基于差異磨光的瀝青路面抗滑性能研究進(jìn)展

李松，翟嘉輝，熊銳*，李闖，李科宏，蔣汶玉

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

路面抗滑性能是道路行車安全和快速行駛的重要保證，亦是瀝青路面長(zhǎng)期使用性能與使用品質(zhì)的基本要求之一。粗集料作為瀝青混合料的主要組成部分，其在輪胎作用下的磨光性能對(duì)瀝青路面的抗滑性能起決定性作用。但隨著中國(guó)公路建設(shè)速度的加快，石料資源日益趨緊，優(yōu)質(zhì)集料匱乏；與此同時(shí)，傳統(tǒng)觀念中的低品位集料則較為富足，如能將磨光性能差別較大的兩種集料進(jìn)行摻配，形成差異磨光，不但能利用低品位集料，緩解集料短缺狀況，更可以改善路面的長(zhǎng)期抗滑性能，具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益。

一般認(rèn)為集料主要有兩種磨光機(jī)制：偏向于整體材料消耗的普通磨光和由集料本身礦物差異導(dǎo)致礦物形貌改變的差異磨光。差異磨光即利用不同集料間硬度、礦物組成的差異，在行車荷載作用下，可以在集料表面形成新的次生紋理來(lái)保證路面的抗滑性能。

石灰?guī)r作為常見的低品位集料，儲(chǔ)量豐富，易與優(yōu)質(zhì)集料形成差異磨光，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的研究。李鑫針對(duì)廣西地區(qū)特殊氣候條件，就地取材將石灰?guī)r與輝綠巖進(jìn)行摻配，在保證抗滑性能的基礎(chǔ)上探索資源的有效利用；遲坤東認(rèn)為玄武巖的摻入使石灰?guī)r/玄武巖復(fù)配粗集料的耐磨性提高，且玄武巖摻量越多，復(fù)配粗集料的耐磨性越好；Senga Y等利用英氏磨光機(jī)對(duì)不同比例復(fù)配集料的磨光值進(jìn)行測(cè)試，并提出了混合律來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)配粗集料的磨光值；李菁若等將石灰?guī)r瀝青混合料的5～10、10～20 mm兩檔集料用玄武巖取代后發(fā)現(xiàn)：石灰?guī)r/玄武巖瀝青混合料的抗滑性能較石灰?guī)r瀝青混合料提高了201.3%，為純玄武巖抗滑性能的95.8%，抗滑壽命為石灰?guī)r瀝青混合料的1.4倍；胡超研究發(fā)現(xiàn)：在滿足抗滑性能要求的前提下，瀝青路面抗滑表層采用混合粗集料結(jié)構(gòu)較采用玄武巖結(jié)構(gòu)可節(jié)約30%的成本。上述研究表明，集料差異磨光特性在改善瀝青路面抗滑性能、節(jié)約優(yōu)質(zhì)石料資源等方面具有重要工程意義。

基于此，該文先對(duì)路面常用粗集料物理力學(xué)性能進(jìn)行分析，而后研究不同復(fù)配混合料的抗滑性能，在介紹差異磨光原理的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有集料/混合料磨光測(cè)試指標(biāo)與方法進(jìn)行歸納梳理，剖析現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題，以期為后續(xù)研究提供有益借鑒。

1 原材料性能

路用集料按來(lái)源可分為天然集料、工業(yè)廢物、人造集料等，不同集料性能如表1所示，集料性能對(duì)瀝青路面抗滑性能有重要影響，具體而言由集料的耐磨性決定即集料的磨光、磨耗值，除此之外，瀝青混合料的組成特性也要求集料與瀝青具有較好的黏附。下面以3類集料的典型代表——玄武巖、鋼渣、陶粒為例作簡(jiǎn)單介紹。

1.1 物理力學(xué)性能

由表1可知：① 僅就磨光值而言，玄武巖、鋼渣、陶粒均>50%，性能較優(yōu)，是抗滑表層的首先選擇，但陶粒的磨耗值為36%，不滿足規(guī)范要求，不可單獨(dú)用作抗滑表層，這是由它們的礦物組成及硬度決定的；② 陶粒雖然礦物組成復(fù)雜，但硬度較低，導(dǎo)致其雖具有優(yōu)異的抗磨光性能，但磨耗性能較差。而玄武巖和鋼渣同時(shí)滿足礦物成分多且硬度大兩個(gè)條件，因而耐磨性能好?？紤]到玄武巖、鋼渣與陶粒之間磨光和磨耗性能的差異，選取陶粒和石灰?guī)r替代部分玄武巖粗集料，有利于形成集料間的差異磨光。

1.2 黏附性

瀝青與集料的黏附性與瀝青混凝土路用性能直接相關(guān)，由表1可知：玄武巖、鋼渣與瀝青的黏附性能較好。

表1 常用粗集料技術(shù)指標(biāo)

綜上，從單個(gè)集料考慮，當(dāng)集料磨光值>50%，磨耗值滿足規(guī)范要求，且與瀝青間的黏附性能較好，方可用作抗滑表層。但并不意味其他集料不可用作抗滑表層。就差異磨光而言，兩種復(fù)配集料中，前者應(yīng)具有優(yōu)異的磨光、磨耗以及黏附性能，后者應(yīng)與前者有所差異，在合適范圍內(nèi)差異越大，差異磨光效果越好。

2 復(fù)配集料瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

路用集料按來(lái)源可分為天然集料、工業(yè)廢物、人造集料等，由于不同來(lái)源集料間基本物理性能差異巨大，為最大程度發(fā)揮差異磨光的作用，應(yīng)在粒徑、摻入方式等方面有所考慮。謝君等認(rèn)為由于鋼渣與石灰?guī)r的密度差距較大，在兩者復(fù)配時(shí)應(yīng)控制鋼渣的摻量，以防止級(jí)配改變影響瀝青混合料的路用性能；許丁斌認(rèn)為當(dāng)鋼渣粒徑小于4.75 mm時(shí)，易攜帶粉塵，會(huì)增加建設(shè)成本；吳少鵬等認(rèn)為采用鋼渣粗集料(>4.75 mm或2.36 mm)與天然細(xì)集料復(fù)配的方案更具經(jīng)濟(jì)效益。等質(zhì)量摻配、等體積摻配、體積質(zhì)量轉(zhuǎn)化法為當(dāng)前常用的3種摻配方式(表2)，等質(zhì)量摻配法以相同質(zhì)量的摻配集料替換原有集料，等體積法保證了摻配前后瀝青混合料體積參數(shù)基本不變，體積質(zhì)量轉(zhuǎn)化法是將集料按比例混合后看作一個(gè)整體依照原有馬歇爾設(shè)計(jì)流程進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。上述方法各有特點(diǎn)，適用于不同情況。當(dāng)天然集料間互相摻配時(shí)，密度較為接近，混合料體積參數(shù)變化較小，能發(fā)揮等質(zhì)量摻配法迅捷的優(yōu)勢(shì)；但鋼渣與天然集料的密度差距較大，此時(shí)采用等體積摻配法較為合適。體積質(zhì)量轉(zhuǎn)化法則容易被理解。鋼渣等集料具有較多孔隙，與瀝青吸附行為復(fù)雜，在摻配過(guò)程中應(yīng)充分考慮。

表2 常見摻配方式

3 不同復(fù)配集料瀝青混合料抗滑性能

3.1 天然集料間相互摻和

石灰?guī)r與玄武巖集料因其優(yōu)異性能一直被廣泛應(yīng)用于瀝青路面表層鋪筑，而兩者恰好分屬于普通磨光與差異磨光，具有重要研究?jī)r(jià)值。通常，來(lái)源于不同地區(qū)的同種集料性能亦存在差異，因此混摻集料抗滑指標(biāo)的快速檢驗(yàn)是不同集料摻配技術(shù)在工程中大量應(yīng)用的前提。譚巍等基于自主研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀”對(duì)不同比例摻配的復(fù)合集料抗滑指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：在已知單一集料的壓碎值、磨耗值與磨光值的前提下，能夠預(yù)測(cè)出不同比例下不同巖性互摻集料的壓碎值、磨耗值與磨光值。其利用此技術(shù)對(duì)龍瑞高速公路沿線的石灰?guī)r集料進(jìn)行優(yōu)選，而后與玄武巖互摻用作路面抗滑表層，玄、石互摻抗滑表層較玄武巖抗滑表層綜合材料費(fèi)用節(jié)約 了18.7%～22.4%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

艾長(zhǎng)發(fā)等認(rèn)為玄武巖的摻入使石灰?guī)r與玄武巖混合粗集料在壓碎過(guò)程中存在顯著的“棄弱保強(qiáng)”作用以及楔體效應(yīng)，有利于混合粗集料嵌擠結(jié)構(gòu)的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高。陳賀、李菁若、王丹等對(duì)不同級(jí)配下石灰石/玄武巖復(fù)合集料瀝青混合料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：玄武巖以任何比例進(jìn)行摻配的復(fù)配混合料抗滑性能均有提高，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 鋼渣

鋼渣是煉鋼過(guò)程產(chǎn)生的一種副產(chǎn)物，其宏微觀形貌如圖1所示。

圖1 鋼渣的宏微觀形貌

由圖1可知：鋼渣表面粗糙，存在較多孔隙適用于瀝青混合料粗集料，國(guó)內(nèi)外研究人員在此方面進(jìn)行了大量研究。謝君發(fā)現(xiàn)鋼渣的磨光值、磨耗值等主要抗滑參數(shù)都優(yōu)于玄武巖及石灰石，說(shuō)明鋼渣具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。究其原因，姜從盛認(rèn)為這與鋼渣中的鐵、錳離子有關(guān)，這兩種離子具有較強(qiáng)的極化能力，有助于打破原有的正硅酸鹽結(jié)構(gòu)，形成新的巨大的復(fù)雜的硅氧團(tuán)，從而使其具有優(yōu)良的耐磨、抗壓、抗滑等性能。但鋼渣中存在f-Cao，遇水會(huì)膨脹，嚴(yán)重影響瀝青混合料的路用性能。

為消除鋼渣的體積膨脹性對(duì)瀝青混合料性能的影響，陳宗武等研究了原始陳化鋼渣細(xì)集料對(duì)瀝青混凝土性能的影響。結(jié)果表明：陳化鋼渣細(xì)集料瀝青混合料具有良好的路用性能和體積穩(wěn)定性；吳少鵬等先對(duì)鋼渣進(jìn)行陳化處理，而后制備了AK-13A與SMA-13兩種鋼渣瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)其不僅抗滑性能強(qiáng)于玄武巖瀝青混合料，且其他各項(xiàng)路用性能指標(biāo)也很優(yōu)異。但陳化方法所需時(shí)間較久，且占地面積較大，實(shí)用性較差。由于鋼渣中的危險(xiǎn)成分遇水才會(huì)膨脹，部分研究人員從阻隔水的角度出發(fā)，引入具有凝膠功能的物質(zhì)對(duì)鋼渣表面進(jìn)行改性，形成隔水層來(lái)抑制膨脹，取得了不錯(cuò)的效果。其原理大都為改性劑與水、Cao發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，滲透進(jìn)空隙，從而達(dá)到阻隔水分進(jìn)入的目的；王聲樂(lè)等對(duì)水泥漿、硅酮防水劑、硅烷偶聯(lián)劑3種改性鋼渣瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，硅酮防水劑的防水效果最好，硅酮防水劑改性鋼渣的吸水率、膨脹率和破碎值分別降低了72%、34%和43%。研究認(rèn)為這得益于硅酮防水劑在鋼渣表面形成致密疏水涂層。但此方面的研究并沒(méi)有對(duì)改性后鋼渣的抗滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

瀝青混合料耐久性表征了瀝青混合料在使用過(guò)程中承受各種不利環(huán)境荷載、車輛荷載而保持原有性能的能力，是評(píng)價(jià)瀝青路面使用壽命的重要指標(biāo)；鋼渣具有膨脹特性，因而鋼渣混凝土的耐久性顯得尤為重要，武漢理工大學(xué)在此方面做了大量研究。李燦華等對(duì)服役7年的SMA-13瀝青混凝土路面的構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、平整度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示：與服役初期相比，平整度降低了1.23 mm，摩擦因子從60變?yōu)?53，構(gòu)造深度從1.1 mm降到了0.56 mm，衰減速度明顯慢于AC路面，表現(xiàn)出更好的耐久性。這得益于鋼渣高堿度和比表面積大的特性，增加了其與瀝青的黏附性，改善了混合料水穩(wěn)定性；鋼渣陳化處理也保證了瀝青混凝土的體積穩(wěn)定性。

鋼渣瀝青混合料的抗滑性能由鋼渣本身及鋼渣與瀝青間的黏附性能共同決定。鋼渣表面呈粗糙、多孔狀態(tài)，且堿性較強(qiáng)，非常適用于瀝青混合料。瀝青與集料間的黏附力由物理吸附和化學(xué)吸附兩部分構(gòu)成。鋼渣表面粗糙、多孔，與瀝青之間存在更大的接觸面積，表面裹覆的瀝青膜也更厚，所形成的混合料也保留了鋼渣的紋理特征。另一方面，鋼渣也可以與瀝青發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)，形成新物質(zhì)，因而黏附性較強(qiáng)。但同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致鋼渣的瀝青吸附量較大，影響經(jīng)濟(jì)效益。

為此，薛永杰針對(duì)鋼渣的孔隙開展了深入的研究，通過(guò)壓汞法對(duì)比分析了鋼渣和玄武巖的孔隙分布，發(fā)現(xiàn)鋼渣的總孔隙率最大，石灰?guī)r次之，玄武巖最?。簧陳矍俚葎t進(jìn)一步指出鋼渣的孔隙分布更為均勻，且隨著鋼渣粒徑的增大，大孔隙所占的比例也顯著提高，并利用分形維數(shù)對(duì)孔隙的復(fù)雜程度進(jìn)行了量化。但壓汞法可能會(huì)導(dǎo)致部分孔隙的破壞，在此基礎(chǔ)上陳宗武等利用氮吸附法研究鋼渣的孔隙特征，彌補(bǔ)了壓汞法的不足。

大量研究表明：鋼渣瀝青混合料具有優(yōu)異的抗滑性能，但對(duì)其衰減規(guī)律的研究較少。申愛琴等借助SEM、傅里葉光譜等手段對(duì)鋼渣與橡膠瀝青間的黏附機(jī)理進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)：鋼渣表面有很多孔隙結(jié)構(gòu)和珊瑚顆粒，瀝青可以進(jìn)入其中，且鋼渣與瀝青間存在化學(xué)反應(yīng)，因而橡膠瀝青和鋼渣集料之間的黏附性較強(qiáng)。而后，以橡膠瀝青、鋼渣為原料制備了SSMA(鋼渣瀝青混合料)，并對(duì)其抗滑衰減規(guī)律及抗滑機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)論如下：SSMA的抗滑性能衰減過(guò)程主要分為2個(gè)時(shí)期(衰減期和穩(wěn)定期)和5個(gè)階段；鋼渣瀝青混合料在衰減穩(wěn)定期的抗滑性能更具優(yōu)勢(shì)，在50%的最佳摻量下，擺值較原瀝青混合料提升了15%。其認(rèn)為有如下原因：① 裹覆在集料表面的瀝青膜被磨損或重新分布，使集料暴露出來(lái)，集料表面的摩擦阻力大于瀝青膜表面；② 粗集料破裂形成的新破裂面表面的紋理構(gòu)造，與輝綠巖形成差異磨光提高路面的抗滑性能。

3.3 天然集料與人造集料

陶粒為一種典型的輕質(zhì)集料，磨光值較高，且具有蜂窩狀的構(gòu)造；但同時(shí)硬度、強(qiáng)度較低，易與天然集料形成差異磨光改善瀝青混合料的抗滑能力。解曉光等在回轉(zhuǎn)窯中將高強(qiáng)度頁(yè)巖加熱至約1 200 ℃制合成了一種具有硬度差異和多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的頁(yè)巖陶粒(HSSC)集料，并對(duì)其抗滑性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：HSSC混合料的抗滑性能與級(jí)配有關(guān)，在SMA中，HSSC含量為60%的混合料其抗滑性能最好，完全可以用來(lái)改善路面抗滑性能；劉東旭利用自主開發(fā)的輪式磨光機(jī)對(duì)不同摻量的陶粒/安山巖復(fù)配瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：復(fù)配瀝青混合料的穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)、穩(wěn)定擺值、衰減速率3個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于安山巖瀝青混合料，驗(yàn)證了差異磨光原理。具體而言，陶粒摻量為20%、40%、50%、60%、100%的瀝青混合料的穩(wěn)定擺值較0摻量的混合料提高幅度分別為 4.4%、6.3%、7.5%、8.3%及14.5%，但同時(shí)陶粒質(zhì)量的損失也逐漸增加；60%為陶粒在安山巖瀝青混合料中的最佳摻量。

4 差異磨光機(jī)理與評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 磨光機(jī)制

瀝青路面使用過(guò)程中，在車輛因素的作用下，路面磨光會(huì)導(dǎo)致抗滑性能下降。路面磨損可分為兩步：一是集料表面的瀝青膠漿被除去；二是集料表面紋理的改變。Tourenq等認(rèn)為，集料主要有2種磨光機(jī)制：偏向于整體材料消耗的普通磨光和由集料本身礦物差異導(dǎo)致礦物形貌改變的差異磨光。

4.1.1 普通磨光

普通磨光一般存在于單礦物集料中，在此情況下，礦物衰減情況基本一致，難以形成層次，因而對(duì)行車安全極為不利。

4.1.2 差異磨光

集料的礦物成分對(duì)其性能有重要影響，當(dāng)集料含有多種礦物成分，且各成分間硬度相差較大時(shí)，各礦物成分在行車荷載作用下的磨光速度不同，可以在集料表面形成新的次生紋理來(lái)保證路面的抗滑性能，即差異磨光。差異磨光可根據(jù)集料數(shù)目分為兩類，單集料自身的差異磨光與復(fù)配集料中不同集料間的差異磨光。單集料的差異磨光主要依靠自身的礦物組成，礦物組成越復(fù)雜，硬度差異越大，差異磨光效果越好，磨光值越高。對(duì)多種集料而言，除單集料微觀紋理的改變外，不同集料表面紋理層次分明，有利于構(gòu)造深度的形成，從而提供優(yōu)異的抗滑性能。

4.2 集料磨光性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

當(dāng)前常用的集料磨光設(shè)備有英氏磨光機(jī)、亞琛磨光機(jī)、維納/舒爾茨磨光機(jī)等，其特點(diǎn)如表3所示，原理均為橡膠輪胎對(duì)試樣進(jìn)行磨光，以模擬瀝青路面的真實(shí)使用情況，但結(jié)果都不盡如人意。英式磨光機(jī)難以有效模擬滾動(dòng)的充氣橡膠輪胎對(duì)路面的作用；亞琛磨光機(jī)難以對(duì)溫度的變換情況進(jìn)行模擬，W/S磨光機(jī)結(jié)果與實(shí)際道路磨光磨損規(guī)律基本保持一致，王大為等利用上述儀器對(duì)集料磨光性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，取得了大量創(chuàng)新性成果，但鮮有涉及到差異磨光。

表3 路面磨光性能測(cè)試方法

低品位集料的優(yōu)選及測(cè)試程序的開發(fā)為當(dāng)前差異磨光研究的熱點(diǎn)。李菁若等對(duì)復(fù)配集料的磨光值進(jìn)行了深入研究，采用內(nèi)插法預(yù)測(cè)了不同比例下復(fù)配集料的磨光值，認(rèn)為不同巖性集料板的長(zhǎng)期抗滑性能與各集料磨光值具有較好的線性相關(guān)，但并未給出定量結(jié)果；Y Senga等利用英氏磨光機(jī)對(duì)不同比例復(fù)配集料的磨光值進(jìn)行測(cè)試，并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，得出如下規(guī)律：

PSV(aG1+bG2)=aPSV(G1)+bPSV(G2)

(1)

式中：G1、G2分別為閃長(zhǎng)巖、石灰石；a、b為閃長(zhǎng)巖、石灰石所占比例。

式(1)亦適用于W/S測(cè)試方法，且與實(shí)測(cè)值相關(guān)性良好。但瀝青混合料抗滑性能還與瀝青種類、礦料級(jí)配等因素有關(guān)。張東長(zhǎng)等提出了集料抗滑耐磨性能自動(dòng)化評(píng)價(jià)體系，可用于瀝青路面抗滑表層室內(nèi)快速選材。

5 結(jié)論

該文從原材料性能、混合料組成設(shè)計(jì)、復(fù)配混合料抗滑性能及差異磨光機(jī)理4個(gè)方面對(duì)差異磨光研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，得到以下結(jié)論：

(1)若單種集料用作抗滑表層，一般要求其磨光值>50%，磨耗滿足規(guī)范要求，且與瀝青黏附性良好。但在差異磨光原理下，復(fù)配集料中，一種集料需滿足上述要求，其余則可降低要求，采用低品位集料、人造集料等，對(duì)降低公路建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

(2)鋼渣由于具有特殊的正硅酸鹽鈣(鎂)四面體結(jié)構(gòu)繼而形成復(fù)雜的硅氧團(tuán)，因而耐磨性好。對(duì)復(fù)配混合料而言，鋼渣表面粗糙、孔結(jié)構(gòu)較多，增大了瀝青膜的厚度，黏附性能好；在抗滑衰減期中，鋼渣破裂形成的新破裂面表面的紋理構(gòu)造，能與原有集料形成差異磨光，抗滑性能較不摻鋼渣瀝青混合料提升約15%。

(3)采用新設(shè)備、新工藝對(duì)集料進(jìn)行篩選、對(duì)摻配方式、摻配比例進(jìn)行驗(yàn)證，可為高等級(jí)公路抗滑表層用集料的遴選提供技術(shù)支撐。

(4)應(yīng)進(jìn)一步開展基于差異磨光原理的路用集料抗滑性能評(píng)價(jià)與機(jī)理分析，提出耐久性預(yù)估模型，以利其推廣應(yīng)用。