基于加速磨耗的瀝青路面抗滑性能衰減特性研究

王勇++袁騰++楊建波++陳華鑫++況棟梁

摘 要：通過室內試驗成型了AC- 13瀝青混合料車轍板試件，借助室內加速磨耗試驗模擬了瀝青路面在行車荷載作用下的磨損行為。測試車轍板試件加速磨耗前后抗滑值和構造深度的變化，分析了環境溫度和加載次數對瀝青路面抗滑性能的影響。借助掃描電鏡對回收集料的表面微觀形貌進行了觀測。結果表明：溫度對瀝青路面抗滑性能的衰減具有顯著的影響；抗滑值和構造深度的變化與加速磨耗次數具有良好的相關關系。

關鍵詞：瀝青路面；抗滑性能；粗集料；電鏡掃描

中圖分類號：U416.03 文獻標志碼：B

Research on Skid Resistance Attenuation of Asphalt Pavement by Accelerated Wear

WANG Yong1， YUAN Teng2，YANG Jian- bo3， CHEN Hua- xin2， KUANG Dong- liang2

（1. College of Water and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi 832003， Xinjiang， China；

2. School of Materials Science and Engineering， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China；

3. Chang Jiang Road and Bridge Co. Ltd.， Wuhan 430000， Hubei， China ）

Abstract： Rutting plate specimens for AC- 13 asphalt mixture were formed through laboratory tests. With indoor accelerated wear test， wear behavior of asphalt pavement under traffic loads was simulated. The changes of rutting plate specimens skid resistance value and texture depth before and after the accelerated wear were tested， and the impact of ambient temperature and load times on the skid resistance performance of asphalt pavement was analyzed. Surface microtopography of the collected aggregate was observed with scanning electron microscope. The results show that the temperature has a significant influence on the decay of the skid resistance performance， and theres a correlation between the accelerated wear times and the changes in skid resistance value and texture depth.

Key words： asphalt pavement； skid resistance performance； coarse aggregate； scanning electron microscope

0 引 言

隨著人們行車安全意識的增強，道路行車安全受到越來越多的重視，提高瀝青路面的抗滑性能是當前交通安全研究領域的熱點問題。

近年，國內外學者圍繞瀝青路面的抗滑性能開展了大量的研究，結果顯示瀝青路面的抗滑作用主要可歸因于路面的宏觀構造深度和集料的微觀紋理[1- 2]，瀝青路面的抗滑性能可以采用抗滑值和構造深度進行評價[3]。

在瀝青路面使用過程中，經過行車荷載的反復碾壓后，其宏觀構造深度會不斷減小，混凝土中粗集料的表面性質也會發生變化[4]。然而對于瀝青路面在行車荷載循環作用下的宏觀構造深度和微觀紋理的變化的研究尚未得到足夠重視，此外關于相關環境因素對瀝青路面抗滑性能衰變特性的影響也未見研究。

本項目通過室內試驗成型了AC- 13瀝青混合料車轍板試件，借助室內加速磨耗試驗模擬了瀝青路面在行車荷載作用下的磨損行為，通過測試車轍板試件加速磨耗前后抗滑值和構造深度的變化，評價了環境溫度和加載次數對瀝青路面抗滑性能的影響。利用離心分離法和篩分回收車轍板中的粗集料，借助掃描電鏡對回收集料的表面微觀形貌進行觀測。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

SK90重交瀝青的性能指標如表1所示；粗集料、石灰石的性能指標如表2所示；細集料、石灰石的性能指標如表3所示；礦粉、石灰石磨細礦粉的性能指標如表4所示。

<0.075 mm87.475～90外觀無團粒結塊無團粒結塊

親水系數0.6<1

混合料試件制作方法（輪碾法）成型得到AC- 13瀝青混合料車轍板試件。

1.3 加速磨耗試驗

采用長安大學研發的加速磨耗儀[5]，對成型的AC- 13瀝青混合料試件進行加速磨耗試驗，加載壓力為0.7 MPa。在評價加載溫度對瀝青路面加速磨耗作用下抗滑性能衰變行為的影響時，采用加載次數為10 000次，加載溫度分別為25 ℃和60 ℃。試驗前將車轍試件置于規定溫度的烘箱中，保溫時間不少于4 h；在評價加載次數對瀝青路面抗滑性能的影響時，試驗溫度為25 ℃，加載次數分別為0、5 000、10 000、15 000、20 000次。

1.4 抗滑性能測試

加速磨耗試驗前后的AC- 13瀝青混合料車轍試件的抗滑值和構造深度分別按照《擺式儀測定路面抗滑值試驗方法》和《手工鋪砂法測定路面構造深度試驗方法》進行測試。

1.5 粗集料磨光值表征

瀝青混合料中粗集料的磨光值是評價瀝青路面抗滑性能的重要指標，為研究循環荷載對混合料中粗集料磨光值的影響，通過離心分離法回收加速磨耗試驗后車轍板試件中的粗集料，依據《粗集料磨光值試驗》（JTJ T0321—1994）中的方法對加速磨耗前后混合料中的粗集料的磨光值進行測試。

1.6 掃描電鏡測試

將集料顆粒粘在掃描電鏡固物臺上，用掃描電鏡在不同放大倍數下對回收集料表面進行掃描，得到集料表面紋理構造的微觀圖片。

2 結果與討論

2.1 加載溫度對瀝青路面抗滑性能的影響

從表5中的數據可以看出，在不同試驗條件下加速磨耗后，瀝青混凝土的抗滑值和構造深度有所減小，表明加速磨耗對瀝青路面的抗滑性能具有一定的負面影響。從表5中的數據還可以看出，隨著加載溫度的升高，瀝青混合料加速磨耗后的抗滑值和構造深度逐漸增大。在25 ℃的試驗條件下，瀝青混凝土加速磨耗10 000次之后，其抗滑值由61 BPN減小至50 BPN，下降18%；在60 ℃的試驗條件下，瀝青混凝土加速磨耗10 000次之后，其抗滑值由61 BPN減小至54 BPN，下降11%。這主要是因為瀝青混凝土在低溫下剛性強，在循環加載作用下其表面更容易發生磨損破壞，而在高溫下，瀝青路面的彈性成分顯著增強，具有良好的伸縮變形能力，對加速荷載施加的能量具有一定的吸收作用，從而延緩加速磨耗對其表面的磨損。因此瀝青混合料在高溫下經過加速磨耗后，其抗滑性能的衰減程度小于其在低溫下經過加速磨耗后抗滑性能的衰減程度。

2.2 加載溫度對粗集料磨光值的影響

粗集料的磨光值是評價集料耐磨損性能的重要指標[6]，同時也反映其與車輪之間的摩擦作用，磨光值越大，集料與車輪之間的相互摩擦作用越強。瀝青路面使用一段時間后，由于車輪荷載的循環作用，其表面的瀝青膜會發生磨損，導致集料外露，因此回收集料的磨光值也可用來評價加速磨耗對瀝青路面抗滑性能的影響。

表6列出了在不同試驗條件下，瀝青混凝土加速磨耗前后回收粗集料的磨光值。從表6中的數據可以看出，在25 ℃的試驗條件下，瀝青混凝土加速磨耗10 000次之后，其回收粗集料的磨光值由47%減小至40%，下降17.5%；在60 ℃的試驗條件下，瀝青混凝土加速磨耗10 000次之后，其磨光值由47%減小至43%，下降8.5%。結合上述加載溫度對瀝青路面抗滑性能的影響分析，進一步證實升高加載溫度可以延緩瀝青路面在行車荷載作用下抗滑性能的衰減。

2.3 加載周期對瀝青路面抗滑性能的影響

圖1、2分別顯示了在25 ℃下AC- 13瀝青混凝土的抗滑值和構造深度隨加載周期的變化。隨著加載次數的增加，瀝青混凝土的抗滑值和構造深度不斷下降，加速磨耗之前，混凝土的抗滑值為61 BPN，加載周期達到20 000次，混凝土的抗滑值下降至37 BPN，下降39. 3%，表明車輛的循環加載對瀝青路面的抗滑性能具有顯著破壞。

從圖1、2中可以得出瀝青混凝土的抗滑值和構造深度隨加載周期的變化，擬合曲線與試驗曲線的相關系數為0. 99，由此可推斷瀝青混凝土的抗滑值和構造深度與加載周期具有良好的線性關系，可采用該方程對不同加載周期下的瀝青路面的抗滑性能進行預測，從而對瀝青路面的抗滑安全性能進行評估。

2.4 加載周期對粗集料磨光值的影響

圖3顯示了在25 ℃下AC- 13瀝青混凝土中的加載周期對粗集料磨光值的影響。從圖3的數據中可以看出，隨著加載次數的增加，瀝青混凝土粗集料磨光值隨著加載周期的增加而不斷下降。加速磨耗之前，回收粗集料的磨光值為47%；加速磨耗5 000次之后，回收粗集料的磨光值為43%，下降8. 5%；當加載周期達到20 000次的時候，

圖3 加載周期對粗集料磨光值的影響

回收粗集料的磨光值下降至30%，下降36. 1%，表明車輛荷載的循環作用對瀝青路面的抗滑性能有顯著破壞。這主要是因為：在循環荷載作用下，混凝土中包裹粗集料的瀝青膜首先被磨損，粗集料暴露，隨著荷載的持續增加，粗集料表面與車輪之間不斷發生摩擦，由此導致其表面發生嚴重的磨損破壞，從而使瀝青路面的抗滑性能嚴重衰減。

2.5 回收粗集料表面微觀形貌表征

為進一步分析加速磨耗對瀝青路面抗滑性能的破壞機理，采用SEM表征技術對25 ℃下加速磨耗加載周期分別為0、5 000、20 000次的混凝土中的回收粗集料表面微觀形貌進行了表征。

圖4～6顯示了瀝青混凝土加速磨耗次數分別為0、5 000、20 000次后，回收粗集料表面微觀形貌。從圖4～6看出，未經加速磨耗的粗集料顆粒表面紋理構造復雜，構造深度較深，經過5 000次的加速磨耗后，粗集料顆粒表面微觀構造深度略有變淺，因為加速磨耗使集料顆粒表面原有的相對凸出紋理構造被磨平，顆粒表面出現平坦區域。從圖6中可以看出，當加速磨耗周期達到20 000次時，回收集料顆粒表面的平坦區域變大，集料顆粒表面紋理構造中凸出的構造減少，其微觀構造深度消失，由此導致瀝青路面的抗滑性能嚴重衰減。

3 結 語

（1） 環境溫度對瀝青路面抗滑性能的衰變有重要影響，環境溫度越高，瀝青路面的伸縮變形能力越強，對加速荷載施加的能量具有一定的吸收作用，可延緩加速磨耗對表面的磨損，從而降低加速磨耗對瀝青路面抗滑性能的影響。

（2） 加速磨耗加載周期對瀝青路面的抗滑性能有顯著影響，加載周期達到20 000次時，瀝青混凝土的抗滑值下降39. 3%。

（3） 瀝青混凝土抗滑值和構造深度與加載周期具有良好的線性關系，因此可采用試驗數據得到的擬合方程對瀝青路面在不同加載周期下的抗滑性能進行預估。

（4） SEM表征結果表明，在循環荷載作用下，集料顆粒表面紋理構造中凸出的構造急劇減少，表面的平坦區域面積變大，導致瀝青路面的抗滑性能嚴重衰減。

參考文獻：

[1] 劉 濤，李 智，孫楊勇，等.瀝青路面粗集料微觀紋理評價方法研究[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2012，31（3）：394- 397.

[2] 孫楊勇.粗集料表面微觀構造分形性質探討與瀝青路面抗滑性能關系研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[3] 趙戰利.基于分形方法的瀝青路面抗滑技術研究[D].西安：長安大學，2005.

[4] 董 昭.加速磨耗試驗與瀝青路面材料抗滑性能衰變規律研究[D].西安：長安大學，2011.

[5] 彭城壩.瀝青混凝土路面紋理構造表征技術研究[D].西安：長安大學，2011.

[6] 黃寶濤，田偉宇，李家春，等.瀝青路面抗滑性能定量評價的分形方法[J].中國公路學報，2008，21（4）：12- 17.

[責任編輯：譚忠華]