沥青混合料力学性能与集料形状关系

沥青混合料及其力学性能分析摘要：目前我国高等级公路主要采用沥青路面结构形式，沥青混合料性能的好坏直接影响到公路的服务功能和使用年限。

现代重载交通要求沥青混合料具有优良的高温稳定性和其它性能；为提高沥青混合料的性能、实现混合料性能的优化，近年来先后出现了大量的新材料和新理论。

本文首先对沥青混合料的级配构成原理进行了分析，其次对其力学性能做出了分析。

关键词：沥青混合料力学性能级配构成1引言随着生产力的发展，现代道路工程的特点反映出愈来愈鲜明的功能化。

为了满足日趋复杂、高效的现代化生产过程和日益上涨的生活水平所提出的各种功能要求，道路工程的使命愈来愈艰难。

从这个意义上看，现代道路工程面临着一场革命作为道路工程中广泛使用的一种复合材料，沥青混合料是由沥青、矿粉、集料、等多种具有不同力学特性、不同几何形状尺寸的材料所构成的具有多相结构的非各向同性材料。

本文主要对沥青混合料及其力学性能进行了研究，希望能够为沥青混合料的技术发展提供帮助。

2新型沥青混合料的级配构成原理分析2.1沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）沥青玛蹄脂碎石（简称SMA）是一种由沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂混合料填充于间断级配的矿料骨架中所形成的沥青混合料。

其4.75mm以上的集料含量在70%-80%左右，同时小于0.075mm的填料含量通常达到10%，而0.6-4.75mm的颗粒通常仅有10%左右，而AC-I型混合料的0.6-4.75mm的颗粒通常达30%。

因此SMA混合料是典型的由填料填充在粗集料形成的骨架空隙中形成的骨架密实结构。

2.2多碎石沥青混凝土（SAC）多碎石沥青混凝土（SAC；）是由我国沙庆林院士于1988年提出的一种沥青混凝土结构形式。

其定义为；4.75mm以上的碎石含量占主要部分的密实级配沥青混凝土。

SAC是在总结我国传统的工型和II型沥青混凝土的有缺点的基础上提出的。

我国传统的工型沥青混凝土空隙率为设计3-6%，因此耐久性好、透水性小，但表面构造深度较小；同时由于细集料试用较多，粗集料悬浮于沥青和细集料所组成的密实体系中，因此混合料的稳定性随温度的增加下降明显，从而易出现车辙等病害。

道路沥青的应力和形变特性分析道路沥青作为一种常用的道路材料，在公路建设和维护中起着重要的作用。

了解道路沥青的应力和形变特性对于设计和维护道路具有重要的意义。

本文将对道路沥青的应力和形变特性进行分析。

首先，了解道路沥青的应力特性是非常重要的。

应力是指单位面积内的力的大小，是材料内部产生的单位体积的内力。

道路沥青在不同的荷载作用下会受到不同的应力。

常见的应力包括拉应力、压应力、剪应力等。

拉应力是指材料内部沿拉力方向产生的内力，压应力是指材料内部垂直于作用力方向产生的内力，而剪应力则是指材料内部平行于作用力方向产生的内力。

我们需要关注道路沥青在不同应力作用下的承载能力和变形情况。

进一步分析道路沥青的形变特性也是必要的。

形变是指物体在外力作用下发生的位置或形状的变化。

道路沥青在受到荷载作用时会发生形变，主要有弹性变形和塑性变形。

弹性变形是指在外力作用下材料发生形变，但在去除外力后能够恢复原状的一种形变。

而塑性变形则是指在外力作用下材料发生形变，去除外力后无法恢复原状，会产生永久变形。

对于道路沥青来说，我们需要了解它在不同荷载作用下的形变程度，以确定其承载能力和使用寿命。

同时，分析道路沥青的应力和形变特性还需要考虑其材料特性。

道路沥青是一种沥青混合料，主要由石质骨料和黏合剂组成。

石质骨料具有一定的强度和稳定性，能够承受一定的荷载，而黏合剂能够使骨料之间产生粘结力，形成稳定的路面结构。

了解沥青混合料的成分和特性，能够帮助我们更好地分析道路沥青的应力和形变特性。

为了准确分析道路沥青的应力和形变特性，我们可以采用一些测试方法和数学模型。

常用的测试方法包括承载能力试验、动态拉伸试验、变形试验等。

这些试验可以通过施加不同的荷载和测量变形量来获取沥青的应力和形变特性。

此外，使用数学模型也可以对道路沥青的应力和形变进行模拟和预测。

数学模型可以通过建立沥青的应力-应变关系，以及考虑不同荷载、温度和时间等因素，来分析沥青的应力和形变特性。

两种沥青混合料性能比较作者：纪国亮,王丽丽来源：《科技传播》2011年第23期摘要 SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料和ARHM13（W）沥青混合料适用于高等级沥青路面，具有很好的路用效果。

对比这两种沥青混合料各项性能指标，高温稳定性和低温抗裂性能相差不多，都能满足规范要求，考虑经济性性能ARHM13（W）则更能体现出优势。

关键词沥青胶结料；合成级配；验证试验；经济效益中图分类号TU5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）56-0142-020 引言橡胶沥青混合料是采用干拌或湿拌工艺生产的沥青混合料。

干拌工艺是将废胎胶粉与沥青、矿料一起投放到拌和楼里拌和；湿拌工艺是将废胎胶粉和沥青加工形成橡胶沥青后，再与矿料拌和。

橡胶沥青混合料主要类型有：ARHM（W）湿拌法橡胶沥青混凝土密级配（《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》）；AR-AC13湿拌法富沥青断级配橡胶沥青混合料。

SMA是由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成沥青玛蹄脂碎石结合料填充间断级配的粗骨料骨架间隙而组成的沥青混合料。

SMA材料结构特点为“三多一少”——粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少。

SMA路面结构不仅具有高温重载条件下很好的抗车辙性能，而且低温性能良好。

1 SMA-13和ARHM13（W）的比较本文就SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料和ARHM13（W）沥青混合料从材料选择、合成级配、最佳沥青用量、验证试验、经济效益五个方面论证的加以比较。

1.1 材料选择选择材料是生产优质沥青混合料的关键步骤。

沥青混合料的原材料包括沥青和矿料。

SMA-13选用符合规范[1]要求的SBS改性沥青；ARHM13（W）选择符合规范[1]规定70号沥青掺入20%橡胶粉。

试验指标满足技术要求。

矿料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能、颗粒形状直接关系到沥青混合料的抗车辙能力。

两种沥青混合料对于矿料的选择基本相同，都必须符合规范[1]各项指标要求。

浅谈沥青混合料的强度理论桂斌(固始县公路管理局，河南固始465200)工墨堡苤瞒要】沥青混合辛}。

在路面结构中的强度随温度而变，在高温时，沥青湿合科处于塑性状态，抗剪强度大大降低，且垫丝变形过剩而产生推挤现象，在高温时，结构物接近掘被，强度虽高，但抗裂睦不足，结构物易产生裂缝。

D獭】沥青混合科；影响因素；测定方法沥青混合料在路面结构中的强度随温度而变，在高温时，沥青混合料处于塑性状态，抗剪强度大大降低，且塑性变形过剩而产生推挤现象，在高温时，结构物接近板状，强度虽高，但抗裂性不足，结构物易产生裂缝。

目前认为沥青混合料的组成结构是属于分散体系，所以主要考虑混合料在高温时必须具备有一定的抗剪强度和抵抗变形能力，总称为高温的强度和热稳定性。

目前对于沥青混合料在常温时的破坏机理研究得还不够，一般都倾向于采用库伦内摩擦理论分析其强度，得到计算结果。

沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿物物理化学交互作用而产生的粘聚力，以及矿料在沥青混合料中分散程度不同而产生的内摩阻角。

￡=配&) C、＆值—般可通i捌试验直接获得，亦可通过测定无侧限抗压强度和劈裂抗拉强嚏予以换算。

沥青混合料的粘聚力是许多因素的函数，最主要的有沥青本身的性质如沥青的粘滞度、化学性质等，矿粉性质如矿物成分、表面积大小等，以及沥青与矿粉用量比例等。

1沥青的粘滞度对沥青混合料强度的影响沥青混凝土作为一个具有多级空间网络结构的分散体系从其最粗一级网络结构看，它是各种矿质集料分散在沥青中的分散系。

在其他因素固定的情况下，沥青混合料的粘结力随沥青材料的粘滞度增大而增大。

因为沥青的粘滞度大即表示沥青内部的胶团相互位移时，其分散介质抵抗剪切作用的抗力大，必然影响到沥青混合料的粘滞阻力增加，这对提高混合料的抗剪强度，特别是受瞬时荷载时更为明显。

2沥青与矿料之间的吸附作用列宾研究认为：沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿科表面形成一层扩散结构膜。

第七章沥青混合料的组成设计沥青混合料从颗粒均匀预涂沥青的沥青涂层碎石(coated stone)到沥青玛碲脂(mastic asphalt)其成分变化无穷。

然而，沥青混合料大体上可以分为沥青混凝土(asphalt)和沥青碎石(macadam)两大类。

沥青混凝土与碎石的主要区别如下：●沥青混凝土的集料级配一般由颗粒大致均匀的粗集料加上大量的细集料和很少量的中等大小的集料组成。

●沥青混凝土的强度与砂／填料／沥青成份的劲度即沥青砂浆有关；为了砂浆要有足够的劲度，制造沥青混凝土时要用比较硬的沥青和含量高的填料；至于沥青碎石的强度，主要是依靠摩擦和集料颗粒间的机械互锁力，因此可以用较软等级的沥青。

●由于沥青混凝土含的填料比例很大，也即是集料有大幅的表面积要用沥青裹覆，因而沥青用量较高；而沥青碎石含细小的集料少，因此用以裹覆集料的沥青少量也够了；沥青碎石内的沥青主要功能是在压实时作为润滑剂和在使用过程中粘结着集料颗粒。

●沥青混凝土的空隙率低，基本上不透水并且用予繁重交通的道路上非常耐久；沥青碎石的空隙率相对较高而具透水性，并不如前者耐久。

从沥青涂层碎石到沥青玛蹄脂各种沥青合料中，使用的沥青等级愈来愈硬，沥青、矿料和砂的含量增加，粗集料含量减少。

图7-1 各种沥青混合料的典型级配曲线§7．1道路沥青混合料的种类与性质7．1．1沥青混凝土用不同粒径的碎石、天然砂、矿粉和沥青按一定比例以及最佳密实级配原则设计、在拌和机中热拌所得的混合料称沥青混凝土混合料。

这种混合料的矿料部分应有严格的级配要求。

它们经过压实后所得的材料具有规定的强度和孔隙率时称作沥青混凝土。

沥青混凝土的强度和密实度是一般沥青混合料中最大的，但它们在常温或高温下都具有一定的塑性。

沥青混凝土的高密实度使得它水稳性好，因此有较强的抗自然侵蚀能力，故寿命长、耐久性好，适合作为现代高速公路的柔性面层。

从国外以及国内的工程实践来看，以沥青混凝土作为高等级公路或城市道路的路面材料已经相当普遍。

第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.3March,2024路用集料形貌特征参数分析与性能评价王永亮1,2,易江涛1,刘㊀悦3(1.重庆大学土木工程学院,重庆㊀400045;2.青海省交通控股集团有限公司,西宁㊀810000;3.长安大学材料科学与工程学院,西安㊀710061)摘要:沥青路面的长期抗滑性能取决于集料的抗磨光/耗性能,准确快速计算集料的形貌特征十分重要㊂本文引入一种新型高抗滑路用集料 88#煅烧铝矾土,采用Image-Pro-Plus 6.0(IPP)㊁IBM SPSS Statistics 26.0(SPSS)等数字图像处理软件对集料形貌特征进行分析评价㊂同时对不同磨光次数下集料形貌特征参数的变化进行灰熵关联分析,得到各集料形貌特征参数与其磨光值(PSV)的灰熵关联度㊂结果表明,采用IPP 软件能够准确获得各集料的形貌特征参数,并且,相较于传统路用集料,88#煅烧铝矾土具有更加丰富的棱角特性及较高的粗糙度㊂通过灰熵关联分析得到,分形维数与PSV 之间的相关性最显著㊂关键词:道路工程;路用集料;煅烧铝矾土;Image-Pro-Plus 6.0;形貌特征参数;分形维数;灰熵关联度中图分类号:U414㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-1143-10Morphological Characteristic Parameter Analysis and Performance Evaluation of Road AggregateWANG Yongliang 1,2,YI Jiangtao 1,LIU Yue 3(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Qinghai Transportation Holding Group Co.,Ltd.,Xining 810000,China;3.School of Materials Science and Engineering,Chang an University,Xi an 710061,China)Abstract :The long-term anti-skid performance of asphalt pavement depends on the skid-resistant and abrasion-resistant performance of aggregates,so it is very important to calculate the morphological characteristics of aggregates accurately and quickly.In the research,88#calcined bauxite,a new type of high skid resistance road aggregate,was introduced.Image-Pro-Plus 6.0(IPP),IBM SPSS Statistics 26.0(SPSS)and other digital image processing softwares were used to analyze and evaluate the morphological characteristics of aggregates.Meanwhile,grey entropy correlation analysis was carried out to obtain the grey entropy correlation degree between the aggregate morphological characteristic parameters and polished stone value (PSV)under different polishing times.The results show that the morphological characteristic parameters of each aggregate can be accurately obtained by IPP software,and compared with traditional aggregates,88#calcined bauxite has richer angular characteristics and higher roughness.According to grey entropy correlation analysis,the correlation between fractal dimension and PSV is the most significant.Key words :road engineering;road aggregate;calcined bauxite;Image-Pro-Plus 6.0;morphological characteristic parameter;fractal dimension;grey entropy correlation degree 收稿日期:2023-10-23;修订日期:2023-12-10基金项目:青海省基础研究计划(2024-ZJ-706)作者简介:王永亮(1986 ),男,正高级工程师㊂主要从事岩土及地下工程的研究㊂E-mail:liang.1630@通信作者:易江涛,博士,教授㊂E-mail:yjt0802@ 0㊀引㊀言行车与路面之间缺乏摩擦力是导致交通事故频发的重要因素,而骨料的长期抗磨性能对沥青路面的耐久性及抗滑性能有重要影响,因此沥青路面所用集料应具备良好的抗滑性能以保证路面交通安全[1-4]㊂大规模发展道路交通导致大量优质石料被快速消耗,而传统路用集料的性能往往会在未达到服役年限时就大1144㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷幅劣化,这会加快石料的消耗速度,以及增加道路铺筑㊁养护的成本㊂随着路用抗滑集料研究不断深入,对高性能路用集料进行全面分析探索具有十分重要的意义[5-6]㊂沥青路面的抗滑性能主要由道路表面的宏观纹理和集料的微观纹理决定㊂其中,宏观纹理受沥青混合料级配的影响,决定了车辆在高速行驶下路面的摩擦性能与排水能力,微观纹理主要受集料的棱角㊁形状㊁粒径及表面纹理等特性影响㊂因此集料形貌特征及物化组成对磨耗层的抗滑性能有重要影响,其中磨光值(polished stone value,PSV)㊁分形维数及棱角参数影响最显著[7]㊂杜少文等[8]研究了粗集料形貌特征对混合料稳定性及强度的影响,发现粗集料的棱角特性与表面宏观构造指数之间存在相关性,粗集料的尺寸及形貌特征会对沥青路面的使用性能产生影响,选用表面纹理丰富㊁晶粒尺寸较小㊁硬度及强度较高的骨料有利于保证抛光时沥青混合料具有足够的抗滑性能[7]㊂Kutay等[9]提出采用圆度表征集料的形状特征,研究发现较高圆度可提高集料间的嵌挤效应㊂Kuang等[10]利用棱角参数来表征石灰石和花岗岩在不同磨损时间下的粗糙度并研究了粗集料表面纹理与磨损次数的关系,结果表明在磨损试验的作用下,石灰石的表面更加光滑,其棱角度指数明显低于花岗岩㊂目前关于集料形貌的研究多数围绕传统路用集料展开,对新型路用集料相关研究较为缺乏㊂关博文等[11]评价了包含88#煅烧铝矾土在内的三种集料的抗滑性能,结果表明采用88#煅烧铝矾土制备的超薄磨耗层经5万次磨耗仍能保持较高的路面动态摩擦因数㊂Li等[12]发现掺入88#煅烧铝矾土可显著提高沥青混合料的平均刨面深度及摆式摩擦系数㊂因此88#煅烧铝矾土用作路用集料具有较高应用前景㊂当前对该集料的研究集中于路用性能及耐久性能,对其耐磨机理缺乏深入分析及阐述[13-14]㊂基于此,本文以集料形貌特征为切入点,从粗糙度㊁棱角参数㊁圆度及分形维数等方面分析评价88#煅烧铝矾土形貌特征及其与传统路用集料之间的差异,采用灰熵关联分析,探究4个形貌特征参数对集料抗滑性能影响的显著性,有助于揭示88#煅烧铝矾土抗滑耐磨机理㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料集料分别为石灰岩(云南省怒江自治州)㊁花岗岩(陕西省西安市)㊁玄武岩(陕西省西安市)㊁88#煅烧铝矾土(山西省阳泉市),其外观形貌与扫描电子显微镜(SEM)照片如图1所示㊂石灰岩的主要耐磨成分为CaO,晶粒形状不规则,通常呈片状和块状㊂玄武岩和花岗岩的主要耐磨成分是SiO2,其中玄武岩微观结构复杂,由不同直径的晶粒堆积而成,无明显孔隙,结构较为致密,花岗岩中的晶体则呈薄片交替排列㊂88#煅烧铝矾土的主要耐磨成分为Al2O3,晶粒间界限并不明显,各晶粒相互连结,其中具有发展良好的α-Al2O3晶体结构和刚玉-莫来石结构,整体上具有较高的强度㊁硬度和耐磨性,而α-Al2O3晶体相呈现出网络骨架结构,可以有效减少由磨损和抛光引起的应力破坏㊂同时较其他三种集料,88#煅烧铝矾土表面纹理较为粗糙,棱角丰富,可提高沥青混合料的水稳定性㊂根据‘公路工程集料试验规程“(JTG E42 2005),测试了4种集料的力学性能,结果如表1所示㊂88#煅烧铝矾土的力学性能均显著优于石灰岩等天然集料㊂表1㊀集料的力学性能Table1㊀Mechanical properties of aggregatesAggregate Crushing value/%Los Angeles wear value/%PSV(british pendulum number)Alkali number/%Adhesion/% Limestone22.6921.6338.50.9658.4Basalt11.5212.9243.70.6645.9Granite16.5718.1445.40.5739.4 88#calcined bauxite7.7410.6154.70.8153.7通过FluoroLog-3型X射线荧光光谱分析仪(XRF)得到各集料的化学组成,分析结果见表2㊂88#煅烧铝矾土的主要化学成分为Al2O3,花岗岩和玄武岩的主要化学成分是SiO2,石灰岩中CaO含量最高㊂㊀第3期王永亮等:路用集料形貌特征参数分析与性能评价1145图1㊀集料外观形貌与SEM照片Fig.1㊀Appearance and SEM images of aggregates表2㊀集料XRF半定量分析结果Table2㊀XRF semi quantitative analysis results of aggregatesAggregate Mass fraction/%SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MgO CaO Na2O K2O P2O5MnO 88#calcined bauxite 3.32 4.4790.29 1.550.150.17 0.170.240.01 Limestone 6.650.040.680.210.7151.100.030.150.01Basalt49.51 3.6114.0012.620.16 4.978.67 1.92 1.400.05 Granite66.640.3815.94 2.700.05 3.71 4.41 1.860.110.161.2㊀试验方法1.2.1㊀集料形貌特征参数试验方法基于课题组对小粒径高抗滑磨耗层的设计与研究,分析粒径为4.75mm的集料的宏观形貌特征参数,试验运用Image-Pro-Plus6.0(IPP)软件分析集料形貌㊂1)图片采集采用四分法随机选取石灰岩㊁玄武岩㊁花岗岩和88#煅烧铝矾土的70个骨料颗粒,并采用索尼DSC-RX100M2数码相机拍摄高清照片,如图2所示㊂图2㊀不同集料的原始图片Fig.2㊀Raw images of various aggregates1146㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷2)二值化处理试验采用MATLAB 对图2进行二值化处理,结果如图3所示㊂图3㊀不同集料的二值化图片Fig.3㊀Binarized images of various aggregates 3)计算不同集料的形貌特征参数基于IPP 分析,计算不同集料的宏观形貌特征参数,具体步骤为:将不同集料的二值化图片导入IPP 软件中,将直径19mm 的硬币作为测试标准,将集料颗粒编号,并计算每一个集料颗粒的形貌特征参数,不同集料宏观形貌特征参数的计算如图4所示㊂图4㊀不同集料宏观形貌特征参数的计算Fig.4㊀Calculation of morphological characteristic parameters of variousaggregates 图5㊀不同锯齿数的4个齿轮及9个多边形Fig.5㊀Four gears with various sawtooth and nine polygons 1.2.2㊀集料磨光试验根据‘公路工程集料试验方法“(JTG E42 2005),采用北京中科路建仪器有限公司生产的JM-Ⅲ骨料加速抛光机进行试验,探究各集料在不同磨光次数下表面形貌特征参数与PSV 的灰熵关联度,确定各形貌特征参数与PSV 变化的相关性㊂2㊀结果与讨论2.1㊀形貌特征分析为了验证基于IPP 软件评价指标的适用性,根据物体的角度状态选取了4种不同锯齿数的形状[15]㊂它们的最长半径相同,锯齿数分别为0㊁10㊁20㊁40,如图5(a)所示,同时,根据物体的整体宏观形状,选择了9个不同的多边形,从每个多边形的中心到每条边的最长尺寸相同,如图5(b)所示㊂形貌特征参数随多边形边数的变化规律如图6所示㊂从图5及图6可知,多边形的边数越多,越近似于㊀第3期王永亮等:路用集料形貌特征参数分析与性能评价1147一个圆㊂棱角性㊁圆度和分形维数随着边数的增加而逐渐减小㊂多边形越接近圆时,圆度越接近1,棱角性和分形维数相应降低㊂然而,随着多边形变得越来越近似于圆,粗糙度先增大后减小㊂当多边形是八角形时,粗糙度最大㊂形貌特征参数随锯齿数的变化规律如图7所示,随锯齿数增加,粗糙度㊁棱角度㊁圆度和分形维数呈明显的上升趋势㊂可见随锯齿数与多边形边数的增加,圆度㊁分形维数㊁粗糙度和棱角度均出现显著变化,因此可以选择它们作为集料形貌特征参数的评价指标㊂图6㊀形貌特征参数随多边形边数的变化规律Fig.6㊀Variation law of morphological characteristic parameters with number of polygon edges图7㊀形貌特征参数随锯齿数的变化规律Fig.7㊀Variation law of morphological characteristic parameters with number of sawtooth圆度反映了集料颗粒整体形状和圆形的近似程度[15]㊂圆度越接近1,集料颗粒越趋向于圆形㊂计算如式(1)所示㊂R=P24πS(1)式中:R为圆度;P为集料颗粒二维轮廓图的外周长,mm;S是指集料颗粒二维轮廓图的面积,mm2㊂分形维数表示二维轮廓占用空间的有效性,其值在1~2[16]㊂计算如式(2)所示㊂D=log(P E/δ)/[logα0+log(A0.5/δ)](2)式中:D为分形维数;P E是二维轮廓曲线的欧氏度规;α0为形状因子,无量纲常数;δ为测量尺度;A是二维等高线图的面积,mm2㊂粗糙度为实测颗粒的周长与其相应外切多边形周长之间的差异,来表征颗粒的棱角特性,棱角性越强,粗糙度越大[16]㊂计算如式(3)所示㊂()2(3)C=P Pc1148㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷式中:C 为粗糙度;P c 为包裹集料颗粒的多边形周长,mm㊂棱角性为集料颗粒外切多边形周长与等效椭圆周长之间的差异,其值越大,则表明棱角性越丰富[16]㊂计算如式(4)所示㊂L =P c P e ()2(4)式中:L 为棱角性;P e 为集料颗粒的等效椭圆周长,mm㊂通过式(1)~(4)计算集料的形貌特征参数,结果如表3所示㊂集料颗粒的4个宏观形貌特征参数在一定范围内波动㊂因此,采用IBM SPSS Statistics 26.0(SPSS)对形貌特征参数分布特征进行探究,并定量计算其分布函数,分析不同集料形貌特征参数的变化规律㊂表3㊀不同集料形貌特征参数计算结果Table 3㊀Calculation results of morphological characteristic parameters of various aggregatesAggregate Morphological characteristic parameter Roundness Fractal dimension Roughness Angularity Limestone 1.1816 1.0444 1.0107 1.0602Basalt 1.1947 1.0441 1.0138 1.0893Granite 1.1870 1.0438 1.0111 1.065888#calcined bauxite1.1738 1.0482 1.0154 1.06812.2㊀正态分布验证试验采用正态分布验证上述数据统计分析的准确性及可靠性,当数据满足正态分布的条件时,可以认为随机选取一个数据,其落在均值处附近的概率极大[17]㊂若集料的形貌特征参数分布满足正态分布条件,即可利用不同颗粒测得的特征参数的平均值来表征这个集料㊂因此,使用SPSS 软件对数据处理分析,基于88#煅烧铝矾土形貌特征参数的累积概率与理论分布累积概率绘制的散点图(P-P 图)如图8所示㊂图8㊀88#煅烧铝矾土颗粒形貌特征参数P-P 图Fig.8㊀P-P diagrams of 88#calcined bauxite particle morphological characteristic parameters第3期王永亮等:路用集料形貌特征参数分析与性能评价1149㊀从图8中可以看出,4个形貌特征参数的累积概率分布均在45ʎ对角线附近,可以认为所选的样本数据符合正态分布函数[18]㊂此外P-P 图验证了88#煅烧铝矾土集料的所有形貌特征参数在正态分布的累积概率曲线上均匀分布,没有明显的偏离或异常值㊂表明数据样本相对于正态分布具有较好的拟合性,因此通过IPP 获得的集料各形貌特征参数平均值具有较高的代表性㊂P-P 图验证了4种不同集料的形貌特征参数都能呈良好的正态分布㊂因此,利用SPSS 统计分析软件定量计算集料形貌特征参数的正态分布参数㊂以粒径为4.75mm 的88#煅烧铝矾土为例,列举具体的形貌特征参数统计分析图,如图9所示㊂依据4种集料的形貌特征参数统计分布图,计算出正态分布参数,结果如表4所示㊂图9㊀88#煅烧铝矾土形貌特征参数的统计分析Fig.9㊀Statistical analysis of morphological characteristic parameters of 88#calcined bauxite表4㊀不同形貌特征的正态分布参数Table 4㊀Normal distribution parameters of various morphological characteristicsAggregateMorphological characteristic parameter Index Roundness Roughness Angularity Fractal dimension Limestone μ1.275 1.099 1.069 1.058σ0.0760.0200.2980.120Kurtosis2.0253.296-0.139 2.737Skewness 1.054 1.2710.5870.848Granite μ1.171 1.012 1.054 1.054σ0.0730.0030.3550.109Kurtosis 0.4732.306 2.323 2.714Skewness 0.756-0.628 1.3140.462Basalt μ 1.1561.0310.928 1.067σ0.0980.0180.2820.107Kurtosis 4.7390.7262.755 1.302Skewness1.971-0.113 1.230 1.0531150㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷续表Aggregate Morphological characteristic parameter Index Roundness Roughness Angularity Fractal dimension 88#calcined bauxite μ 1.281 1.0991.080 1.061σ0.0920.0180.3580.012Kurtosis 3.742 1.0177.139 3.427Skewness1.5270.678 1.8310.812㊀㊀注:μ和σ分别为位置参数和尺度参数㊂2.3㊀灰熵关联分析对不同集料进行磨光试验㊂利用IPP 软件对集料形貌特征参数进行采集与分析,不同磨耗时期的形貌特征参数变化如图10所示㊂受磨光次数及集料本身晶相硬度的影响,石灰岩㊁花岗岩与88#煅烧铝矾土粗糙度均在一定范围内波动,且差异相对较小㊂玄武岩具有一定脆性,磨光到一定程度时表面部分发生断裂,在16万次时粗糙度出现明显增加㊂88#煅烧铝矾土棱角参数随磨光次数增加,波动幅度大于其他三种集料,但总体呈较高趋势㊂石灰岩㊁玄武岩及花岗岩颗粒的圆度随磨光次数增加而呈降低趋势㊂88#煅烧铝矾土作为高温烧结材料,具有较高的硬度和耐磨性,颗粒形状相对较为规则㊂在磨光过程中,88#煅烧铝矾土集料会出现微小的磨损或破碎,导致颗粒形状出现较小的变化,引起圆度的波动㊂其余三种集料硬度低于88#煅烧铝矾土,在磨光过程中颗粒形状会发生较为明显的变化,导致圆度呈降低的趋势[16,18]㊂而在磨光作用下,集料颗粒表面变得更加光滑和规则,减少了原始颗粒的分支及凹凸特征,并降低了集料的分形维数㊂此外,88#煅烧铝矾土分形维数总体上高于传统集料,这主要是由于88#煅烧铝矾土的硬度及强度更高,集料抵抗车轮磨光作用效果更显著㊂图10㊀不同磨耗时期的集料形貌特征参数变化Fig.10㊀Variation of aggregate morphological characteristic parameters during different polishing periods 不同磨光次数下不同集料的PSV 如图11(a)所示㊂各集料PSV 在磨光初期下降较为剧烈,经12万次磨光后集料PSV 逐渐趋于稳定㊂研究发现方解石和白云石含量越高的集料,其耐磨性表现越差,因此石灰㊀第3期王永亮等:路用集料形貌特征参数分析与性能评价1151岩的PSV明显低于其他三种集料,而88#煅烧铝矾土主要由刚玉及莫来石构成,硬度较高,耐磨性表现最优异[19]㊂此外对88#煅烧铝矾土圆度㊁分形维数㊁棱角参数㊁粗糙度及PSV无量纲归一化处理,根据无量纲归一化的数值进行相关计算,并对各形貌特征参数与PSV之间的相关程度进行评估,灰熵关联度的结果如图11(b)所示㊂根据图中的分析结果可知4个影响因子的灰熵关联度顺序为分形维数>棱角参数>圆度>粗糙度㊂其中,分形维数与PSV的相关程度达到0.904,棱角参数与圆度为次要因素,粗糙度与PSV相关性最小㊂而分形维数是形貌特征参数中与PSV相关度达0.9以上的影响因素,主要归因于分形维数反映的是集料形貌的复杂程度和不规则性,对PSV衰减趋势影响最敏感㊂图11㊀不同磨光次数下各集料PSV及灰熵关联分析Fig.11㊀PSV of each aggregate during different polishing times and grey entropy correlation analysis按照Vitreous and Porcelain Enamels-Determination of Surface Scratch Hardness According to the Mohs Scale (BS EN15771:2010)测定了不同集料表面划痕硬度,得到不同集料中主要晶相的质量分数和莫氏硬度,如表5所示㊂集料含有不同莫氏硬度的各种结晶相,分析各种集料的力学性能可知,集料的主要晶相及其莫氏硬度对集料的力学性能㊁抗磨光/耗性能㊁形貌特征参数均有显著的影响,石灰岩含有莫氏硬度较低的方解石与白云石,因此在磨光实验中,其形貌特征参数变化显著,而88#煅烧铝矾土由刚玉和莫来石组成,含量分别为85.2%和14.8%(质量分数),莫氏硬度分别为9和6,因此具有良好的形貌特征与力学性能㊂表5㊀不同集料主要晶相的质量分数与莫氏硬度的测试结果Table5㊀Test results of mass fraction and Mohs hardness of dominant crystal phase in various aggregatesAggregate Limestone Basalt Granite88#calcined bauxite Dominant crystal phase Calcite Dolomite Augite Anorthose Hornblende Quartz Albite Corundum Mullite Mass fraction/%71.428.635.840.723.568.632.485.214.8 Mohs hardness 3.0 3.5 6.5 6.0 5.07.0 6.09.0 6.03㊀结㊀论本文借助IPP等图像处理软件对相同粒径的石灰岩㊁花岗岩㊁玄武岩及88#煅烧铝矾土颗粒的表面形貌特征参数进行了分析,同时结合灰熵关联分析探究了PSV与集料颗粒形貌特征参数之间的关联程度,结论如下:1)88#煅烧铝矾土的形貌特征参数均较高,其中粗糙度㊁圆度及棱角参数明显高于玄武岩及花岗岩㊂同时利用P-P图对形貌特征参数进行分布验证发现,集料各形貌特征参数均分布在45ʎ对角线附近,因此集料的各个形貌特征参数均满足正态分布㊂2)88#煅烧铝矾土的耐磨性要显著优于其余三种集料,同时,分形维数对集料形貌特征参数具有显著影响,灰熵关联度为0.904㊂3)随着磨光次数增加,各集料的粗糙度及棱角参数均在一定范围内波动,88#煅烧铝矾土作为烧结材1152㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷料,其颗粒较为规整,且具有较高的耐磨度,整体上圆度及分形维数优于传统集料㊂4)88#煅烧铝矾土主要晶相为刚玉与莫来石,两者莫氏硬度分别为9和6,同时,88#煅烧铝矾土具有优异的形貌特征参数与抗磨光性能,因此,88#煅烧铝矾土的引入为制备超薄高抗滑磨耗层提供了思路㊂参考文献[1]㊀GUAN B W,WU J Y,XIE C,et al.Influence of macrotexture and microtexture on the skid resistance of aggregates[J].Advances in MaterialsScience and Engineering,2018,2018:1-9.[2]㊀JIN C,YANG X,YOU Z P,et al.Aggregate shape characterization using virtual measurement of 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