不同集料磨光值對瀝青路面擺值的影響

張維仁，張耀東，王永平

(1. 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 公路管理處，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

不同集料磨光值對瀝青路面擺值的影響

張維仁1，張耀東2，王永平3

(1. 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 公路管理處，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

集料的抗磨光性是影響瀝青路面抗滑性能的眾多因素中的主要因素。通過磨光試驗以及加速加載試驗研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過70萬次作用后磨光值基本趨于穩(wěn)定，3種集料磨光值呈指數(shù)形式衰減，磨光值大小為：玄武巖碎石>石灰?guī)r碎石>破碎卵石。3種碎石磨光值衰減速率：玄武巖碎石<破碎卵石<石灰?guī)r碎石。選取AC-13C級配，利用MMLS3加速加載儀在固定試驗條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗，經(jīng)過200萬次輪載作用后，擺值基本趨于穩(wěn)定，其大小關(guān)系為：玄武巖碎石瀝青混合料>破碎卵石瀝青路面>石灰?guī)r碎石瀝青路面。利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出瀝青路面的抗滑性能呈對數(shù)形式衰減，3種碎石瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律與集料的磨光值衰減規(guī)律相似，說明集料抗磨光性能是影響瀝青路面抗滑性能的一個主要因素，玄武巖碎石更適合用于瀝青路面上面層。

道路工程；集料；磨光值；路面抗滑

隨著我國道路建設(shè)發(fā)展，我國高速公路與低等級公路總里程已經(jīng)位于世界前列。但是隨之而來的一些病害，嚴(yán)重的影響了路面的使用功能以及使用壽命，其中路面抗滑性能隨著使用年限的增長不斷下降[1-2]。這一情況嚴(yán)重影響了道路行車安全，成為道路交通事故中主要原因。道路抗滑性能主要由集料和級配決定，其中級配決定了道路的宏觀構(gòu)造而集料表面粗糙程度決定了路面的微觀構(gòu)造[3-6]。路面宏觀構(gòu)造主要在車輛高速行駛下提供抗滑能力，而微觀構(gòu)造不僅在高速狀態(tài)下提供抗滑性能而且在低速下也起到?jīng)Q定性作用[7-8]。為了研究重慶地區(qū)不同種集料磨光值與瀝青路面抗滑性能之間的關(guān)系，使用重慶交通大學(xué)MMLS3加速加載儀進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗。

1 集料磨光值試驗研究

1.1 集料磨光試驗結(jié)果分析

具體磨光試驗根據(jù)T0321—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》具體操作步驟及條件進(jìn)行。

1.2 集料磨光試驗結(jié)果分析

通過試驗測試將每個產(chǎn)地的兩組試件的磨光值取平均值,如表1;利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表2。

表1 不同產(chǎn)地集料磨光值

表2 回歸參數(shù)

根據(jù)回歸結(jié)果可知，粗集料磨光值隨著磨光次數(shù)的增加擺值呈指數(shù)形式衰減。指數(shù)回歸相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)在0.86以上，具體參數(shù)見表2；圖1是磨光值與時間的關(guān)系。

由圖1可以看出石灰?guī)r碎石的磨光值在6 h以前衰減較快，之后衰減較為緩慢。而玄武巖碎石與破碎卵石在10 h前衰減較為緩慢，在10 ～15 h之間磨光值衰減加快，之后又趨于緩慢衰減。3種碎石的磨光值衰減主要集中在21 h前，3種碎石21 h前磨光值衰減速率分別達(dá)到：石灰?guī)r1.4、玄武巖1.19、破碎卵石1.29。由表2可知3種集料的磨光值衰減幅度石灰?guī)r最大為33.2，玄武巖最小為27.6。石灰?guī)r前期衰減較快是因為其組成成分方解石、白云石抗磨光性能較差，在初期集料表面微觀構(gòu)造被磨光較為嚴(yán)重，另外兩種巖石因為組成成分鉀長石、石英、斜長石、單斜輝石具有較高的抗磨光性能，所以抵抗磨光能力較強(qiáng)。但是經(jīng)過36 h磨光作用3種集料磨光值基本上趨于穩(wěn)定，石灰?guī)r碎石達(dá)到24.2，玄武巖碎石達(dá)到28.4，破碎卵石達(dá)到26.4，所以玄武巖碎石更適合用于瀝青路面上面層[6-9]。

圖1 磨光值與時間的關(guān)系Fig.1 Different grinding value at different time

1.3 磨光值影響因素分析

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)集料的磨光值不僅決定于磨光次數(shù)，而且還受到其他因素影響。其中主要的因素是實驗輪的軸載對實驗結(jié)果有一定的影響，若荷載較大則磨光值衰減較快反之較慢。其次金剛砂流量也會對其有一定的影響，砂量越大磨光值衰減也比較快。最后溫度、水的流速等等也會有影響。而磨光值的測定影響因素則較多[10-11]：首先滑溜塊在試件上滑動長度影響最為明顯，滑動長度越長擺值越大相反則較小。其次溫度對擺值也有一定的影響，溫度越低擺值越大反之越小，所以在測試前要將試件放在20 ℃水中保溫到測試溫度。最后容易忽略的因素例如油漬的污染、試件表面金剛砂未浸洗干凈，調(diào)指針螺絲未擰緊等。所以在試驗中一定要嚴(yán)格控制這幾項條件，才能保證試驗的準(zhǔn)確性。

此外在試驗過程中經(jīng)常會遇見這樣一些問題影響試驗的準(zhǔn)確性，比如：斷件、掉粒、邊角斷缺等問題。這是因為在制件過程中存在粒料表面覆蓋有少量的砂或者集料沒有清洗干凈導(dǎo)致環(huán)氧砂漿與集料表面的粘結(jié)力不夠，在外力作用下導(dǎo)致脫落。另外一種情況就是因為環(huán)氧砂漿中環(huán)氧樹脂較少或者是固化劑沒有足夠的用量造成黏結(jié)力不夠或者環(huán)氧樹脂沒有充分固化。另外在刮平環(huán)氧砂漿時候如果砂漿太稀，在養(yǎng)護(hù)的時候兩端的砂漿會向中間流動造成表面不平整，在試驗時會出現(xiàn)空隙，當(dāng)膠輪碾壓過時對其造成沖擊作用，所以會出現(xiàn)斷件情況。所以在制件過程中一定要保證按照正確的方法操作，避免出現(xiàn)上述情況影響試驗結(jié)果。

2 MMLS3小型加速加載試驗機(jī)簡介

2.1 儀器簡介

MMLS3小型加速加載試驗儀是由南非MLS公司開發(fā)研制，其中輪胎接地面積是標(biāo)準(zhǔn)車輛輪胎的1/3，并且具有質(zhì)量輕便、方便運(yùn)輸、體積較小等優(yōu)勢，是用于瀝青路面以及機(jī)場跑道材料測試有效的小型試驗機(jī)。不僅可以用于室外試驗檢測還可以用于室內(nèi)模擬試驗，在同一測試區(qū)域和足尺道MMLS10配合使用，其試驗結(jié)果與實際路面情況更加具有可比性。MMLS3小型加速加載試驗儀主要由溫控系統(tǒng)、干濕度系統(tǒng)、荷載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。測試深度最厚可達(dá)12.5 cm，并且可以模擬溫濕度對路面影響。

2.2數(shù)據(jù)分析

目前，我國主要采用橫向力系數(shù)(SFC)和構(gòu)造深度(TD)對瀝青路面抗滑性能進(jìn)行評價，利用擺值(BPN)進(jìn)行輔助評價。將3種集料分別進(jìn)行3次試驗，并對測試數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見表3～表6和圖2。

表3 試驗周期與BPN，SFC的關(guān)系(石灰?guī)r)

(續(xù)表3)

周期t/hBPNSFC60周期t/hBPNSFC60周期t/hBPNSFC60467.777.053851.737.6814443.818.32564.870.004250.534.7316445.823.25763.767.214655.647.3618445.221.77962.363.765453.742.6020443.116.521161.160.986253.341.7822445.422.261560.759.837053.341.7824445.823.251954.544.747850.133.7426444.921.11

表4 試驗周期與BPN，SFC的關(guān)系(玄武巖)

表5 試驗周期與BPN，SFC的關(guān)系(破碎卵石)

表6 試驗周期與TD的關(guān)系(不同集料瀝青混合料)

圖2 3種抗滑指標(biāo)與軸載次數(shù)關(guān)系Fig.2 3 kinds of anti-sliding index correlated with the number axis load

由圖2(a)，(b)可知3種碎石配制而成的瀝青混合料，在200萬次軸載作用后其擺值趨于穩(wěn)定；在100萬次軸載作用后構(gòu)造深度也趨于穩(wěn)定。構(gòu)造深度在0～30萬次荷載作用之間，其衰減幅度較大；30～80萬次荷載作用之間，其衰減幅度較為緩慢；80～100萬次構(gòu)造深度衰減基本穩(wěn)定。玄武巖混合料構(gòu)造深度達(dá)到0.35 mm；石灰?guī)r混合料構(gòu)造深度達(dá)到0.28 mm；破碎卵石混合料達(dá)0.31 mm，這3者全部小于竣工驗收要求值0.55 mm。這是因為經(jīng)過30萬次荷載作用瀝青路面被車輪進(jìn)一步壓實，構(gòu)造深度迅速下降。經(jīng)過100萬次荷載作用后瀝青路面基本上被壓實，所以構(gòu)造深度趨于穩(wěn)定。由圖2(a)可知擺值的衰減規(guī)律經(jīng)過3個階段趨于穩(wěn)定，首先在30萬次荷載作用后，瀝青路面被進(jìn)一步壓實孔隙率減小，所以在這個階段3種碎石瀝青混合料擺值衰減較快。在50～60萬次之間擺值有明顯的提高，結(jié)合試驗可知在此期間有瀝青路面存在瀝青剝落的情況，這使得瀝青路面有更多微觀構(gòu)造參與道路抗滑作用，所以抗滑性能有短期的提高。在此之后，瀝青路面結(jié)構(gòu)基本上趨于穩(wěn)定，此時影響瀝青路面抗滑性能的主要因素是集料的抗磨光性[11-13]。

表7是軸載次數(shù)與BNP，SFC和TD的關(guān)系。

表7 軸載次數(shù)與BNP，SFC，TD的關(guān)系

(續(xù)表7)

巖石類型指標(biāo)方程模型匯總參數(shù)估計值R方程Fdf1df2Sig.常數(shù)b1玄武巖TD對數(shù)0.903222.27812400.766-0.086指數(shù)0.842128.0212400.643-0.007破碎卵石TD對數(shù)0.917264.13312400.781-0.104指數(shù)0.866154.96412400.638-0.010

擺值與橫向力系數(shù)之間的回歸方程為[14-15]：

BPN=0.406 4SFC60+36.353,s=0.82

(1)

式中：BPN為擺值；SFC60為60 km/h橫向力系數(shù)。

設(shè)計年限內(nèi)一個車道上累計當(dāng)量軸次Nε：

(2)

式中：Nε為設(shè)計年限內(nèi)一個車道的累計當(dāng)量軸次(次/車道)；t為設(shè)計年限；N1為營運(yùn)第一年雙向日平均當(dāng)量軸次；γ為設(shè)計年限內(nèi)交通量平均增長率；

η為車道系數(shù)。

由式(2)可知，一般設(shè)計年限為15年的高速公路單車道設(shè)計交通量約為1 200萬軸次。此外在室內(nèi)模擬試驗時輪胎接地壓力為0.85MPa，是標(biāo)準(zhǔn)輪胎接地壓強(qiáng)0.7MPa的1.2倍。

根據(jù)這一關(guān)系，將擺值換算成橫向力系數(shù)具體見表5。利用SPSS軟件，對BPN,SFC,TD與軸載次數(shù)之間的關(guān)系分別進(jìn)行指數(shù)與對數(shù)回歸分析，具體結(jié)果見表8。

表8 抗滑技術(shù)指標(biāo)

3種碎石瀝青混合料的3個指標(biāo)對數(shù)回歸相關(guān)性較高，回歸系數(shù)大于0.9，指數(shù)回歸相關(guān)性較差,相關(guān)性系數(shù)最大為0.86。在200萬次荷載作用后，石灰?guī)r碎石瀝青混合料橫向力系數(shù)為23；破碎卵石瀝青混合料橫向力系數(shù)為44；玄武巖碎石瀝青混合料橫向力系數(shù)為48，只有石灰?guī)r碎石瀝青混合料小于JTJ073.2—2001《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[16]中SFC的要求值40。

利用表3回歸參數(shù)建立回歸方程，求得SFC=40時玄武巖碎石瀝青混合料需要400次軸載作用，破碎卵石需要390萬次作用。將軸載次數(shù)轉(zhuǎn)化為實際軸載次數(shù)作用分別為480，468萬次，相當(dāng)于設(shè)計年限為15年，單車道交通量1 200萬次道路6年的交通量。3種巖石相比較而言，玄武巖碎石更能夠滿足瀝青路面抗滑性能要求，石灰?guī)r碎石不宜用于瀝青路面抗滑表層。由于破碎卵石顯酸性與瀝青粘附性較差，在荷載與雨水作用下瀝青剝落較嚴(yán)重，一般不宜用于瀝青路面[17]。

3 結(jié) 論

通過對比集料磨光值與瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律可知，集料的磨光值主要呈指數(shù)形式衰減，瀝青混合料抗滑性能呈對數(shù)形式衰減。這說明集料磨光值對瀝青路面抗滑性能有一定的影響，但通過預(yù)測橫向力系數(shù)為40時，得出軸載次數(shù)相當(dāng)于6年的交通量，說明單單通過改變集料的種類仍然不能改善瀝青路面抗滑性能，所以要結(jié)合集料的磨光性綜合考慮其他影響因素。

1)通過對3種集料壓碎值、磨光值、磨耗值試驗分析，得出玄武巖碎石、石灰?guī)r碎石、破碎卵石3種集料的壓碎值與磨耗值之間具有線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.97。利用SPSS軟件對3種集料的磨耗值與壓碎值、磨光值進(jìn)行回歸分析，這3者之間存在共線性問題。利用逐步刪除法剔除變量磨耗值之后，得出壓碎值與磨光值之間具有線性相關(guān)性，集料壓碎值越小，磨光值越大。

2)通過MMLS3小型加速加載試驗儀室內(nèi)模擬試驗可知，3種集料瀝青路面擺值衰減規(guī)律以及構(gòu)造深度衰減規(guī)律都呈對數(shù)形式，并且具有較好的相關(guān)性相關(guān)系數(shù)大于0.9。經(jīng)過200萬次輪載作用后，相當(dāng)于設(shè)計年限為15年，單車道交通量1 200萬高速公路6年的交通量。3種集料瀝青路面擺值都趨于穩(wěn)定，石灰?guī)r碎石瀝青路面為45，玄武巖瀝青路面為56，破碎卵石瀝青路面為54。

3)經(jīng)過200萬次軸載作用后，將擺值換算為橫向力系數(shù)與SFC進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：只有石灰?guī)r碎石瀝青路面的SFC=23小于要求值40，另外兩種瀝青路面全部大于規(guī)范規(guī)定值40，其中玄武巖碎石瀝青路面SFC=48，破碎卵石瀝青路面SFC=44。3種碎石中，玄武巖碎石更適合用于瀝青路面上面層。

4)經(jīng)過120萬次輪載作用后，3種集料瀝青路面出現(xiàn)車轍。此時的構(gòu)造深度基本上趨于穩(wěn)定，玄武巖瀝青路面達(dá)到0.35 mm，破碎卵石瀝青路面為0.31 mm，石灰?guī)r碎石為0.28 mm。在同樣的級配下，不同的集料對瀝青路面的構(gòu)造深度，也有一定的影響，其中玄武巖能夠提供更大的構(gòu)造深度，石灰?guī)r最小，破碎卵石居中。

[1] 楊永奇.超薄抗滑表層在濟(jì)青高速公路路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].公路工程,2012,37(6):166-170. YANG Yongqi. Ultra-thin anti-slide surfaces in the Jiqing highway pavement maintenance of application[J].HighwayEngineering,2012,37(6): 166-170.

[2] 熊竹,秦杰君.基于模擬實驗的路面結(jié)冰預(yù)測研究[J].公路工程,2014,39(1):216-220. XIONG Zhu, QIN Jiejun. A study of road surface ice prediction based on simulate experiment[J].HighwayEngineering,2014,39(1):216-220.

[3] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社,2003:57-58. SHA Qinglin.PrematureDamageandItsPreservativeMeasuresofBituminousPavementonExpressway[M]. Beijing: China Communications Press,2003:57-58.

[4] 張肖寧,郭祖辛,吳曠懷.按體積法設(shè)計瀝青混合料[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,1995,28(2):28-36. ZHAN Xiaoning, GUO Zuxin, WU Guanghuai. Volume method of bituminous mixture design[J].JournalofHarbinUniversityofArchitectureandEngineering,1995,28(2):28-36.

[5] 譚憶秋,張肖寧,郭祖辛.用體積法設(shè)計SMA混合料的配合比[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,1999,32(3):45-48. TAN Yiqiu, ZHANG Xiaoning, GUO Zuxin. Designing the gradation of stone matrix asphalt mixture by void design procedure[J].JournalofHarbinUniversityofArchitectureandEngineering,1999,32(3):45-48.

[6] 董斌.部分滑水條件下高速公路車輛行駛安全性研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011:1-19. DONG Bin.StudyofSafetyDriveonExpresswayUnderPartlyHydroplaning[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2011:1-19.

[7] 王利利.路面抗滑性能變化特性研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2008:23-24. WANG Lili.ResearchonVarietyCharacteristicofPavementSkidResistance[D]. Beijing: Beijing University of Technology,2008:23-24.

[8] 楊眾,郭忠印,侯蕓.瀝青混凝土防滑磨耗層防滑性能加速試驗方法的研究[J].華東公路,2002(2):50-54. YANG Zhong, GUO Zhongyin, HOU Yun. Asphalt concrete antiskid wearing layer anti-skid performance accelerated test method research[J].EastChinaHighway,2002(2):50-54.

[9] 趙戰(zhàn)利.瀝青路面抗滑表層研究[D].西安:長安大學(xué),2002:14-18. ZHAO Zhanli.ResearchonSkidResistanceofAsphaltPavementSurfaceLayer[D]. Xi’an: Chang’an University,2002:14-18.

[10] 李天祥,李矗.瀝青路面抗滑性能衰減試驗研究進(jìn)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(18):63-63. LI Tianxiang, LI Chu. Asphalt pavement anti-sliding performance attenuation test research progress[J].ChinaNewTechnologiesandProducts,2010(18): 63-63.

[11] ANDRES K E, GEIGER B.AcceleratedAggregatePolishingPrototypeDesignCommittee[D].Houghton,u.s: Michigan Technological University,2005.

[12] 董昭.加速磨耗試驗與瀝青路面材料抗滑性能衰變規(guī)律研究[D].西安:長安大學(xué),2011:35-36. DONG Zhao.StudyonAcceleratedPolishingTestandtheRegularityofSkidResistanceDegradarionofAsphaltPavementMaterial[D]. Xi’an: Chang’an University,2011:35-36.

[13] 孫洪利.瀝青路面抗滑性能衰減特性研究[J].公路,2011(7):74-78. SUN Hongli. Study on asphalt pavement anti-sliding performance attenuation characteristic[J].Highway,2011(7):74-78.

[14] 李天祥.瀝青路面抗滑性能衰減試驗研究[D].西安:長安大學(xué),2009:56-60. LI Tianxiang.StudyonSimulativeTestofSkidResistanceDegradationofAsphaltPavementSurface[D]. Xi’an: Chang’an University,2009:56-60.

[15] 倪寶書.關(guān)于瀝青混凝土路面抗滑性能的探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(11):140-143. NI Baoshu. Anti-slide property of asphalt pavement[J].TransportStandardization,2009(11):140-143.

[16] 上海市公路管理處.公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范：JTJ073.2—2001[S].西安:陜西旅游出版社,2001. Shanghai Highway Mangement Office.TechnicalSpecifiationsforMaintenanceofHighwayASPHaltPavement:JTJ073.2—2001[S]. Xi’an: Shanxi Travel press,2001.

[17] 矯芳芳.排水瀝青混合料性能影響因素研究[D].西安:長安大學(xué),2010:68-71. JIAO Fangfang.InfluenceFactoronPropertiesofDrainageAsphaltMixture[D]. Xi’an: Chang’an University,2010:68-71.

Different Aggregate Polished Value Effect on the Swing Value of Asphalt Pavement

ZHANG Weiren1，ZHANG Yaodong2，WANG Yongping3

(1. Inner Mongolia Xilinguole Meng Highway Management Office，Xilinghot 026000，Inner Mongolia，P.R.China； 2.College of Energy and Traffic Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，Inner Mongolia， P.R.China；3.School of Traffic Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

Wearing and smoothening resistance of aggregates was the primary factor out of many factors affecting anti-skiding performance of asphalt pavement. Through experimental research, it was found that after 700 000 times wearing and smoothening, the polished value became basically stable and the polished values of the main three types of aggregates were decreased in exponential scale with polished value in order of: basalt crushed rock >crushed limestone >broken pebble. In-house simulating test was conducted with selected grading of AC-13C, by use of MMLS3 acceleration loading meter and under fixed testing condition. After 2million times of wheel loading were performed ,the swing value almost came to stabilization with its size relationship as:basalt gravel asphalt mixture >crushed pebble asphalt pavement >crushed limestone asphalt pavement. Software SPSS was used to data analysis and the results show that the asphalt surface slip resistance attenuation is in a logarithmic form and anti-sliding performance attenuation of three types of asphalt pavement with gravels is similar to polish value attenuation of the aggregates, which indicated that anti-wearing and polishing performance of aggregate is the main influence on anti-skiding performance of asphalt pavement and crushed basalt can more suitably serve as the surface of asphalt pavement.

road engineering; aggregate; polish values; pavement skid resistance

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.13

2015-04-17；

2015-08-11

張維仁(1963—)，男，內(nèi)蒙古錫林浩特人，副高級工程師，主要從事道路施工管理方面的工作。E-mail:331700387@qq.com。

王永平(1988—)，男，內(nèi)蒙古集寧人，碩士研究生，主要從事道路建材方面的研究。E-mail:472533033@qq.com。

U414

A

1674-0696(2016)05-058-07