基于煅燒鋁礬土集料的瀝青混合料抗滑性能研究

宗有杰，熊 銳，呂紅莉，孟建黨，李 闖

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2. 河南省交通運(yùn)輸廳高速公路濮陽(yáng)至鶴壁管理處，河南 濮陽(yáng) 457004)

0 引 言

“路”在人-車-路-環(huán)境-管理構(gòu)成的交通安全影響系統(tǒng)中是一個(gè)重要的角色，而胎/路間缺乏足夠的摩擦力是導(dǎo)致交通事故頻發(fā)的一個(gè)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(nèi)在要求，而集料的長(zhǎng)期抗磨光性能對(duì)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(shí)間延長(zhǎng)，在行車荷載與氣候環(huán)境等因素作用下，路表摩擦力會(huì)呈現(xiàn)不同程度的降低，遠(yuǎn)未至設(shè)計(jì)年限便已無(wú)法滿足行車安全需求，集料的長(zhǎng)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(shè)計(jì)過(guò)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(zhǎng)效耐久型路面抗滑表層提供了新的契機(jī)[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(guó)抗滑表層用優(yōu)質(zhì)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(shí)現(xiàn)路表抗滑耐久化，無(wú)疑具有重要現(xiàn)實(shí)意義。圖1為“普通磨光”與“差異磨光”對(duì)比。

圖1 集料“普通磨光”與“差異磨光”對(duì)比Fig. 1 Comparison of general and differential polishing of aggregate

王元元等[7-8]、劉東旭[9]開(kāi)展了石灰?guī)r與玄武巖互摻試驗(yàn)，認(rèn)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(yàn)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(shì)[10]；熊銳等[11]以路面抗滑表層集料長(zhǎng)期抗磨光性能演化為契入點(diǎn)，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(yīng)用于瀝青路面抗滑表層具有較大潛力。

截至目前，針對(duì)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(shí)現(xiàn)瀝青混合料高抗滑耐久的研究成果鮮見(jiàn)報(bào)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(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)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(píng)價(jià)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(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用的SBS I-D類改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)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(yáng)泉市，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉作為填料，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。木質(zhì)素纖維產(chǎn)自上海昀興實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，摻量為瀝青混合料礦料質(zhì)量的0.35%，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。鑒于后期制備超薄高抗滑表層，故礦料級(jí)配設(shè)計(jì)采用SMA-5，如表5。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of SBS modified asphalt

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of aggregate

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of mineral powder

表4 木質(zhì)素纖維技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical index of plant fiber

表5 SMA-5礦料級(jí)配設(shè)計(jì)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(jī)控制下通過(guò)輪胎向?yàn)r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(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀(DFT)的旋轉(zhuǎn)直徑相同，輪跡圓直徑為284 mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍為0～50 r/min(試驗(yàn)采用25 r/min)；試驗(yàn)輪選用橡膠輪且單輪與試件表面接觸面積為11.55 cm2，設(shè)定胎壓為0.7 MPa，此時(shí)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(zhì)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(dá)到最佳密實(shí)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(shè)計(jì)級(jí)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(kāi)始逐級(jí)替換摻配，形成目標(biāo)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(yàn)規(guī)程》，對(duì)各摻配比例條件下的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行成型處理，確定出最佳油石比(表6)，并驗(yàn)證其路用性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求。在此基礎(chǔ)上，利用小型壓路機(jī)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(yàn)方法

試件成型后，采用三輪磨光儀對(duì)試件表面進(jìn)行磨光?；谝延醒芯炕A(chǔ)，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(jié)束試驗(yàn)。運(yùn)用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀分別測(cè)定試件表面BPN值與δDF值并進(jìn)行分析。同時(shí)，對(duì)石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土集料進(jìn)行 XRD與 SEM 測(cè)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(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 δDF隨模擬速度的變化規(guī)律

在試驗(yàn)過(guò)程中，不同磨光次數(shù)下各試件δDF隨動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)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(dāng)速度增至80 km/h時(shí)，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(dāng)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(shí)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)其δDF會(huì)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(shì)，當(dāng)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?yàn)殡S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(dāng)石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土紋理構(gòu)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(gòu)造再次逐漸凸顯，致使δDF增大，進(jìn)而提高路表抗滑性能。試驗(yàn)結(jié)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(shí)，其他試件磨光前后δDF呈下降趨勢(shì)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(duì)圖4中兩種工況下速度與δDF進(jìn)行非線性自定義擬合，結(jié)果表明，速度與δDF呈指數(shù)關(guān)系且相關(guān)性較佳，即在一定磨光次數(shù)下，可運(yùn)用擬合公式(1)預(yù)估高速(大于80 km/h)時(shí)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(shí)擬合公式系數(shù)Table 7 Coefficient of fitting formula for unpolished

表8 磨光 60 000 次時(shí)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(dāng)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(dòng)趨勢(shì)，均值為71。當(dāng)磨光至40 000次后，BPN值呈下降趨勢(shì)，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(dòng)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(dòng)變化，而三者出現(xiàn)第一次和第二次BPN峰值的變化點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生，摻配比例為75%試件的第一次峰值在磨光15 000次時(shí)產(chǎn)生，這是因?yàn)樵嚰?8# 煅燒鋁礬土摻配比例不同，三者差異磨光效應(yīng)先后呈現(xiàn)。

2.3 δDF與磨光次數(shù)變化規(guī)律

當(dāng)DFT轉(zhuǎn)盤(pán)模擬速度為70 km/h時(shí)，δDF穩(wěn)定可靠，因此試驗(yàn)?zāi)M速度設(shè)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(yàn)進(jìn)行，摩擦力漸轉(zhuǎn)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(dòng)，總體呈明顯下降趨勢(shì)。摻配比例為100%試件表面δDF出現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)，直至磨光末期才呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，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(dòng)中增加趨勢(shì)。這是由于摩擦力的提供者由集料的初始宏微觀紋理轉(zhuǎn)為差異磨光新增的宏微觀紋理與構(gòu)造深度。三者后期δDF出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，是因?yàn)槭規(guī)r與88# 煅燒鋁礬土磨光率相差較大，當(dāng)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(dāng)其磨光至與石灰?guī)r紋理接近時(shí)，再由石灰?guī)r提供摩擦力，如此往復(fù)致使δDF劇烈波動(dòng)。同時(shí)，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(gòu)造深度越大，δDF波動(dòng)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(yàn)中無(wú)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(nèi)出現(xiàn)兩次峰值，其δDF峰值對(duì)應(yīng)的磨光次數(shù)如表9。

表9 各摻配比例下δDF峰值對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jī)不同，考慮兼顧差異磨光技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，推薦88# 煅燒鋁礬土的合理?yè)脚浔壤秊闉r青混合料礦料質(zhì)量的25%～50%。

2.4 Δ δDF隨磨光次數(shù)的變化規(guī)律

動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀轉(zhuǎn)盤(pán)模擬速度為70 km/h時(shí)，試件磨光次數(shù)與ΔδDF之間的關(guān)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(guān)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(dòng)劇烈程度不同。石灰?guī)rΔδDF為負(fù)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(shì)，其他試件ΔδDF為負(fù)值比率較為接近，說(shuō)明差異磨光致使各試件δDF變化穩(wěn)定，不會(huì)隨磨光次數(shù)增加呈單一降低趨勢(shì)。

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(shì)；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(jié)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(shì)；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(shì)。綜上，進(jìn)一步驗(yàn)證88# 煅燒鋁礬土的合理?yè)脚浔壤秊闉r青混合料礦料質(zhì)量的25%～50%。

2.5 基于煅燒鋁礬土集料的差異磨光機(jī)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(biāo)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(duì)石灰?guī)r與88# 煅燒鋁礬土集料進(jìn)行XRD試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8，并分別測(cè)定了其莫氏硬度與維氏硬度，結(jié)果見(jiàn)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(biāo)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(lái)石，其質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)構(gòu)不夠致密，易于磨光，表面磨光后呈光滑狀態(tài)。剛玉和莫來(lái)石莫氏硬度較大，結(jié)構(gòu)致密，維氏硬度大，在經(jīng)歷長(zhǎng)期磨光后，其中較軟弱部分(莫來(lái)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(gòu)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(yàn)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(jié)構(gòu)且晶體完整致密，晶體體積穩(wěn)定且力學(xué)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)期抗磨光性存在顯著差異，故能較好凸顯差異磨光優(yōu)勢(shì)。一方面，在使用傳統(tǒng)集料的基礎(chǔ)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(bǔ)我國(guó)部分地區(qū)路用優(yōu)質(zhì)抗滑集料匱乏不足并能進(jìn)一步拓寬鋁土礦資源利用途徑。

3 結(jié) 論

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

2)構(gòu)建出不同磨光次數(shù)下動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)(δDF)與車速的指數(shù)關(guān)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(biāo)差異越大，差異磨光形成后對(duì)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。