基于激光掃描技術(shù)的粗集料紋理粗糙度評(píng)價(jià)

蔡平波，黃志勇

（1.廣東省南粵交通龍懷高速管理中心，廣東 廣州 510101；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510641）

0 引 言

關(guān)于瀝青路面在環(huán)境－車－路聯(lián)合作用下的抗滑能力的影響因素非常復(fù)雜，其中合理、有效的紋理特征參數(shù)指標(biāo)能夠客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)路面抗滑性能［1］。路面紋理構(gòu)造應(yīng)關(guān)注以下兩方面：一是集料自身的微觀紋理特性，包括晶體顆粒的凸起、開口空隙構(gòu)造、破碎面的棱角等；二是路表宏觀構(gòu)造深度，它主要由瀝青混合料中的粗集料顆粒提供。前者主要取決于集料的母巖特性，如磨光值相對(duì)越大越好，微觀紋理（包括晶體顆粒大小及排列）越豐富越好［2］；后者主要通過改進(jìn)瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，在平衡抗水損害性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，通過適當(dāng)增加粗集料用量，增強(qiáng)混合料骨架嵌擠穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)瀝青路面的豐富大構(gòu)造，且在使用期間能夠保證構(gòu)造耐久性能，并有效地減少高速行車狀態(tài)下的行車雨霧和水漂問題［3］。

隨著相關(guān)學(xué)者對(duì)輪胎摩擦機(jī)理的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的粗集料不僅影響著路面抗滑性能，也是影響路面耐久性的關(guān)鍵因素［4］。因此，有必要全面系統(tǒng)地分析和研究占瀝青混合料95%左右的礦料。

為了更充分了解磨耗層粗集料的抗滑特性，本文依托龍懷高速（龍川至連平段）項(xiàng)目的各石場加工集料，利用高精度激光位移傳感器對(duì)不同石場的規(guī)格粗集料微觀紋理輪廓進(jìn)行測試，建立微觀紋理與磨光值之間的聯(lián)系，分析粗集料在路面使用過程中抗滑性能衰減過程的外部形貌變化特性，以期為瀝青路面磨耗層材料的選擇提供參考。

不同的瀝青混合料具有不同的顆粒粒徑、空隙率、級(jí)配設(shè)計(jì)等特性，導(dǎo)致其表面形貌的變化具有一定規(guī)律的粗糙性、復(fù)雜性和非線性特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究可知，集料輪廓與路面構(gòu)造相似，同樣具有一定程度上的自相似性，因此描述其特征可使用分形幾何方法［6］，其中較為可靠的是盒計(jì)數(shù)維數(shù)法。

盒計(jì)數(shù)維數(shù)的原理如下：設(shè)Rn空間的任意有界非空子集為A，對(duì)于任意的一個(gè)r（r為邊長，r＞0），nr（A）表示用來覆蓋A所需的n維立方體（盒子）的最小數(shù)目。如果存在一個(gè)數(shù)d，使得r→0時(shí)，有

1 分形維數(shù)評(píng)價(jià)方法

則d即為Ad集合的盒計(jì)數(shù)維數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)定義，當(dāng)且僅當(dāng)存在一個(gè)正數(shù)k，在盒計(jì)數(shù)維數(shù)為d時(shí)，可以使得

ISO標(biāo)準(zhǔn)中物體表面形貌特征參數(shù)多用于描述瀝青路面的微觀形貌特征。這些參數(shù)可分為高度分布參數(shù)和分布形態(tài)參數(shù)，包括輪廓均方根偏差、輪廓算術(shù)平均偏差、偏斜度、陡峭度等指標(biāo)［5］。瀝青路面表面構(gòu)造由不同尺度的表面粗糙度交互疊加形成，即集料表面的微觀紋理曲線也會(huì)受到宏觀構(gòu)造曲線的影響，而輪廓均方根偏差、偏斜度、陡峭度、輪廓算術(shù)平均偏差等指標(biāo)容易受到數(shù)據(jù)過濾、測量儀器分辨率等因素的影響，這是因?yàn)闃?gòu)造表面具有多尺度的特性，所表征的結(jié)果不具有惟一性。路面輪廓線的統(tǒng)計(jì)自仿射性如圖1所示。

圖1 路面輪廓線的統(tǒng)計(jì)自仿射性

由于式（2）的兩邊都是正值，可將等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)變換。

進(jìn)一步整理得

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

集料表面微觀紋理形態(tài)一般由集料巖性所決定，因此集料巖性對(duì)路面抗滑性能起著關(guān)鍵作用，選擇龍連高速項(xiàng)目建設(shè)過程中調(diào)研的較具代表性的4種不同粗集料：玄武巖（江西玄武巖礦業(yè)）、輝綠巖（芙蓉石場）、閃長巖（芙蓉石場）和花崗巖（金花石場），分別編號(hào)為A、B、C、D。在石場中，上述4種粗集料的破碎生產(chǎn)工序較為相似，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 激光掃描試驗(yàn)

激光輪廓檢測儀的測量系統(tǒng)由激光器和供電電源組成，其中激光器采用美國 MTI公司型號(hào)為LTC－050－20SA的激光測距傳感器，見圖2。其測量范圍為中心點(diǎn)±10mm，即總測量范圍為20mm，其水平方向分辨率為0.01mm，豎向精度能達(dá)到0.001mm。該設(shè)備完全可以滿足微觀紋理輪廓的測量精度。選擇不同巖性粗集料各4顆，每顆集料沿著長軸方向掃描3次，垂直于長軸方向再掃描3次，即每種集料獲取24條輪廓線，再計(jì)算表面分維均值作為輪廓代表值。

圖2 激光掃描系統(tǒng)

2.3 磨光試驗(yàn)

采用鋼輪外徑為406mm的加速磨光設(shè)備對(duì)粗集料開展不同階段的磨損試驗(yàn)，其中設(shè)備輪可安裝14塊試件，并通過拼接形成連續(xù)的粗集料試驗(yàn)面，見圖3。磨光輪轉(zhuǎn)速為320r·min－1。采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)上述4種集料分別進(jìn)行篩分，將針片狀顆粒剔除，最后選取粒徑為9.5～13.2mm的集料顆粒，并洗凈烘干。為了保證試驗(yàn)精度，將上述不同石場的集料分別制備4塊試樣開展平行試驗(yàn)，以提高試驗(yàn)代表性。

圖3 加速磨光試驗(yàn)機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同巖性粗集料粗糙度評(píng)價(jià)

采用激光掃描儀分別測試4種不同巖性粗集料的表面輪廓，測試輪廓線如圖4所示。

圖4 不同集料的表面輪廓

計(jì)算不同集料輪廓曲線的分形維數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。因?yàn)椴煌募嫌胁煌膸r性和不同的晶體組成，使得其破裂面的微觀紋理存在區(qū)別，根據(jù)各集料的分維值進(jìn)行排序，由大到小為：B（1.471）、A（1.353）、C（1.290）、D（1.239）。結(jié)合集料破裂面形貌也能夠明顯看出，集料B的表面紋理最粗糙，集料D的表面紋理相對(duì)平整。對(duì)集料質(zhì)地進(jìn)行深層分析：集料A與B質(zhì)地比較均勻，呈現(xiàn)深灰色，破裂面的紋理也較為豐富；集料C為灰色，顏色較淺，夾雜的白色晶體使得表面紋理較粗糙；集料D表面存在較多白色石英，夾雜在灰色表面中，黃色風(fēng)化物存在于微觀紋理中，破裂面呈現(xiàn)出局部平整面。

圖5 不同集料的微觀紋理分形維數(shù)

3.2 分形維數(shù)與磨光值的相關(guān)性

構(gòu)造表面形貌是影響摩擦系數(shù)的最直接因素，制作4種集料的標(biāo)準(zhǔn)試件，用于磨光磨損衰減試驗(yàn)。使用擺式摩擦測定儀測試不同粗集料試件表面初始狀態(tài)下的摩擦系數(shù)，建立分維值與摩擦系數(shù)的相關(guān)性，擬合曲線如圖6所示。根據(jù)擬合曲線可得，粗集料輪廓的微觀紋理分形維數(shù)值與摩擦系數(shù)相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.984，可知兩者為線性相關(guān)關(guān)系。根據(jù)R檢驗(yàn)法，對(duì)應(yīng)樣本的相關(guān)性系數(shù)臨界值為0.811（顯著性水平為0.05）。因此，摩擦系數(shù)與分形維數(shù)的相關(guān)性為強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，其表面摩擦系數(shù)值隨粗集料輪廓粗糙度的增加而增大。

圖6 粗集料分形維數(shù)與摩擦系數(shù)的相關(guān)性

3.3 加速磨光過程的集料輪廓衰減規(guī)律

路面在車輛作用過程中，其表面構(gòu)造必然發(fā)生磨損衰減，因此路面抗滑性能不僅包括新建初期的摩擦系數(shù)水平，還涵蓋了使用后期的抗滑壽命。實(shí)際路面結(jié)構(gòu)在使用過程中與抗滑性能相關(guān)的變化包括混合料壓密變形和路表構(gòu)造的磨損破壞，后者是決定路面抗滑性能的直接因素。現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定原材料抗滑性能控制指標(biāo)以粗集料磨光值為主，但是試驗(yàn)操作繁瑣，受人為因素干擾大，周期長，有必要開發(fā)一種新的集料抗滑性能評(píng)價(jià)方法。

經(jīng)過前期比選，仍然使用加速磨光試驗(yàn)機(jī)開展粗集料衰減試驗(yàn)，采用非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒蛛A段對(duì)粗集料試件進(jìn)行磨光，定期使用激光掃描儀采集不同磨損階段的粗集料輪廓數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖7。

由圖7可得，隨著磨損時(shí)間的增加，不同粗集料表面輪廓分形維數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。其中集料B初始粗糙度最大，分形維數(shù)最高，經(jīng)過6h的磨光作用后，其表面分形維數(shù)由1.471下降至1.223，降幅為0.248；集料A表面分形維數(shù)由1.353下降至1.213，降幅為0.140；集料C分形維數(shù)由1.289下降至1.183，降幅為0.106；集料 D表面分形維數(shù)由1.239下降至1.148，降幅為0.091。雖然集料B表面粗糙度下降幅度最大，但是其輪廓分形維數(shù)均高于相同磨光時(shí)間下的其他集料，集料D雖然降幅最小，但是其輪廓分形維數(shù)無論初始狀態(tài)還是磨光后期，均小于其他集料，究其原因，主要與集料巖性有關(guān)?？傊?，集料B與集料A相比集料C與集料D具有更好的紋理粗糙度，該規(guī)律與磨光值規(guī)律一致。

圖7 粗集料紋理衰減變化

4 結(jié) 語

（1）選擇廣東省地區(qū)較具代表性的玄武巖、輝綠巖、閃長巖和花崗巖這4種石料的粗集料進(jìn)行輪廓微觀紋理掃描，經(jīng)過表面分形維數(shù)的計(jì)算表明，輝綠巖與玄武巖集料表面分形維數(shù)相比另外2種巖性的較高，花崗巖集料輪廓分形維數(shù)最小，這主要與集料表面質(zhì)地與成分有關(guān)。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，粗集料輪廓分形維數(shù)與摩擦系數(shù)呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系，顯著性水平達(dá)0.05，集料輪廓分形維數(shù)能夠有效評(píng)價(jià)微觀紋理粗糙度，摩擦系數(shù)值隨著粗集料輪廓的分形維數(shù)增加而增大。

（3）使用加速磨光試驗(yàn)機(jī)開展粗集料衰減試驗(yàn)，粗集料紋理隨著磨損時(shí)間增加呈現(xiàn)單調(diào)衰減狀態(tài)；輝綠巖與玄武巖集料無論初始狀態(tài)還是磨光過程，其表面輪廓粗糙度均高于花崗巖與閃長巖。