橡膠瀝青對路面抗滑性能的影響研究

2012-08-06 09:29:38任京州

城市道橋與防洪 2012年12期

關鍵詞：深度

任京州

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安 710068）

0 前言

路面設計和修復的重點在于結構設計部分。然而，現在有大量關于路表特征影響道路使用性能的研究。因此，提高新建、改建及現存道路的表面特性是研究重點。

道路是否需要重建、表面重修及養護處理的關鍵是道路結構的完整與否。道路損壞可能是結構破損或者表面破損。設計不當、荷載超重、排水不良或者施工管理不當也會導致結構破損，瀝青層間的粘度不夠也是原因之一。導致表面破損和結構破損的原因在本質上是不同的。表面破損是由使用年限的增長、路表面磨耗、瀝青含量不當、材料（集料質地較軟）、施工管理不當以及瀝青表處的不合理使用等引起的。

要研究表面特性，重要的是明確“摩擦力”和“抗滑性”的區別。摩擦力是指輪胎和路表在某一特定的時間及特殊的條件下產生的力。摩擦力受許多因素的影響：道路、輪胎和車輛停駐特性，環境溫度和水。抗滑性一般用來描述道路對摩擦力產生的貢獻。把路面抗滑性定義為一個行車道表面防止滑溜的能力。“抗滑性”可應用于任何涉及路表面摩擦性能的測試中。

在潮濕條件下，路表摩擦力是路面設計、維修及修復中需要考慮的主要安全因素之一。在潮濕條件下，隨著車輛行駛速度增加，抗滑性會降低，降低的程度取決于路表面構造深度。一般地，構造深度越小，摩擦力隨之越低。因此，路面必須保證具有足夠的摩擦力和抗滑性。

現在已有許多儀器和方法可以檢測道路的摩擦力和構造深度。本文對試驗室制備的試件用體積分塊法測量宏觀構造，用英式擺式儀法測量微觀構造。研究采用兩種級配和三種瀝青結合料：（1）常規瀝青;（2）濕法橡膠瀝青;（3）干法橡膠瀝青。在相同的混合料配比基礎上，以增加1%的橡膠瀝青來測試其含量對路面質量的影響。

1 路表面構造

國際道路協會PIARC在1987年布魯塞爾國際會議中，通過微觀構造（micro texture）、宏觀構造（macro texture）和最大構造深度定義了三種表面構造深度范圍[1]。

道路宏觀構造是指路面與實際水平面的偏差。宏觀構造的特征尺寸變化范圍為0.5～50 mm。峰間振幅通常取值范圍為0.01～20 mm。這種類型的構造在輪胎與道路接觸面處產生的波長相等。

道路微觀構造是指骨料與實際水平面的偏差。微觀構造的特征尺寸不超過0.5 mm。峰間振幅通常的取值范圍為0.001～0.5 mm。這種微觀構造可或多或少的增加表面粗糙度，但是這種構造太小不能用肉眼觀測到。

微觀構造提供了砂質表面來滲透薄水膜，并且在輪胎和路面之間產生良好的摩擦阻力。宏觀構造提供了排水溝等，排除輪胎和路面之間的積水，增強了輪胎和路面之間的接觸，從而提高了摩阻力。現在還不能測量到車輛在高速行駛時的微觀構造剖面圖，只能用低速行駛時產生的摩擦力來評價微觀構造。圖1為宏觀構造和微觀構造的區別。

表1根據道路使用者的需要提供了關于路表特征的指南。

2 宏觀構造和微觀構造的測量

2.1 體積分塊法

圖1 宏觀構造和微觀構造之間的區別

表1 路表面特征

體積分塊法也被稱為鋪砂法，在很多年前就被廣泛采用，是最早最常用的測量道路表面構造深度的方法，使用的儀器也比較簡單。本文的試驗程序是按照《公路路基路面現場測試規程（JTG E60-2008）》中的T0961-1995手工鋪砂法測量道路的宏觀構造。

這種方法主要是將已知體積的砂在路面上鋪平，將砂鋪成圓形，測出攤鋪的砂的直徑。用砂的體積除以所覆蓋的面積，所得值即為砂層的厚度，也即平均構造深度（MTD）。平均構造深度通過下式計算：

式中：MTD—道路宏觀構造的平均構造深度，mm；

V—所用試樣砂的體積，mm3；

D—被砂覆蓋區域的平均直徑，mm。

2.2 英式擺式儀法

英式擺式儀試驗是檢測低速微觀構造與道路表面抗滑性之間關系最常見的試驗方法之一。英式擺式儀是一種便攜的動態的擺式儀器，在野外或實驗室都可以用這種方法測摩擦系數[2]。

英式擺式儀是在擺動臂的終端裝有橡膠滑動塊，當擺從一定高度自由下擺時，橡膠滑塊同試驗表面接觸，擺式儀的動能由于摩擦而減少。記錄相應的路面抗滑值為BPN。

BPN值的變化范圍為0～140，用儀器上的刻度來記錄BPN的值，測量接觸表面后擺臂所達到的最高點，并且在測試前，用噴水壺澆灑測點，使路面處于濕潤狀態。

3 材料

3.1 集料

（1）碎石：10～20 mm碎石、5～10 mm碎石以及3～5 mm碎石，其技術指標見表2。

表2 碎石技術指標

（2）砂：采用灃河潔凈中砂，其技術指標見表3。

表3 砂的技術指標

（3）礦粉：礦粉采用石灰巖磨制，其技術指標見表4。

表4 礦粉的技術指標

3.2 瀝青結合料和橡膠粉

采用三種瀝青的如下：常規瀝青，SK90；濕法橡膠瀝青，Ⅰ和Ⅱ；干法橡膠瀝青Ⅲ。

濕法橡膠瀝青采用兩種橡膠粉含量。“Ⅰ”類橡膠粉含量18%，“Ⅱ”類橡膠粉含量13%。干法橡膠瀝青在實驗室制備時特征如下：（1）20%橡膠粉；（2）90 min的老化時間；（3）溫度 175℃[3]。表 5是瀝青結合料的特性。

表5 瀝青結合料的性質

3.3 混合料

為了優化道路表面特性，用相同的集料制備兩種混合料，本文研究的變量是：（1）級配曲線；（2）瀝青類型和瀝青含量。本文對密級配混合料和間斷級配混合料進行了研究。圖2是混合料的級配曲線。

圖2 混合料的級配曲線

混合料的級配規格如下：

AC-16；間斷級配；

通過下列變量的組合可得到7種類型的混合料，變量有：（1）空隙率（5%，7%）；（2）結合料含量（最佳含量，最佳含量+1%）（3）瀝青結合料類型（SK90,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）（4）集料級配。瀝青混合料的矩陣組合見表6。

表6 瀝青混合料的矩陣組合

4 結果

4.1 宏觀構造

考慮到不同路面的級配，首先用目測法來評估道路試件的宏觀構造。用鋪砂法來量化路表宏觀構造的差異。目測法觀察不同級配試件可知間斷級配混合料比密級配混合料的宏觀構造好。間斷級配混合料的粗集料均勻、連續且充足，相比之下密間斷級配混合料的表面細集料過多。對表6中所有的試件用鋪砂法測量道路宏觀構造深度。所有混合料的平均構造深度MTD見表7。

對宏觀構造分析的結果表明用橡膠瀝青制備的密級配混合料的構造比間斷級配的低。當粘結劑含量增加1%，濕法橡膠瀝青混合料的構造深度降低。

另一方面，間斷級配的干法橡膠瀝青混合料，當粘結劑含量增加1%，表面構造增加。這是由于橡膠含量的增加提高了表面構造。對密級配而言，結果沒有改變。圖3為兩種方法所得的橡膠瀝青混合料的平均構造深度的對比。