化學組成對路用集料抗滑性能的影響

趙 華，李 松，熊 銳，關博文

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031；2. 武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；3. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

道路交通安全問題仍是世界各國共同面臨的難題。在人-車-路-環(huán)境-管理構(gòu)成的交通安全影響系統(tǒng)中，“路”的角色至關重要。導致交通事故頻發(fā)的一個重要因素是胎/路間缺乏足夠的摩擦力。通常，為確保瀝青路面抗滑性能，瀝青路面表層要求使用高抗滑耐磨集料，而集料抗滑性能與其礦物、化學組成密切相關[1]，國內(nèi)外學者對此進行了大量的研究。KANE[2]等認為路面的長期抗滑性能主要由集料中的硬質(zhì)礦物成分和軟質(zhì)礦物成分的組合決定。熊銳[3]等認為集料的維式硬度對集料耐磨性能有重要影響。YANG[4]等發(fā)現(xiàn)組成集料礦物間硬度差異越大，集料長期抗滑性能越好。WANG[5-8]等認為晶體尺寸較小、硬度高和晶體硬度差異大的集料，具有優(yōu)異的抗滑性能。ZHANG[9]等研究了集料化學組成對其性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3和SiO2可以改善粗集料的性能，而CaO則有負面影響。吳將豐[10]借助分子動力學和有限元方法模擬了集料的磨耗過程，發(fā)現(xiàn)化學組成對集料抗磨耗性能影響順序為SiO2、MgO、Na2O與CaO。

在公路路面表層材料的選擇和設計過程中，需要綜合考慮材料耐久性和表面服務性。新材料的引進，為長效耐久型路面抗滑表層提供了新的契機，其中包括新型高抗滑耐磨集料-煅燒鋁礬土(Calcined Bauxite)。WOODWARD[11]和FREEL[12]等發(fā)現(xiàn)煅燒鋁礬土的長期抗滑性能明顯優(yōu)于天然集料，且當煅燒鋁礬土與天然集料摻配比例為6∶4時，長期抗滑性能最佳。楊發(fā)[4]等發(fā)現(xiàn)當剛玉與莫來石的比例大于3時，煅燒鋁礬土具有優(yōu)異抗滑性能；剛玉與莫來石的比可以用來評價煅燒鋁礬土是否可用于修筑瀝青路面表層。WU[13]等認為具有較大硬度、較大硬度彌散值和較高彈性模量的煅燒鋁礬土集料最適合用于修筑瀝青路面表層。YU[14]等認為煅燒鋁土集料的機械、物理和幾何特性對High Friction Surface Treatment的摩擦性能至關重要。GUAN[15]等研究了瀝青與煅燒鋁礬土的黏結(jié)性能。首先，對瀝青的黏結(jié)強度、表面自由能、瀝青與骨料的相位角進行了測試。利用傅里葉變換紅外光譜和表面粗糙度試驗研究了瀝青骨料的化學反應和黏附性。結(jié)果表明：煅燒鋁土的氧化鋁含量越高，其與瀝青的黏附性能越大；氧化鋁含量低的煅燒鋁礬土用于瀝青混合料的磨耗層前，應進行處理以增強附著力。

煅燒鋁礬土具有強度高、質(zhì)地堅硬、耐磨耗和耐久性良好等優(yōu)點，已在美國大范圍(包括SDDOT、SCDOT、CADOT、FDOT、GCDOT、ILDOT、IADOT、TXDOT、VIDOT和INDOT等)施用，尤其是在新/舊路特殊路段上實施“High Friction Surface Treatment(HFST)”技術(如圖1所示，其中膠結(jié)料為環(huán)氧膠黏劑)，且其應用范圍正進一步擴大。

圖1 基于煅燒鋁礬土集料的美國HFST技術

目前，國內(nèi)尚鮮見將煅燒鋁礬土作為抗滑集料應用于路面抗滑表層，亦缺乏針對化學組成對新型耐磨集料-煅燒鋁礬土(Calcined Bauxite)抗滑性能影響的研究報道。鑒于此，擬采用PSV、壓碎值、洛杉磯磨耗試驗研究3種典型集料-玄武巖、花崗巖與88#煅燒鋁礬土集料的基本性能，借助SEM，XRD等手段對其微觀特性和化學組成進行表征。在此基礎上，引入新指標-Al2O3/SiO2來表征不同集料的長期抗滑性能，以期為快速遴選瀝青路面表層用抗滑耐磨集料提供新思路。

1 原材料

1.1 基本技術性能

本文選用88#煅燒鋁礬土、玄武巖和花崗巖，其物理力學性能如表1所示?？梢钥闯觯?種集料抗滑指標都符合現(xiàn)行規(guī)范要求，尤以88#煅燒鋁礬土集料抗滑性能最優(yōu)。

表1 不同類型集料的抗滑性能Table 1 Skid resistance of different types of aggregates性質(zhì)磨光值磨耗值壓碎值玄武巖43.712.9211.52花崗巖45.418.1416.5788#煅燒鋁礬土55.710.617.74規(guī)范值(JTG F40-2004)≥42≤28≤26

1.2 微觀形貌

3種集料的宏微觀形貌如圖2所示[3]。

(a) 玄武巖

1.3 化學組成

表2為3種集料的X射線熒光光譜分析(X-Ray Fluorescence)結(jié)果。由表2可知，不同巖性集料具有不同的化學組成，其中SiO2、Al2O3和CaO等為集料的主要化學成分。

表2 3種集料的XRF試驗結(jié)果Table 2 XRF test results of 3 aggregates%集料類型SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OP2O5LOI88#煅燒鋁礬土3.324.4790.291.550.150.17<0.010.170.240.01玄武巖49.513.6114.0012.620.164.978.671.921.40.05花崗巖66.640.3815.942.70.053.714.411.860.110.16

1.4 黏附性

1.4.1集料堿值試驗

集料化學成分對瀝青-集料黏附性有重要影響，可用堿值進行表征。不同集料的堿性不同，接受質(zhì)子的能力不同，消耗掉氫離子濃度亦不同。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)對集料堿值進行測定(見圖3)， 試驗結(jié)果如表3所示。

圖3 堿值測定過程

表3 不同集料堿值測定結(jié)果Table 3 Results of alkali values of different aggregates集料種類N1N2N0堿值玄武巖1.812.510.440.66花崗巖1.622.510.440.5788#煅燒鋁礬土2.112.510.440.81

由此可見，88#煅燒鋁礬土堿值最高，玄武巖次之，而花崗巖最小。

1.4.2光電比色法試驗

為準確得到瀝青膜剝落率數(shù)值，本文采用光電比色法進行測定，進而評價瀝青-集料黏附性能。此法通常采用721型分光光度計(見圖4)，溶液為0.01 g/L的酚藏花紅生物染料溶液。即根據(jù)標定的標準曲線(見圖5)，得到溶液的濃度；利用吸光度與濃度的關系曲線，計算出表面裹覆有瀝青膜的集料與原集料在吸附試驗后的染料殘留濃度，最后得到青膜剝落率。

圖4 721型分光光度計

圖5 酚藏花紅染料標準曲線

由表4可知，各種集料與瀝青黏附性結(jié)果為：88#高抗滑集料>玄武巖>花崗巖，其結(jié)果與堿值試驗一致。

表4 光電比色法試驗結(jié)果Table 4 Photoelectric colorimetric test results樣品染料溶液起始C0原集料溶液C1混合料溶液C0’集料質(zhì)量m/g剝落度/%黏附性/%88#高抗滑集料0.0100.003 120.006 8110046.353.7花崗巖0.0100.003 570.006 0410061.639.4玄武巖0.0100.003 290.006 3710054.145.9

2 結(jié)果分析

2.1 集料的礦物組成

集料的化學組成與其礦物組成息息相關，為此，先對3種集料進行礦物分析。圖 6為3集料XRD衍射圖譜。

由圖6(a)中玄武巖的XRD數(shù)據(jù)結(jié)合礦相顯微圖像可知，本試驗中玄武巖樣品的主要晶相為斜長石(Plagioclase)、輝石(Pyroxene)和角閃石(Hornblende)。斜長石屬于架狀硅酸鹽礦物，三斜晶系，莫氏硬度6～6.5；角閃石屬于雙鏈硅酸鹽，單斜晶系，針狀、纖維狀，莫氏硬度5～6；輝石屬于鏈狀硅酸鹽，單斜晶系，晶型呈短柱狀，莫氏硬度5.5～6。

由圖6(b)中花崗巖的XRD數(shù)據(jù)結(jié)合礦相顯微圖像可知，本試驗中花崗巖樣品的主要晶相為石英(Quartz)和鈉長石(Albite)。石英為不同溫度下SiO2結(jié)晶體內(nèi)部發(fā)生變化，生成同質(zhì)多像系列，莫氏硬度7級。鈉長石屬于長石的一類為架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，比重2.62，莫氏硬度為6～6.5。

由圖6(c)中高抗滑集料的XRD數(shù)據(jù)結(jié)合礦相顯微圖像可知，本試驗中高抗滑集料樣品的主要晶相與兩種天然集料顯著不同，為剛玉(Corundum)和莫來石(Mullite)。剛玉屬三方晶系。晶體桶狀、短柱狀或腰鼓狀，晶面有橫紋。物理性質(zhì)：常為灰藍色或黃色，莫氏硬度為9級，不溶于酸。莫來石(Mullite)：又被稱為富鋁紅柱石，斜方晶系，晶體呈柱狀、針狀，切面近似于四邊形，莫氏硬度為6。

(a) 花崗巖

通過Jade6.0軟件和X'Pert HighScore Plus軟件半定量計算了4種集料中主要相的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)合上文中的化學組成，將各集料的巖性和化學組成總結(jié)如表5所示。

表5 集料的主要礦物特性Table 5 Main mineral characteristics of aggregates集料類型主要礦物成分所占比例/%主要化學組成莫式硬度莫氏硬度比花崗巖石英68.6SiO2, Al2O371.16鈉長石32.46輝石35.86玄武巖斜長石40.7Fe2O3, SiO2Al2O361.09角閃石23.55.588#煅燒鋁礬土剛玉86Al2O3,SiO291.5莫來石146

2.2 化學組成與集料抗滑性能相關性

為評價化學組成對集料抗滑性能的影響，引入皮爾遜相關系數(shù)，其計算公式如式(1)所示[16]。皮爾森相關系數(shù)是1種用來表征2個變量線性關系的統(tǒng)計量，一般認為：r的絕對值越大，2個變量相關性越強。本文以0.7為界限，即當皮爾遜系數(shù)大于0.7時，認為2個因素相關；否則為不相關。采用SPSS 軟件分別計算了 SiO2、Al2O3、CaO與3種集料磨光值、磨耗值、壓碎值的皮爾遜系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

(1)

由圖7(a)可知：磨光值與SiO2、Al2O3和CaO具有較好相關性；其中，Al2O3的皮爾遜系數(shù)最高，而后依次是SiO2和CaO。除了Al2O3以外，SiO2和CaO與磨光值負相關。這說明Al2O3含量越高，SiO2和CaO含量越低，則集料的磨光值越高，耐磨性越好。由于CaO、SiO2含量高，Al2O3含量低，玄武巖的磨光值較低；與玄武巖相比，花崗巖由于存在略多的Al2O3而磨光值稍高；由于CaO、SiO2含量低，Al2O3含量高，88#煅燒鋁礬土的磨光值最高。

由圖7(b)可知：除CaO外，磨耗值與SiO2、Al2O3之間存在顯著相關性。磨耗值與SiO2正相關，表明SiO2含量越高，磨耗值越大；另一方面，Al2O3的負相關關系表明集料中Al2O3含量越大，集料耐磨性越好，此與集料礦物組成間硬度差有關。3種集料的主要礦物特性如表5所示，雖然3種集料的主要化學組成均為SiO2和Al2O3，但其所對應的礦物組成不盡相同，礦物間莫氏硬度亦不同。其中，88#煅燒鋁礬土的莫式硬度比最大，最易形成差異磨耗，故抗滑性能佳。

由圖7(c)可知：除CaO外，壓碎值與SiO2、Al2O3之間亦存在顯著相關性。壓碎值與SiO2正相關，表明SiO2含量越高，壓碎值越大；另一方面，Al2O3的負相關關系表明，集料中Al2O3含量越多，集料抗壓性能越好。此外，花崗巖的SiO2含量明顯大于玄武巖，而Al2O3含量略高于玄武巖，因而最差；88#煅燒鋁礬土的Al2O3含量遠高于玄武巖和花崗巖，SiO2含量明顯低于玄武巖和花崗巖，因而抗壓性能最優(yōu)。

由圖7(d)可知：黏附性能與SiO2、Al2O3和CaO具有較好相關性；其中，SiO2和Al2O3的皮爾遜系數(shù)較高。其中Al2O3與黏附性能正相關，SiO2和與黏附性能負相關。這說明Al2O3含量越高，SiO2含量越低，則集料的黏附性越好。這是因為二氧化硅相呈酸性，氧化鋁相呈堿性，氧化鋁相易與瀝青發(fā)生酸堿中和反應，增強瀝青與集料間的黏附性能。

(a) 磨光值

2.3 集料的長期抗滑性能評價

在瀝青面層服役期內(nèi)，其抗滑性能逐漸衰減。鑒于集料在路面服役期間扮演的抗滑“關鍵角色”，研究集料長期抗滑性能具有重要意義。鑒于此，采用PSV試驗，研究了3種集料的長期抗滑性能，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 集料的磨光值隨磨光次數(shù)的變化規(guī)律

(a) 玄武巖

由圖8和圖9可知：隨磨光次數(shù)的增加，3種集料的PSV均呈現(xiàn)不同程度的下降，磨光值快速衰減區(qū)間為0～16萬次，在16 000次時趨于穩(wěn)定；通過3種集料磨光值衰減速度變化率可以看出，在速度變化率峰值之前，PSV衰減速度變化率逐漸增大，則其抗磨光作用越明顯，在峰值之后PSV衰減速度變化率逐漸減小，此時磨光值衰減速率降低?？偠灾?，88#煅燒鋁礬土的長期抗滑性能最好，花崗巖其次，玄武巖最差。由于不同集料具有不同的化學組成，特引入Al2O3/SiO2參數(shù)來評價不同類型集料的抗滑性能。

選擇集料磨光160 000次后的PSV為終值，為全面評價集料的抗滑性能，引入軸向系數(shù)與均方根高度Rq這2個指標來評價集料的宏微觀抗滑性能，具體如下：

軸向系數(shù)/Aspect[17]為表征顆粒的針片狀大小，軸向系數(shù)越大，顆粒針狀性愈大；該指標反映的是集料顆粒宏觀整體的狀態(tài)和特征，其公式為：

(2)

式中：Axis(major)為顆粒等效橢圓的主軸；Axis(minor)為顆粒等效橢圓的次軸。

均方根高度(Rq)表示沿參考長度方向所有輪廓高度平均值的均方根(圖9)，其公式為：

(3)

圖10 Rq定義示意圖

表6為磨光160 000次后集料的軸向系數(shù)、磨光值和Rq值；圖11為Al2O3/ SiO2與集料抗滑指標的相關性圖示。由圖11可知，Al2O3/ SiO2與3種指標均具有較好相關性，這為快速篩選瀝青路面表層用抗滑耐磨集料提供了另一種思路。

圖11 Al2O3/SiO2與集料抗滑指標的相關性

綜上，集料的化學組成通過影響礦物組成進而影響集料的抗滑耐磨性能，即集料中化學組分的不同導致不同礦物間產(chǎn)生硬度差，由此導致不同集料抗滑耐磨特性互異。

表6 3種集料磨光16 000次后的抗滑指標Table 6 Skid resistance indexes of three aggregates after polishing for 16 000 times集料類型磨光次數(shù)軸向系數(shù)磨光值Rq88#煅燒鋁礬土160 0001.032 853.18.073玄武巖160 0001.027 836.24.778花崗巖160 0001.028 942.15.955

3 結(jié)論

a.不同巖性集料具有不同的性能，與傳統(tǒng)花崗巖和玄武巖集料相比，88#煅燒鋁礬土的抗滑耐磨性能較優(yōu)；集料化學組成對集料抗滑性能與瀝青-集料黏附性有重要影響，尤其是Al2O3和SiO2；高Al2O3含量利于提高集料與瀝青間的黏附性。

b.Al2O3/SiO2與軸向系數(shù)、Rq和磨光終值具有良好相關性；Al2O3/SiO2值越大，集料抗滑性能越好；此為快速遴選瀝青路面表層用抗滑耐磨集料提供了另一種思路。

c.集料化學組分的不同，導致不同礦物間產(chǎn)生硬度差，此為不同集料抗滑耐磨特性互異的根本原因。

d.煅燒鋁礬土作為一種新型路用抗滑集料具有良好潛力，有助于路面表層抗滑性能的提升與持久。