谭乐^{1 2}， 邓德毅²，邓海斌²

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海，201804；2.湖州市公路管理局， 湖州，313000）

摘要：为探索粗集料抗滑耐磨性能衰减规律，测试了石灰岩、硅质石灰岩、辉绿岩和玄武岩4种粗集料的主要物理力学性能，并在磨耗试验和磨光值试验的基础上，探究了粗集料的磨耗值和磨光值衰减规律。结果表明：粗集料的坚固性和压碎值与磨耗值和磨光值具有一致的抗滑耐磨趋势，也可以反映粗集料抗滑耐磨性能；粗集料的磨耗留存率均随着转数的增大而减小，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰减速率越快；粗集料磨光衰减速率前期衰减较快，后期逐渐减缓直至为零，粗集料的磨光值衰减曲线接近非线性指数函数曲线。

关键词：道路工程；粗集料；抗滑耐磨性能；试验研究；磨耗衰减；磨光衰减

中图分类号：U416.03              文献标识码：A            文章编号：

 

Experimental Research on Skid-resistance and Wear-resistance Performance Attenuation Law of Coarse Aggregate

TAN Le^1，2，DENG Deyi ²，DENG Haibin²

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2. Highway Administration in Huzhou， Huzhou 313000)

 

Abstract：The attenuation law of skid-resistance and wear-resistance of coarse aggregate was studied in this paper. To achieve this object, physical and mechanical properties of 4 kinds of coarse aggregates including limestone, siliceous limestone, diabase and basalt were measured. Then the attenuation law of polishing value and abrasion value were explored based on the PSV test and los angeles abrasion test. The results indicate that the skid-resistance and wear-resistance performance of coarse aggregate can also be characterized by sturdiness and crushing value. With the increase of the rotation repetitions，the abrasion retention rate of coarse aggregate decreases, the smaller the initial abrasion retention rate is, the higher the abrasion decay rate. With the increase of rotation repetitions, the polishing value shows a descending rate. After a certain amount of rotation repetitions, the polishing value become stable. The polishing value decay curve is close to the nonlinear exponential function curve.

Key Words：road engineering；coarse aggregate; skid-resistance and wear-resistance

performance；experimental research；abrasion attenuation；polishing attenuation

沥青路面抗滑表层是指直接承受车辆荷载、抵抗外界环境因素变化，并具有防滑功能的面层，也被称为磨耗层。而抗滑表层所处的特殊工作环境决定了抗滑表层对粗集料的性能要求较高，一般用于抗滑表层的粗集料应坚硬、耐磨、不透水、良好棱角性、化学稳定性以及与沥青具有良好的粘附性，同时应该洁净、干燥、无风化颗粒和无杂质。实际上，相较于中下面层，抗滑表层对粗集料抗滑耐磨性能提出了更高的要求。目前，评价粗集料抗滑耐磨性能方面的指标主要有磨光值（PSV）、磨耗值（AAV）、冲击值（LSV）、集料硅含量（Silica%）、集料燃烧损失法（LOI）等。磨光值最早由英国运输和道路研究所用于评价集料表面微观构造，该方法在1976年被写进了英国试验规程，现今已成为欧洲评价集料性能的标准方法。磨耗值用于确定石料抵抗表面磨损的能力，磨耗试验是优选石料的一个重要手段，世界上大部分国家的沥青路面规范都对磨耗损失提出了要求。冲击值反映石料抵抗冲击荷载的能力。集料抗冲击能力的强弱在一定程度上决定了路面的服务能力和使用年限，且集料冲击值与磨光值有较好的相关性，因此也会被用来评价集料的抗滑性能^[1]。另外，美国材料与试验协会标准采用集料的硅含量表征集料的耐磨性能^[2]；田纳西理工大学通过测试集料燃烧损失质量来评价集料的耐磨性能^[3]。JTG F50—2004《公路沥青路面施工技术规范》主要以磨光值和洛杉矶磨耗值来评价粗集料的抗磨光和抗磨耗性能，磨光值越大表明集料抗磨光性能越好^[4]，磨耗值越小表明集料抵抗外物磨损的性能越好^[5]。近些年，国内外学者尝试开发粗集料的抗滑耐磨性能评价新方法，如李菁若^[6]提出了自主创新集料板抗滑耐磨性能自动化评价体系，丛林提出了基于维氏硬度的粗集料磨光值衰减模型，从硬度方面去解释集料抗滑磨光性能^[7]。还有些研究者试着从集料表面构造特征等方面研究集料的抗滑耐磨性能，如赵战利^[8]借助图形识别和提取技术探讨了集料棱角性和集料颗粒形状分维的关系, Fwa,T.F. ^[9]研究分析了集料凸出体间距对沥青路面抗滑性能的影响；曹平^[10]从理论上分析了沥青路面宏观构造凸出体的高度和密度对沥青路面抗滑性能影响。

路面粗集料长期经受轮胎的磨损、冲击和碾压等综合作用，会导致裸露的粗集料产生微裂纹随后剥落或原有凸起、棱角等被磨掉，因而要维持较高水平的抗滑能力就需要粗集料在轮胎的长期磨光作用下，不至于大量磨损，大面积磨光。实践表明，除路面微观构造和宏观构造外，粗集料本身的耐磨性能也是影响路面抗滑的重要因素。因此，探索路用粗集料耐磨性能衰减规律对我国公路沥青抗滑表层的使用安全性能具有理论意义与实用价值。

1.      试验原材料及其性能试验

路用粗集料由自然界硬质岩石加工而成的，岩石本身的结构和构造对粗集料的物理力

学特性具有重要影响，而粗集料的某些物理力学特性在很大程度上可以反映粗集料的抗滑耐磨性能。如密度和坚固性可以看出粗集料的致密程度和抵抗破坏的能力，石料的抗压强度可以反映粗集料的强度，而压碎值、磨耗值和磨光值可以反映粗集料潜在的抗滑耐磨性能。

选取贵州省沥青路面抗滑表层常用的4种岩石粗集料：石灰岩粗集料、硅质石灰岩粗集料、辉绿岩粗集料和玄武岩粗集料。表1是4种粗集料的物理力学性能测试结果，由试验结果可知，玄武岩和辉绿岩粗集料的各项物理力学性能优于硅质石灰岩和石灰岩，其中玄武岩和辉绿岩粗集料由于磨耗值和磨光值较大，压碎值较小，其抗滑耐磨性能要明显优于硅质石灰岩和普通石灰岩粗集料。另外可以发现4种粗集料的坚固性和压碎值与磨耗值和磨光值具有一致的抗滑耐磨趋势，也可以反映粗集料抗滑耐磨性能。

表1. 粗集料物理力学性能

集料 名称	表观密度，g/cm3	吸水率，%	坚固性，%	饱和单轴抗压强度，MPa	压碎值，%	磨耗值，%	磨光值
石灰岩	2.71	0.33	3.90	111.8	20.7	25.2	38
硅质石灰岩	2.81	1.29	3.70	134.6	17.7	19.4	45
辉绿岩	3.03	0.48	0.35	147.7	12.0	11.8	50
玄武岩	2.95	0.90	0.62	202.6	10.3	10.0	48

2.      粗集料的磨耗衰减规律 

2.1粗集料洛杉矶磨耗试验

磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果，一般划分为表面的相互作用、表面层的变化和表面层的破坏形式三个过程^[11，12]。车轮与路面集料间的磨损源于轮胎滚动对路面裸露集料的撞击、摩擦等作用，是非常复杂的过程，先是沥青薄膜被慢慢磨损直至将集料暴露，接着部分裸露的集料在车轮摩擦、撞击等作用下，微观凸起部分逐渐被“击碎”，导致集料棱角被磨平，洛杉矶磨耗试验可以模拟车轮与集料的这种磨损行为。

为探究粗集料耐磨性能随磨耗机转数的衰减规律，提出用粗集料磨耗留存率——粗集料经过磨耗仪设定转数的磨耗后，其粒径大于1.7mm的集料占原有粗集料的质量百分比来表征粗集料抵抗磨耗的能力。试验中，分别设定磨耗转动次数250、 500 、750和1000，对4种不同种类粗集料进行洛杉矶磨耗试验，4种粗集料的磨耗衰减试验结果和磨耗留存率与转数关系曲线分别见表2和图1。

2.2磨耗衰减试验结果及分析

由图1可见，4种粗集料的磨耗留存率均随着转数的增大而减小，并成一定的线性规律；随着转数增大，4种粗集料磨耗留存率的差异逐渐拉大，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰减速率越快，抵抗磨耗的能力越弱；采用一元线形回归方法对试验数据拟合，置信水平为0.95，结果见表2，所建立的粗集料磨耗衰减方程对4种粗集料磨耗衰减曲线拟合良好，R²均大于0.99。

图1. 粗集料的磨耗留存率与转数关系曲线

表2. 粗集料的磨耗衰减试验结果

集料名称	洛杉矶磨耗仪钢筒转动次数（N）				磨耗留存率衰减方程	相关系数，R2
	250	500	750	1000
石灰岩	86.1	74.8	65.9	52.2	Q=-0.044N+97.4	0.990
硅质石灰岩	88.4	80.6	70.3	62.6	Q=-0.035N+97.4	0.995
辉绿岩	94.5	88.2	81.4	74.2	Q=-0.027N+101.5	0.999
玄武岩	95.5	90.0	85.4	80.2	Q=-0.020N+100.4	0.998

3．粗集料的磨光衰减规律

3.1粗集料磨光试验

沥青路面在车轮的磨光作用下，使集料的暴露程度越来越大，而集料的微观凸起在车轮压、剪等作用下逐渐被“削平”，路面的摩擦系数开始下降，直至衰减趋于稳定。粗集料的磨光值试验模拟了车轮对沥青路面粗集料的磨光行为，并能探寻粗集料磨光衰减规律，可评价集料潜在的抗磨光作用。

按照JTGE 42—2005《公路工程集料试验规程》对4种粗集料试样进行磨光值衰减试验，为保证磨光值试件的成活率和试验的成功，在加速磨光机道路轮的外弧面和磨光试件之间均匀地垫上土工布；在试件间塞上由土工布剪制成的小垫片以缓解高速转动时试件间产生的压应力；适当增加磨光过程中溜砂速度和水流速度以提高磨光效率，加快试验进程；每轮试验结束后，将试件置于40℃烘箱养护12h，以防止试件破损。

3.2磨光衰减试验结果及分析

为评价不同粗集料磨光特性，本文提出以粗集料磨光衰减速率(V_n) ——n轮磨光后的磨光值（PSV_n）与n-1轮磨光后的磨光值（PSV_n-1）差值反映粗集料抵抗磨光的能力。4种粗集料的6轮磨光衰减试验结果详见表3，由表3可见，4种集料的初始磨光值以辉绿岩的最大为69.2，其余三种集料的初始磨光值基本在65左右，在同一试验条件下进行六轮磨光后，辉绿岩的最终磨光值最大达到40.4，玄武岩和硅质石灰岩其次，分别为37.0和32.8，石灰岩最终磨光值最小为28.4，说明辉绿岩和玄武岩抵抗磨光作用的能力较好，硅质石灰岩其次，石灰岩较差。

表3.粗集料的磨光衰减试验结果

集料名称	磨光轮数（n）								磨光衰减速率(Vn)
	0	1	2	3	4	5	6		V1	V2	V3	V4	V5	V6
石灰岩	65.1	40.2	34.9	31.6	30.1	28.9	28.4		24.9	5.3	3.3	1.5	1.2	0.5
硅质石灰岩	64.8	46.0	42.0	38.9	34.8	33.5	32.8		18.8	4.0	3.1	4.1	1.3	0.7
辉绿岩	69.2	51.2	46.9	43.7	42.1	41.1	40.4		18.0	4.3	3.2	1.6	1.0	0.7
玄武岩	64.9	48.9	45.1	40.7	38.8	37.6	37.0		16.0	3.8	4.4	1.9	1.2	0.6

磨光值衰减试验表明，不同粗集料的磨光值衰减速率和最终衰减幅度存在差异的。图2是玄武岩、辉绿岩、硅质石灰岩和石灰岩4种集料6轮磨光后的试件表面形貌对比图，由图可以看出，玄武岩和辉绿岩表面颜色均一且较深，凹凸性较好，硅质石灰岩表面颜色深浅不一，表面构造具有较大的不均匀性，石灰岩表面颜色最浅，表面粗糙度小，几乎成一光滑平面。玄武岩和辉绿岩是由岩浆喷出地表后冷凝而成，呈隐晶质或玻璃质结构，主要由斜长石、辉石、橄榄石等硬度较高，棱角性较好的矿物构成，这种材料和结构决定了玄武岩具有表面粗糙且耐磨的特性；而石灰岩主要由方解石等碳酸盐构成，硬度较低，颗粒较软，构造均匀，从而导致其易于磨损，保持构造能力较差；与石灰岩相比，硅质石灰岩不再是高纯度的碳酸盐岩，其内部含有较高含量的SiO₂，且SiO₂在岩石结构中形成结核或条带从而使硅质石灰

岩形成材质不均、组分硬度差异大的特殊形态，不但提高了自身的抵抗磨光的能力，而且在磨损中会形成构造重生的能力，有利于集料的抗磨光。

图2. 四种粗集料6轮磨光后形貌对比图

另外，从图3粗集料磨光值衰减趋势图来看，4种粗集料的磨光初始值相差不大，但开始几轮磨光后的磨光值差异逐渐拉大，后期几轮磨光后磨光值差异开始减小且渐趋于稳定；开始的几轮磨光试验中，粗集料的磨光衰减速率较快，但随着磨光轮数的增加，粗集料磨光衰减速率逐渐减小，最后趋于零；玄武岩和辉绿岩粗集料平均磨光衰减速率明显小于硅质石灰岩和石灰岩，说明辉绿岩和玄武岩抵抗磨光的能力优于硅质石灰岩和石灰岩。根据磨光值衰减趋势可知，衰减曲线并非简单的线性形式，而是先快速下降后变慢直至趋于稳定，比较接近非线性指数函数曲线。

图3.四种集料磨光值衰减趋势图

4.结论

（1）玄武岩和辉绿岩粗集料的各项物理力学性能优于硅质石灰岩和石灰岩，其中抗滑耐磨性能要明显优于硅质石灰岩和石灰岩；粗集料的坚固性和压碎值与磨耗值和磨光值具有一致的抗滑耐磨趋势，也可以反映粗集料的抗滑耐磨性能。

（2）粗集料的磨耗留存率均随着转数的增大而减小，并成一定的线性规律；随着转数增大，磨耗留存率的差异逐渐拉大，且初始磨耗留存率越小，磨耗衰减速率越快，抵抗磨耗的能力越弱；采用一元线形回归方法对试验数据拟合，建立的粗集料磨耗衰减方程对粗集料磨耗衰减曲线拟合良好。

（3）粗集料的磨光初始值相差不大，但开始几轮磨光后的磨光值差异逐渐拉大，后期几轮磨光后磨光值差异开始减小且渐趋于稳定；随着磨光轮数的增加，粗集料磨光衰减速率逐渐减小，最后趋于零；磨光值衰减曲线比较接近非线性指数函数曲线。

 

 

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