钢渣沥青路面纹理加速磨损机理研究.pdf

新型建筑材料圆园23援110引言路面的抗滑性能对行车安全及其舒适性都至关重要，大部分发生的交通事故都与路面抗滑性能降低有关1，而影响路面抗滑性能最重要的因素是路面纹理，高速路面抗滑性能主要受宏观纹理的影响，正确评价分析路面纹理对路面抗滑性能的影响具有重要意义2-3。美国国家运输安全委员会（NTSB）和联邦公路管理局（FHWA）的研究表明路面抗滑性能不足是导致交通事故的主要原因。据统计，大约 32.3%的交通事故发生在雨天或湿滑路况下，而其中约有 70%的事故可以通过提高道路的抗滑性能来避免4-5。为了研究影响抗滑性能的因素，研究人员从多方面对路面的抗滑性进行了深入研究。关于路面的纹理研究，王兆仑通过对开发的高黏度抗滑封装薄层研究，表明路面纹理的变化将直接影响路面的抗滑性能6。Chen 等7-8提出一种基于环三相机的自动近距离摄影测量方法，能够保证提取纹理信息的完整性。Do 等9研究了路面纹理的演变以及路面抗滑性能的变化趋势，结果表明，路面纹理变化和路面抗滑性能之间存在重大关联。Du 等10结合实际交通量和三维纹理参数建立了宏观纹理预测模型和谱域纹理参数预测模型，用于低速情况下沥青路面摩擦系数的预测。Nataadmadja 等11通过骨料的磨耗抛光实钢渣沥青路面纹理加速磨损机理研究巴怀强（中铁建云南投资有限公司，云南 昆明650000）摘要：沥青路面良好的抗滑性能是保证行车安全的重要前提，选择合理的抗滑评价指标和评价方法也同样重要。选择钢渣和玄武岩作为粗集料，按照高速路面表面层的一定比例来铺设试验路面，采用全尺寸加速加载设备模拟车辆行驶进行加速加载实验，设定固定加载次数，在每个加载阶段完成以后利用高精度三维纹理采集设备采集路面磨损后的纹理数据，提取纹理参数结合路面纹理分析路面的磨损过程。结果表明：随着加载次数的增加，路面纹理被逐渐磨损，纹理参数 Sk、Spk、Svk、Spq在加载 20 万次以内变化趋势基本不大，但在 30 万60 万次时，下降速度很快，该阶段路面纹理被磨损得很严重，抗滑性能下降较快；钢渣沥青混合料和玄武岩混合料磨损程度基本相同。关键词：沥青路面；抗滑性能；钢渣；玄武岩；纹理参数中图分类号：TU535文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0122-04Study on the mechanism of accelerated wear of steel slag asphalt pavement textureBA Huaiqiang（China Railway Construction Yunnan Investment Co.Ltd.，Kunming 650000，China）Abstract：Good skid resistance of pavement is an important prerequisite to ensure the safety of driving.And the selection ofreasonable anti-skid evaluation index and evaluation method is also an important prerequisite.Firstly，steel slag and basalt areselected as coarse aggregate，and the test pavement is laid according to a certain proportion of the surface layer of high-speedpavement.Secondly，full-size accelerated loading equipment is selected to simulate the accelerated loading experiments of vehicledriving，and a fixed number of loading times is set，and texture data of the pavement after wear are collected by high-precisionthree-dimensional texture acquisition equipment after each loading stage is completed，and finally，texture parameters are extractedto combine with the texture of pavement to analyze the wear process of the pavement.The results show that：with the increase ofloading times，the pavement texture is gradually worn，the change trend of texture parameters Sk，Spk，Svk，Spqin the loading of200 000 times is basically not big，but between 300 000 times to 600 000 times，the rate of decline is very fast，in this stage，abra原sion of the pavement texture is very serious，anti-skid performance declined faster；steel slag asphalt mixtures and basalt mixturesshow that the wear degree is basically the same.Key words：asphalt pavement，skid resistance，steel slag，basalt，textural parameters基金项目：云南省交通运输厅科技项目（云交科教202139 号）收稿日期：2023-10-19作者简介：巴怀强，男，1979 年生，高级工程师，E-mail：。中国科技核心期刊122晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂验研究路面的磨损情况，结果表明，路面纹理变化对骨料岩相特征具有强烈依赖性。Ding 等12通过数字图像处理技术实现了路面纹理的三维重建和分割，结果表明，在纹理深度为 35mm 时，路面的防滑值与纹理表面积呈显著正相关，纹理表面积可以作为评价路面使用寿命期间抗滑性能的指标。本研究以钢渣和玄武岩作为骨料，按照实际路面的比例铺设试验路面，进行加速加载实验，设置不同加载阶段，每个加载阶段结束后采集纹理图片，对钢渣/玄武岩沥青路面的表面纹理磨损情况进行分析研究，从而研究路面纹理变化的磨损机理。1实验1.1原材料沥青：SBS 改性乳化沥青；集料：钢渣和玄武岩。根据 JTGE202011公路工程沥青和沥青混合料试验程序和 JTGE422005 公路工程骨料试验规程 测试了沥青和集料的基本性能指标具体见表 1、表 2。表 1SBS 改性乳化沥青的基本性能指标表 2集料的性能指标纤维：木质素纤维，来源于楚雄某木质素纤维厂，吸油率8.9 g/g，吸湿率 20.84 g/g。1.2配合比设计本实验路面选用级配为高速公路常用的 SMA-13 级配，按照实验要求和相关级配设计相应的级配，钢渣、玄武岩沥青混合料的配合比见表 3。表 3钢渣、玄武岩沥青混合料的配合比1.3实验过程道路表面加速加载实验（APT）是一种旨在模拟道路结构在长期载荷作用下性能变化的实验，以便进行可控性测试，如图 1 所示。本研究选用直道加载设备，设计加载次数分为 20万次、40 万次、60 万次、80 万次 4 个阶段，每个阶段结束后，钢渣/玄武岩试验路面各选取 2 个测点利用 RigelScan Ultra型三维扫描仪采集路面纹理图片。图 1加速加载实验仪器2实验结果与分析2.1实验路面纹理参数选择本研究选择路面纹理参数中的 Sk、Spk、Svk、Spq作为研究对象。通过纹理参数的变化来分析沥青路面纹理的磨损情况及其机理。Sk（峰度，kurtosis）：Sk是表面粗糙度的峰度参数，用于描述表面高度分布的尖锐程度。具体来说，Sk衡量了高度分布的尖锐程度。当 Sk为正时，高度分布具有较尖的尾部，表示表面上存在更多极端值（峰和谷）。当 Sk为负时，高度分布具有较平坦的尾部，表明高度值更为集中。Sk越大，表面粗糙度的尖锐程度越高。Spk（核心峰谷高度差，peak core height）：Spk是表面粗糙项目钢渣集料 玄武岩集料 技术要求压碎值11.213.5臆28磨耗值/%11.616.8臆303.6583.015逸2.503.5263.0230.8651.305臆300.9872.568针片状含量/%9.106.5臆180.075 mm 颗粒含量/%0.120.29臆18软石含量/%1.50.7臆5黏附等级55逸4表观相对密度/（g/cm3）粒径 1015 mm粒径 510 mm吸水率/%粒径 1015 mm粒径 510 mm项目测试值指标要求针入度（25 益，5 s，100 g）/0.1 mm5140耀60针入度指标 PI0.312逸0延度（5 cm/min，5 益）/cm32逸20软化点（环球法）/益78逸60135 益运动黏度/（Pa s）1.64臆3闪点/益301逸230密度（15 益）/（g/cm3）1.06实际要求25 益弹性恢复率/%81.5逸75贮存稳定性离析，48 h 软化点差/益1.9臆2.5-0.0322依1.077.8逸6561逸15RTFOT 试验后（163 益，5 h）质量损失率/%针入度比（25 益，5 s，100 g）/%延度（5 cm/min，5 益）/cm纤维/%沥青/%510 mm 05 mm 填料481690.95.63118110.95.6各粒径集料占比/%1015 mm2740项 目钢渣沥青混合料玄武岩沥青混合料巴怀强：钢渣沥青路面纹理加速磨损机理研究123新型建筑材料圆园23援11度参数之一，用于描述表面上峰与核心之间的高度差。峰是表面上的一个高点，核心是在峰的最高点到另一个峰之间的部分。Spk反映了峰与核心之间的高度差异，通常用于描述表面的峰谷结构。Svk（核心峰谷谷值差，valley core valley）：Svk也是一种表面粗糙度参数，它表示表面上谷与核心之间的高度差。谷是表面上的低点，核心是在一个谷的最低点到另一个谷之间的部分。Svk描述了谷与核心之间的高度差异，通常用于描述表面的峰谷结构。Spq（峰谷高度差，peak to valley height）：Spq是另一种表面粗糙度参数，它表示从表面上的最高点到最低点之间的高度差，反映了表面的整体高度变化。通常用于描述表面的整体高度差异。2.2纹理参数提取本研究选用的 SMA-13 钢渣/玄武岩沥青路面，采集纹理存在空隙，因此需要对采集的纹理进行后期处理，如图 3 所示。处理完成以后，提取纹理数据中的 Sk、Spk、Svk、Spq等纹理参数，如图 4 所示。图 3纹理修补图 4参数提取2.3表面纹理变化分析本研究中钢渣/玄武岩沥青路面在经过加速加载设备加载以后，其表面纹理发生显著变化，对比分析玄武岩和钢渣沥青路面初始、40 万次、80 万次表面形态变化，如图 5 所示。由图 5 可以观察到，随着加载次数的逐渐增加，钢渣/玄武岩沥青路面的表面纹理形态特征经历了显著的变化。初期图 5钢渣/玄武岩沥青路面纹理随加载次数的变化时，有沥青膜包裹，路面粗糙度很高，抗滑性能很好；当加载到40 万次时，沥青膜大部分脱落，路面纹理部分被磨平，抗滑性能有所下降；当加载到 80 万次以后，沥青膜大部分脱落，路面的抗滑性能主要由集料提供，钢渣和玄武岩在磨损过程，钢渣相对更加耐磨。钢渣/玄武岩沥青路面纹理参数 Sk、Spk、Svk、Spq随加载次数变化的曲线如图 6 所示。由图 6 可以观察到，纹理参数都随着加载次数的增加而减小，Sk逐渐减小说明沥青路面的一些高度极端的特征，如凸起或深坑，这些高度极端特征会逐渐被磨平，使高度分布变得巴怀强：钢渣沥青路面纹理加速磨损机理研究124晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 6钢渣/玄武岩沥青路面纹理参数随加载次数的变化更平均。Spk的逐渐减小表明沥青路面的峰和核心之间的高度差异在减小，路面正在逐渐变得更平坦，或者表面上的高点和核心之间的高度差异逐渐减小。Svk的逐渐减小表明路面的谷和核心之间的高度差异在减小，路面可能正在逐渐变得更平坦，或者表面上的低点和核心之间的高度差异逐渐减小。Spq的逐渐减小表明路面的整体高度差异在减小，路面可能正在逐渐变得更平坦和均匀。钢渣/玄武岩沥青路面随着加载次数的增加，纹理参数Sk、Spk、Svk、Spq在加载 20 万次以内变化趋势基本不大，但是在30 万60 万次时，下降速度很快，表明在这个阶段路面纹理被磨损得很严重，抗滑性能急剧下降。3结论（1）钢渣/玄武岩沥青路面在加载 40 万次以后，路面纹理变化较大，路面抗滑性能下降较快，当加载到 80 万次时，路面纹理大部分被磨平，变化基本趋于稳定。（2）钢渣/玄武岩沥青路面随着加载次数的增加，纹理参数 Sk、Spk、Svk、Spq在加载 20 万次以内变化趋势基本不大，但是在 30 万60 万次时，下降速度很快，表明在这个阶段路面纹理被磨损得很严重，抗滑性能急剧下降。（3）钢渣/玄武岩沥青路面中，二者沥青膜的脱落情况基本相同，磨损情况基本相同。参考文献：1黄晓明，郑彬双.沥青路面抗滑性能研究现状与展望J.中国公路学报，2019，32（4）：32-49.2朱洪洲，廖亦源.沥青路面抗滑性能研究现状J.公路，2018，63（1）：35-46.3高茜楠，呙润华，耿靖杰.基于纹理分形特性的沥青路面抗滑性能研究综述J.交通信息与安全，2022，40（5）：12-22.4Saha P，Ksaibati K.An optimization model for improving highwaysafetyJ.Journal of Traffic and Transportation Engineering（Eng原lish ed.Online），2016，3（6）：549-558.5Miao Y，Zhi Y，Zhanping Y，et al.Laboratory investigation of trafficeffect on the long-term skid resistance of asphalt pavementsJ.Construction and Building Materials，2023，401：132642.6王兆仑，刘朝晖，高建华.高粘度抗滑封装薄层沥青路面长效协同作用机理分析J.材料导报，2019，33（S2）：242-246.7Chen J，Huang X，Zheng B，et al.Real-time identification system ofasphalt pavement texture based on the close-range photogramme原tryJ.Construction and Building Materials，2019，226：910-919.8Dong，Sen H，Qixin Z，et al.Three-dimensional evaluation methodfor asphalt pavement texture characteristics J.Construction andBuilding Materials，2021，287（3）：122966.9Do T M，Cerezo V，Ropert C.Questioning the approach to pre原dict the evolution of tire/road friction with traffic from roadsurface texture J.Surface Topography Metrology and Properties，2020，8（2）：024004.10Du Y，Li Y，Jiang S，et al.Mobile Light Detection and Rangingfor Automated Pavement Friction Estimation J.TransportationResearch Record，2019，2673（10）：663-672.11Nataadmadja A，Do M，Wilson D，et al.Quantifying aggregatemicrotexturewithrespecttowearCaseofNewZealandaggregatesJ.Wear，2015，332-333.12Ding S，Wang K C P，Yang E，et al.Influence of effective texturedepthonpavementfrictionbasedon3Dtexturearea J.Construction and Building Materials，2021，287（5-6）：123002.蒉巴怀强：钢渣沥青路面纹理加速磨损机理研究125