路用集料力學(xué)指標(biāo)衰減規(guī)律及其相關(guān)性

孔令云，曹慧平，唐樊龍，沈 鵑

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

路用集料力學(xué)指標(biāo)衰減規(guī)律及其相關(guān)性

孔令云1，曹慧平2，唐樊龍2，沈 鵑3

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

通過對(duì)石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖4種集料的磨光值試驗(yàn)、磨耗值試驗(yàn)、沖擊值試驗(yàn)、壓碎值試驗(yàn)、堅(jiān)固性試驗(yàn)等試驗(yàn)進(jìn)行了分析，并對(duì)幾種集料的抗滑耐磨性能進(jìn)行了研究。通過以上研究得出：在標(biāo)準(zhǔn)條件下所選用的幾種集料的力學(xué)指標(biāo)存在一定的相關(guān)性；本研究中使用的石灰?guī)r、砂巖相當(dāng)?shù)氖規(guī)r、砂巖作瀝青路面抗滑表層的集料，在技術(shù)上是可行的；在交通量不大且地形平緩時(shí)，采用石灰?guī)r作為抗滑表層的集料基本可以滿足高速公路使用期內(nèi)(大中修之前)的抗滑耐磨性能。通過以上各個(gè)方面的研究，從抗滑耐磨的角度綜合分析、評(píng)價(jià)采用石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖4種集料作為瀝青抗滑表層材料的可行性。

道路工程；衰減規(guī)律；回歸分析；集料性能；瀝青路面

0 引 言

隨著我國公路事業(yè)的不斷發(fā)展，車輛對(duì)瀝青路面的要求也越來越高。除了滿足溫度穩(wěn)定性和耐久性外，瀝青路面對(duì)抗滑性能的要求也越來越高。瀝青路面抗滑性能指的是當(dāng)車輛剎車時(shí)，輪胎與瀝青路面之間的抗滑能力大小[1-2]?？够阅苤笜?biāo)直接影響著道路的安全性能，抗滑性能越好，則意味著在剎車時(shí)，高速行駛的汽車與路面之間具有足夠的制動(dòng)力，更容易減速，從而交通安全得到了更好的保證。參考國內(nèi)其他學(xué)者的研究資料[3-8]，集料在瀝青混合料的總質(zhì)量中占了約95%比例，所以粗集料和細(xì)集料的性能的好壞對(duì)瀝青混合料路面的使用性能有重要影響。通過對(duì)石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖4種集料的磨光值試驗(yàn)、磨耗值試驗(yàn)、沖擊值試驗(yàn)、壓碎值試驗(yàn)、堅(jiān)固性試驗(yàn)等進(jìn)行分析，同時(shí)從抗滑耐磨的角度綜合分析、選擇最佳集料搭配作為瀝青抗滑表層材料。

1 集料力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果及分析

集料本身的物理力學(xué)特性對(duì)瀝青混合料的路面性能具有重要的影響。國內(nèi)研究對(duì)集料力學(xué)性能涉及的參數(shù)主要包括磨光值、磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性等指標(biāo)。為了研究集料在瀝青路面表層使用中的抗滑耐磨性能，本研究將采用現(xiàn)行JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中規(guī)定的試驗(yàn)方法，研究不同集料的幾種力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，分析這些集料在瀝青路面表面層中應(yīng)用的可行性。

1.1 集料的耐磨光性能

用作瀝青路面面層的集料長(zhǎng)時(shí)間在車輪的碾壓和磨耗下，一段時(shí)間之后就會(huì)把集料表面裹附的瀝青層磨掉而顯現(xiàn)出集料來，此時(shí)路面的抗滑性能需要集料本身的摩擦力來保證。集料的耐摩擦性能可以通過集料的磨光值來體現(xiàn)，集料的磨光值越大則反映集料抗滑性能越佳。

按JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]進(jìn)行試驗(yàn)，為了分析幾種集料在較長(zhǎng)時(shí)期的抗滑耐磨性能，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)磨光時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 磨光值與標(biāo)準(zhǔn)磨光次數(shù)之間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between the polishing value and the standard grinding times

由圖1可看出，同樣的荷載下，幾種集料的磨光性能由好到次為：砂巖、玄武巖 、石灰?guī)r、花崗巖。所選集料的磨光值和時(shí)間存在線性關(guān)系，且線性都較明顯。通過圖中的線性斜率可知，砂巖的耐磨性能最佳，石灰?guī)r耐磨性能最差，花崗巖與玄武巖的磨光值衰減速度相差不大。

1.2 集料的耐磨耗性能

在道路建設(shè)中，集料的使用性能一般通過粗集料的洛杉磯磨耗損失指標(biāo)來體現(xiàn)，抗滑表層中集料的磨耗值經(jīng)常用來反映集料抗摩擦、撞擊的能力，通過磨耗損失百分比體現(xiàn)。選用JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中的試驗(yàn)方法來測(cè)試磨耗值。該試驗(yàn)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)磨耗試驗(yàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為500轉(zhuǎn)，在試驗(yàn)中增加了磨耗轉(zhuǎn)數(shù)來估測(cè)路面面層在使用過程中的磨損情況，轉(zhuǎn)數(shù)依次為700,900,1 100，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 磨耗轉(zhuǎn)數(shù)與磨耗值關(guān)系Fig. 2 Relationship between wear speed and wear value

由圖2可以得出，磨耗轉(zhuǎn)數(shù)一致時(shí)，石灰?guī)r集料的耐磨耗性能較佳，其次是砂巖，花崗巖、玄武巖的磨耗損失率相當(dāng)。4種集料的磨耗損失都隨磨耗轉(zhuǎn)數(shù)的增加呈線性上升。圖中的斜率表征了磨耗轉(zhuǎn)數(shù)增加下磨耗損失的速度，石灰?guī)r最快，其次是砂巖、花崗巖、玄武巖。

1.3 集料的抗沖擊性能

路面所承受的沖擊力主要來自于路面車輛的通行，車輛附加給路面的沖擊通過面層逐漸向基層傳遞。面層的粗集料承受了大部分的面層沖擊力，從而集料的抗沖擊能力也是影響路面的服務(wù)水平和使用周期的一個(gè)主要因素。

依照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。為了分析沖擊次數(shù)對(duì)集料抵抗沖擊能力的差異的影響程度，在規(guī)程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)沖擊次數(shù)基礎(chǔ)上，依次增加5次沖擊次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 沖擊次數(shù)與沖擊值關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve of impact times and impact value

通過圖3可以得出，在沖擊次數(shù)相同時(shí)，石灰?guī)r集料的沖擊值最大，其次為砂巖、花崗巖、玄武巖。所選用集料的沖擊值都與沖擊次數(shù)之間呈直線上升關(guān)系。沖擊值隨著沖擊次數(shù)增加的增長(zhǎng)速度表現(xiàn)為線性的斜率。

1.4 集料的抗壓碎性能

為了評(píng)價(jià)集料在道路工程的適用程度，集料的壓碎值又是一項(xiàng)重要的力學(xué)指標(biāo)。簡(jiǎn)單來說就是集料在荷載逐漸增加條件下的抵抗壓碎能力大小。

按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中的試驗(yàn)方法，在10 min內(nèi)勻速將荷載加到400 kN，同時(shí)又依次增加了幾組荷載以便更好地分析集料在不同荷載條件下的抗壓碎性能，荷載增加速度為每分鐘40 kN。上述試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 荷載與壓碎值關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship curve of loading and crushing value

通過圖4可以看出，在荷載值固定時(shí)，4種集料的壓碎值大小各不相同。石灰?guī)r抗壓碎性能最差，其次為砂巖、花崗巖，玄武巖的抗壓碎性能最好。同時(shí)，壓碎值隨荷載增加呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。荷載不斷增加情況下各集料的壓碎值上升速率也不盡相同，其中砂巖速率最慢最為明顯。

1.5 集料的堅(jiān)固性能

石料的自然風(fēng)化和抵抗外界因素破壞能力是通過集料的堅(jiān)固性能體現(xiàn)的，這一性能影響著集料的耐久性。

按JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]的試驗(yàn)方法對(duì)集料進(jìn)行4 h的浸泡，浸泡之后再進(jìn)行4 h的105 ℃左右(±5 ℃)烘干，循環(huán)5次。為了分析集料在不同循環(huán)次數(shù)下的堅(jiān)固性能，將循環(huán)次數(shù)增加為10，15，20次依次試驗(yàn)，采用上述方式的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與堅(jiān)固性關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curve of freezing and thawing cycles and soundness

通過圖5得出，幾種集料的質(zhì)量損失情況都與循環(huán)次數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，但花崗巖是較好的線性。幾種材料在荷載不斷增加情況下，質(zhì)量損失速率有快有慢。按堅(jiān)固性指標(biāo)，同等循環(huán)次數(shù)下玄武巖的堅(jiān)固性最好，其次是花崗巖、石灰?guī)r，砂巖的堅(jiān)固性最差。

2 集料抗滑耐磨試驗(yàn)指標(biāo)間相關(guān)性分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)條件下各指標(biāo)之間相關(guān)性分析

通過一系列試驗(yàn)方法，對(duì)石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖等4種材料耐風(fēng)化能力、抗滑耐磨性能等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，4種集料磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性、磨光值試驗(yàn)結(jié)果匯總于表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下4種材料各項(xiàng)指標(biāo)匯總Table 1 Summary of various indexes of four kinds of materials at standard test conditions

從上表給出的4種集料測(cè)試結(jié)果以及現(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青路面表層所用集料的基本要求,可以看出這4種集料所測(cè)試的幾項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。下面討論在標(biāo)準(zhǔn)條件下，磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性、磨光值這5個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性。圖6～圖9分別將磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性、磨光值與其它指標(biāo)做線性相關(guān)性分析，并將結(jié)果匯總于表2。

圖6 磨耗值與其它指標(biāo)間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between wear value and other indexes

圖7 沖擊值與其它指標(biāo)間的關(guān)系Fig. 7 Relationship between impact values and other indexes

圖8 壓碎值與堅(jiān)固性、磨光值之間的關(guān)系Fig. 8 Relationship among crushing value, firming value and polishing value

圖9 堅(jiān)固性與磨光值的關(guān)系Fig. 9 Relationship between firming value and polishing value

表2 標(biāo)準(zhǔn)條件下5種力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系
Table 2 Relationship of five kinds of mechanical indexes at standard test conditions

相關(guān)系數(shù)力學(xué)指標(biāo)沖擊值壓碎值堅(jiān)固性磨光值磨耗值0.95100.97600.41820.6825沖擊值0.98300.96000.0970壓碎值0.93760.1102堅(jiān)固性0.3688

2.2 各指標(biāo)衰減規(guī)律之間的相關(guān)性分析

4種集料的磨耗值、沖擊值、壓碎值、磨光值與試驗(yàn)周期之間存在線性關(guān)系，但是，不同的材料，其線性的斜率各不相同。因?yàn)閳?jiān)固性能的線性與其它幾種指標(biāo)不同，故不放在這里討論。除堅(jiān)固性外的4種技術(shù)指標(biāo)衰減系數(shù)詳見表3。

表3 不同技術(shù)指標(biāo)的線性回歸方程的斜率匯總Table 3 Slope summary of linear regression equations of different technical indexes

下面討論4種集料不同指標(biāo)衰減系數(shù)之間的相關(guān)性，圖10～圖12分別將磨耗值、沖擊值、壓碎值、磨光值與其它技術(shù)指標(biāo)做線性相關(guān)性分析，并將結(jié)果匯總于表4。

表4 各指標(biāo)之間衰減規(guī)律的關(guān)系

圖10 磨耗值與其它指標(biāo)的關(guān)系Fig. 10 Relationship between wear value and other indexes

圖11 沖擊值與壓碎值、磨光值的關(guān)系Fig. 11 Relationship among impact value, crushing value and polishing value

圖12 壓碎值與磨光值的關(guān)系Fig. 12 Relationship between crushing value and polishing value

3 結(jié) 論

筆者對(duì)4種材料的集料抗滑耐磨性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出主要結(jié)論如下：

1)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，4種集料的磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性、磨光值均能滿足規(guī)范要求。

2)研究涉及的石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖等4種材料，沒有一種材料的所有指標(biāo)都是最好的。砂巖的磨光值最大但是其堅(jiān)固性最差，石灰?guī)r的各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)于其他材料處于中等偏下水平，玄武巖的各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)均較好。因此，在選擇材料的過程中，應(yīng)根據(jù)具體工程的要求，有針對(duì)性的進(jìn)行材料的選擇。

3)4種集料技術(shù)指標(biāo)的衰減都呈線性關(guān)系，且線性相關(guān)系數(shù)均較大。

4)根據(jù)集料在各技術(shù)指標(biāo)下的回歸方程的斜率可以看出，不同集料衰減速度的快慢。

通過標(biāo)準(zhǔn)條件下各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析可以得出以下結(jié)論：

1)集料的各項(xiàng)指標(biāo)需滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[10]中的相關(guān)技術(shù)要求。

2)在相同的試驗(yàn)條件下，從磨耗值、沖擊值、壓碎值、堅(jiān)固性4個(gè)指標(biāo)看，石灰?guī)r、砂巖、玄武巖、花崗巖的優(yōu)劣順序基本為：石灰?guī)r<砂巖<花崗巖<玄武巖。

3)從指標(biāo)間的相關(guān)性來看，指標(biāo)間的兩兩相關(guān)性是磨耗值與其它指標(biāo)的最大。

4)從具體相關(guān)系數(shù)來看，磨光值與其它技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)性都較差，壓碎值和沖擊值與除磨光值之外的技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)性較好，都有0.9以上的相關(guān)性。磨耗值與堅(jiān)固性兩者相關(guān)性較差，但分別與沖擊值、壓碎值相關(guān)性較好，而與磨光值相關(guān)性差。

通過各指標(biāo)衰減規(guī)律之間的相關(guān)性分析可得出以下結(jié)論：

1)4種材料中，對(duì)磨耗值、沖擊值、壓碎值、磨光值指標(biāo)而言，石灰?guī)r的衰減速度最快，也就是說，4種材料當(dāng)中，石灰?guī)r的抗滑耐磨性能是最弱的。

2)砂巖、玄武巖、花崗巖3種材料中，砂巖的磨耗、抗沖擊性能較差，而壓碎、磨光性能較好；玄武巖、花崗巖則與其相反。

3)從幾個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性來看，指標(biāo)間兩兩相關(guān)程度也各不相同且表格中均有體現(xiàn)。

4)從指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)看，除了沖擊值與壓碎值的相關(guān)性較差之外，其它指標(biāo)之間的相關(guān)性都較好。

5)各指標(biāo)衰減規(guī)律間的相關(guān)性要好于標(biāo)準(zhǔn)條件下各指標(biāo)之間的相關(guān)性。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Attenuation Law of Mechanical Properties of Road Aggregate and Its Correlation

KONG Lingyun1, CAO Huiping2, TANG Fanlong2, SHEN Juan3

(1.Traffic Civil Engineering Materials of National and Local Joint Laboratory, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China;2.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, P.R.China)

The polishing value test, wear value test, impact value test, crushing value test and soundness test on four kinds of aggregates, such as limestone, sandstone, basalt, and granite were analyzed. And the sliding and wearing resistances of the above aggregates were also studied. It is indicated that the mechanical indexes of the above aggregates at the standard test conditions are correlated at a certain degree. It is feasible in technology that using the proposed limestone and sandstone to be the aggregates of the anti-sliding layer of the asphalt road pavement. When the traffic volume is not large and the landform is even, using limestone as the aggregate of the anti-sliding layer can basically satisfy the requirements of slide and wear resistance of highway in operation (before the medium and large repair). Through the research on above aspects, the feasibility of using four kinds of aggregates, such as limestone, sandstone, basalt and granite as the material of asphalt anti-sliding surface was comprehensively analyzed and evaluated from the point view of slide and wear resistance.

highway engineering; attenuation law; regression analysis; aggregate performance; asphalt pavement

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.07

2015-11-28；

2016- 02-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508062)；2014年重慶高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(KJZH14104)；重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(LHSYS-2015-001)；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目(20160109)

孔令云(1976—)，女，江蘇如皋人，副研究員，博士，主要從事瀝青與瀝青混合料方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

U416.217

A

1674- 0696(2017)05- 035- 05