次時擬合公式系數(shù)Table 8 Coefficient of fitting formula after 60 000 times of polishing

2.2 BPN值與磨光次數(shù)變化規(guī)律

試件BPN值隨磨光次數(shù)變化規(guī)律如圖5。

圖5 BPN值隨磨光次數(shù)變化規(guī)律Fig. 5 Variation rule of BPN value changing with polishing times

由圖5可知，石灰?guī)r試件BPN值隨磨光次數(shù)增加而降低，當磨光至35 000次后，BPN值降低率顯著增大。摻配比例為100%試件的BPN值隨磨光次數(shù)增加呈一定波動趨勢，均值為71。當磨光至40 000次后，BPN值呈下降趨勢，但一直保持在較高水平。摻配比例為25%、50%、75%試件的BPN值隨磨光次數(shù)增加波動變化，在磨光初期，三者BPN值相近，均值為66；隨磨光次數(shù)增加，BPN值呈相似波動變化，而三者出現(xiàn)第一次和第二次BPN峰值的變化點卻不同。摻配比例為25%、50%試件的BPN值第一次峰值在磨光5 000次時產(chǎn)生，摻配比例為75%試件的第一次峰值在磨光15 000次時產(chǎn)生，這是因為試件中88# 煅燒鋁礬土摻配比例不同，三者差異磨光效應先后呈現(xiàn)。

2.3 δDF與磨光次數(shù)變化規(guī)律

當DFT轉盤模擬速度為70 km/h時，δDF穩(wěn)定可靠，因此試驗模擬速度設定為70 km/h，圖6為各試件δDF隨磨光次數(shù)的變化規(guī)律。

圖6 70 km/h下試件δDF隨磨光次數(shù)變化規(guī)律Fig. 6 Variation rule of δDF value of specimen changing with polishing times under 70 km/h

由圖6可以看出：在磨光初期，試件表面摩擦力由包裹集料的瀝青層提供；隨磨光試驗進行，摩擦力漸轉由集料提供，故試件δDF均出現(xiàn)小幅升高現(xiàn)象。隨磨光次數(shù)增加，石灰?guī)r試件表面δDF略有波動，總體呈明顯下降趨勢。摻配比例為100%試件表面δDF出現(xiàn)穩(wěn)定波動，直至磨光末期才呈現(xiàn)降低趨勢，但其δDF持續(xù)保持在較高水平；摻配比例為25%、50%、75%試件δDF呈現(xiàn)先減小而后波動中增加趨勢。這是由于摩擦力的提供者由集料的初始宏微觀紋理轉為差異磨光新增的宏微觀紋理與構造深度。三者后期δDF出現(xiàn)劇烈波動，是因為石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土磨光率相差較大，當石灰?guī)r磨光后，88# 煅燒鋁礬土與差異磨光產(chǎn)生的紋理提供摩擦力，當其磨光至與石灰?guī)r紋理接近時，再由石灰?guī)r提供摩擦力，如此往復致使δDF劇烈波動。同時，兩種集料磨光值與磨光速率差異越大，差異磨光產(chǎn)生的宏微觀紋理與構造深度越大，δDF波動亦越劇烈，抗滑性能的提升亦越顯著。

圖6中，摻配比例為0%、100%試件在磨光試驗中無明顯δDF峰值出現(xiàn)，而摻配比例為25%、50%、75%試件的δDF在磨光期內出現(xiàn)兩次峰值，其δDF峰值對應的磨光次數(shù)如表9。

表9 各摻配比例下δDF峰值對應的磨光次數(shù)Table 9 Polishing times corresponding to δDF peak at each mixing ratio

表9中，摻配比例為25%、50%、75%試件的δDF峰值對應的磨光次數(shù)不同，這是由于88# 煅燒鋁礬土的摻配比例不同，差異磨光產(chǎn)生的效果與機不同，考慮兼顧差異磨光技術性與經(jīng)濟性，推薦88# 煅燒鋁礬土的合理摻配比例為瀝青混合料礦料質量的25%～50%。

2.4 Δ δDF隨磨光次數(shù)的變化規(guī)律

動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀轉盤模擬速度為70 km/h時，試件磨光次數(shù)與ΔδDF之間的關系如表10。Ni～k中的i與k分別表示相鄰兩階段的磨光次數(shù)，ΔδDF為磨光前后相鄰兩階段δDF之差。

表10 Δ δDF與磨光次數(shù)之間的關系Table 10 Relationship between Δ δDF and polishing times

由表10可知：隨磨光次數(shù)增加，不同摻配比例試件的ΔδDF波動劇烈程度不同。石灰?guī)rΔδDF為負值的比率為63.6%，其他試件隨摻配比例增加依次為45.5%、45.5%、36.4%、54.5%，故石灰?guī)rδDF隨磨光次數(shù)增加呈顯著下降趨勢，其他試件ΔδDF為負值比率較為接近，說明差異磨光致使各試件δDF變化穩(wěn)定，不會隨磨光次數(shù)增加呈單一降低趨勢。

各試件ΔδDF平均值亦呈一定變化規(guī)律。石灰?guī)rΔδDF均值為-0.018，表明石灰?guī)r試件δDF隨磨光次數(shù)增加呈單一下降趨勢；摻配比例為25%試件的ΔδDF均值為0，摻配比例為50%、75%試件的ΔδDF均值均為正。此結果表明，隨磨光次數(shù)增加，試件δDF值增大，ΔδDF變化較穩(wěn)定且總體呈增加趨勢；摻配比例為100%試件的ΔδDF均值為 -0.002，表明ΔδDF隨磨光次數(shù)增加呈降低趨勢。綜上，進一步驗證88# 煅燒鋁礬土的合理摻配比例為瀝青混合料礦料質量的25%～50%。

2.5 基于煅燒鋁礬土集料的差異磨光機理分析

圖7(a)為摻配比例為75%試件磨光0次后局部宏觀形貌，圖7(b)為試件磨光60 000次后局部宏觀形貌，其中將88# 煅燒鋁礬土集料用Image-pro plus 6.0軟件標記，即B區(qū)域。

圖7 摻配比例為75% 磨光試件宏觀形貌Fig. 7 Macro morphology of polished specimens with 75% bleding ratio

對石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土集料進行XRD試驗，測試結果見圖8，并分別測定了其莫氏硬度與維氏硬度，結果見表11。

圖8 集料XRD衍射圖譜Fig. 8 XRD diffraction pattern of aggregate

表11 集料晶相與硬度指標Table 11 Aggregate phase and hardness index

由圖8可知，石灰?guī)r集料主要礦相為方解石與白云石，88# 煅燒鋁礬土主要礦相為剛玉和莫來石，其質量分數(shù)如表11。石灰?guī)r的維氏硬度小且主要晶相的莫氏硬度為3.0～3.5，礦物顆粒軟弱，結構不夠致密，易于磨光，表面磨光后呈光滑狀態(tài)。剛玉和莫來石莫氏硬度較大，結構致密，維氏硬度大，在經(jīng)歷長期磨光后，其中較軟弱部分(莫來石及其它伴生相)相繼被破壞，剛玉逐漸顯露，與礦物顆粒重新聚集，形成新的微觀紋理構造，且不易被磨光。

圖9 集料SEM微觀形貌Fig. 9 SEM images of aggregate

由圖9可知，磨光試驗前石灰?guī)r中方解石與白云石顆粒較大，顆粒間松散，體積穩(wěn)定性差；而88#煅燒鋁礬土中α-Al2O3晶體有良好的結構且晶體完整致密，晶體體積穩(wěn)定且力學性能優(yōu)異，耐磨耗/光性能良好，能抵抗磨光作用所產(chǎn)生的應力破壞。兩者在磨光3 h后，石灰?guī)r中較粗大的方解石與白云石顆粒被磨光，呈現(xiàn)光滑平面；88# 煅燒鋁礬土磨光后表面形態(tài)變化較小，其片狀結構可起到網(wǎng)狀骨架作用，能夠減小磨光損耗。因此，88# 煅燒鋁礬土相較于石灰?guī)r具有更優(yōu)異的抗磨光性能。

將這兩種晶相組成、莫氏硬度、維氏硬度相差較大的集料按合理比例摻配，因兩者長期抗磨光性存在顯著差異，故能較好凸顯差異磨光優(yōu)勢。一方面，在使用傳統(tǒng)集料的基礎上，大大提升了瀝青路面表層抗滑耐久性；另一方面，可有效彌補我國部分地區(qū)路用優(yōu)質抗滑集料匱乏不足并能進一步拓寬鋁土礦資源利用途徑。

3 結 論

1)石灰?guī)r礦料中摻配適當比例(占瀝青混合料礦料質量的25%～50%)的88# 煅燒鋁礬土，瀝青混合料表層差異磨光效應顯著，抗滑性能優(yōu)異。

2)構建出不同磨光次數(shù)下動態(tài)摩擦系數(shù)(δDF)與車速的指數(shù)關系模型，該模型具有良好適用性。

3) 88 # 煅燒鋁礬土集料的抗磨光/耗性能顯著優(yōu)于普通石灰?guī)r集料。礦料間晶相、硬度及微觀紋理等指標差異越大，差異磨光形成后對路表抗滑性能的提高越顯著。

4)基于差異磨光原理，將煅燒鋁礬土集料與傳統(tǒng)集料混摻使用，為瀝青路面抗滑性能提升與持久提供了新思路。