铝矾土熟料耐磨性及其沥青混合料抗滑性能研究

• 作 者: 吴喜荣
• 机 构: 长安大学
• 出 处: 长安大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 铝矾土熟料 表面纹理 衰变特性 耐磨特性 衰减模型 衰减机理

沥青路面抗滑性能决定着沥青路面寿命和行车安全。集料是沥青混合料中的重要组成部分,对抗滑耐磨性能有重要的影响。目前,常用集料的沥青路面抗滑性能衰减速率很快,特别是在长大纵坡、长隧道及下坡急弯处等危险路段,这些危险路段抗滑性能的加速衰减是造成事故频发的重要原因。因此,选择高耐久抗滑型集料是提高路面抗滑性能、提升道路交通安全的重要途径之一。铝矾土熟料由铝矾土矿石经高温煅烧而成,是高铝质制品及不定形耐火材料的重要原料,因其优良的耐磨性能和抗滑性能,在欧美国家抗滑路面中应用广泛。我国是世界上铝土矿资源最丰富的国家,目前还没有对铝矾土熟料在路面上的应用开展相关研究。基于铝矾土熟料较玄武岩等抗滑集料具有更优抗滑性和耐磨性的优势,经济条件允许,可将其应用在沥青混合料中来提升路面整体的抗滑性能;经济条件不允许时,可将其应用在长大纵坡、长隧道及下坡急弯处等危险路段和抗滑性能衰减速率快的地段,解决和减少现有集料的耐磨性能较差和抗滑性能衰减快而引发的行车安全问题。本文综合采用X射线荧光光谱仪（XRF）、扫描电子显微镜、能谱仪（EDS）、压汞仪等现代测试设备表征了铝矾土熟料的理化特性和结构组成;采用激光共聚焦扫描显微镜和RTEC摩擦磨损试验测定了集料的三维微观形貌和摩擦特性,建立了铝矾土熟料耐磨性评价模型;基于CATIA和ABAQUS/CAE工具、AMES路面纹理激光扫描仪,室内加速加载试验,系统研究了铝矾土熟料集料的耐磨性能及其影响因素;利用剥落实验、搅动水静吸附法和表面能理论,研究了铝矾土熟料与沥青黏附性能,考察了铝矾土熟料沥青混合料的高温性能、水稳性能、低温性能和抗裂性能;基于加速加载试验下的沥青混合料纹理特性,考察了矿料分异、矿料类型、沥青膜厚度、紫外老化、热老化对铝矾土熟料沥青混合料抗滑性能的影响。本研究取得的主要成果如下:（1）根据不同种类铝矾土熟料的结构、组成和纹理特性,建立铝矾土熟料块料耐磨特性的评价方法。对影响耐磨特性的影响因素,矿物组成、等效杨氏模量、纳米硬度及硬度离散度进行分析,建立耐磨性与纳米硬度和硬度离散度的关系模型,评价不同种类铝矾土熟料的耐磨性,结合铝矾土熟料的物理化学特性和长期耐磨性分析结果建立了铝矾土熟料集料的技术指标和标准。本文建立块料耐磨性评价方法和评价模型可以用来评价铝矾土熟料的耐磨性能,填补目前规范没有铝矾土熟料耐磨性能评价方法和铝矾土熟料集料评价指标的空白。建立的铝矾土熟料集料技术指标和标准为铝矾土熟料在抗滑表层及其它层次中的应用提供依据。（2）对矿料空间布局与不同粒径组合对抗滑性能影响分析得出影响抗滑性能的关键筛孔是集料最大公称粒径和9.5mm～4.75mm,从矿料分异型沥青混合料长期抗滑性能的分析结果也证明了最大公称粒径和9.5mm～4.75mm这两档的集料不易采用劣质集料来替代。平均断面深度（MPD）是随着矿料组合中粗集料含量增加而变大,MPD值可以作为评价矿料间是否密实的指标,在矿料粗集料级配压实过程中,MPD最小值对应粗集料级配最密实状态。集料的空间分布会对摩擦特性产生影响,有限元模拟表明轮胎与集料接触面积越大,摩擦力越大,并通过室内沥青混合料试件集料的剥落试验结果验证了该模型的有效性。加速加载试验结果表明集料的粒径越小,不同集料间摩擦系数的差异也越小。从铝矾土熟料长期抗滑性能的衰变规律可知,影响沥青混合料长期抗滑性能差异的主要因素是集料的粒径大小和集料的耐磨特性。（3）铝矾土熟料沥青混合料的低温性能、抗裂性能和水稳定性能弱于同类型混合料的石灰岩和玄武岩,掺入部分石灰岩和增加沥青的用量可以提高铝矾土熟料沥青混合料的水温性能和抗裂性能。铝矾土熟料沥青混合料的高温性能优于同类型混合料石灰岩和玄武岩。从集料和沥青混合料两个角度的研究成果表明铝矾土熟料耐磨性能及其混合料抗滑性能优于玄武岩和石灰岩。（4）沥青混合料内部结构和集料的磨耗是造成沥青混合料抗滑性能加速衰减的主要因素,而沥青的老化、剥落和流变在抗滑性能的加速衰减阶段和缓慢衰减阶段起次要作用。建立了综合考虑不同因素影响下的沥青混合料抗滑性能衰变模型。基于沥青混合料抗滑性能平稳期持续时间长,以平稳期的抗滑性能作为划分沥青混合料抗滑性能分级的标准,确定了沥青混合料抗滑性能等级,将Rsk作为路面磨损的评价指标。另外,沥青混合料不同衰减阶段衰减机理的确定,可为维持和提升沥青混合料抗滑性能而在设计和施工阶段采取有效措施提供参考。