混合料磨光對瀝青路面抗滑性能影響研究

陳惠萍

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200434）

混合料磨光對瀝青路面抗滑性能影響研究

陳惠萍

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200434）

經對比分析國內外開發過的路面磨光儀的特點,在吸收經驗的基礎上,開發了簡易便攜式室內磨光儀。采用特殊車轍板模具,制備AC-13、SMA-13兩種不同級配的混合料試件,通過磨光,獲得在不同試驗階段的抗滑性能指標,具體為:鋪沙法測得的構造深度、擺式儀測得的擺值、動摩擦系數儀測得的動摩擦系數,并采用指數模型對試驗結果進行了回歸分析。

瀝青路面；抗滑衰減；動摩擦系數

0 引言

瀝青路面的抗滑性能是與道路交通安全密切相關的世界性問題,輪胎與路面間摩擦力的傳遞為汽車加速、制動、轉彎提供了驅動力。路面表面自建成以后就暴露在空氣中,隨著自然環境和汽車荷載的長期作用,抗滑性能會出現不同程度的衰減,繼而影響到行車安全。因此,掌握路面抗滑性能的衰減規律對于更好地進行材料設計、保障道路行車安全具有重大意義。

1 國內外磨光試驗發展現狀

通常磨光試驗分為足尺實驗和室內模擬實驗兩大類。其中,足尺試驗又分為環形路面和直線路面兩類。環道式路面加速加載試驗的設備龐大、結構復雜,再加上不能真實再現運輸車輛對路面的加載,目前國際上已很少采用,而廣泛采用的是直線型路面加速加載試驗設備。目前直線型路面加速加載設備只有南非、美國、澳大利亞等少數國家研制并銷售,雖然長沙理工大學研發了相關設備,但僅長沙理工大學用來做相關科學研究,并沒有形成產品化和市場化,因此采用足尺模擬的試驗方法性價比較低。

室內模擬試驗因為其造價低、耗時短,因此被很多學者青睞,一直以來國內外研究人員努力設計出多種試驗設備及試驗方法。早期研究人員直接采用車轍儀進行磨光試驗,但是由于試驗輪寬度過小（5 cm）,后期很難進行摩擦系數評價指標的提取,并且車轍儀運行速度慢、輪胎價格昂貴,因此后期在該基礎上進行了一些改進。

2 便攜式室內磨光儀的研發

通過對國內外磨光設備的研究發現,國外大部分設備的尺寸和自重普遍較大,因此在搬運和安裝過程中都有一定的困難,另外拼接試件很難控制平整度的一致性。國內試驗設備相對較為小巧輕便,但對后期抗滑指標提取較為單一。鑒于以上存在的問題,現嘗試在前人研究的基礎上對瀝青路面磨光設備進行優化。

2.1 磨光儀的主要構造

現開發的室內磨光儀吸收了國內外磨光儀的特點,其具體結構如圖1所示,主要包括動力控制區域和試驗區域兩部分。動力控制區域中包括提供動力的電機及控制轉速的減速器,電機的轉速為1 400 r/min,由1∶30的減速器減速后通過豎直設置的傳動軸將與試驗區域的荷載圓盤相連。荷載圓盤上部為調荷圓盤,由螺絲連接,可自由拆卸實現荷載調節,荷載圓盤的底部設置有4個用于碾壓試件的橡膠萬向輪。通過調節中軸上的螺栓可實現荷載圓盤的升降,使加載輪胎與放置在底層支座上的路面板試件接觸。

該項試驗采用的輪子的直徑是12 cm,寬度為5 cm的實心輪胎。考慮到輪胎寬度不足的問題,設計輪胎在荷載盤上的分布形式如圖1所示,這樣通過輪胎1/2重疊的錯位設置,使得輪胎的行駛界面寬度達到了12.5 cm,這樣有利于采用英式擺式儀、鋪沙法、動態摩擦系數測試儀進行測量。

圖1 磨光儀結構圖

2.2 磨光儀的使用方法

2.2.1 試驗的準備階段

將磨光儀放在水平的支架上,在試件放置臺上放氣泡水準儀,通過微調磨光儀底部的螺絲,使氣泡水準儀中的氣泡居中,保證儀器放置水平。

2.2.2 試驗階段

通過傳動軸頂部的螺栓使加荷裝置升起,將成型好的試件放置在底層支座上,并對試件進行調平。通過螺栓使加荷裝置下降,輪胎與路面接觸。打開機構的電源開關,電機轉動,輪胎開始對試件進行磨光。在達到預定的磨光時間之后,關閉電源,將加荷裝置升起,試件從試件放置臺上取出,進行抗滑性能參數的測定。

3 混合料設計

目前,應用于瀝青路面上面層的混合料類型主要有瀝青混凝土混合料（AC）和瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。這兩種不同的瀝青混合料具有不同的工程性能與宏觀構造,此次試驗以 AC-13、SMA-13為例,集料采用昊天路橋工程公司提供的玄武巖,瀝青采用中國石化提供的70#基質瀝青,通過添加TPS高模量劑改性。

3.1 原材料物理力學指標

3.1.1 瀝青

該項試驗采用的瀝青是70#基質瀝青,具體規范要求和技術指標見表1所列。

表1 基質瀝青常規試驗結果一覽表

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ052-2011）,70#基質瀝青指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）有關道路用石油瀝青技術要求。

3.1.2 集料

該項試驗的集料采用的是玄武巖石料,其中細集料由0～3碎石、3～5碎石兩檔料組成,粗集料是10～15 mm碎石、5～10 mm碎石兩檔料組成,具體的性能如表2、表3所列。

表3 粗集料試驗結果一覽表

根據《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005）和《公路瀝青路面施工技術規范》（JTJ040-2004）,集料性能指標均滿足技術要求。

3.2 級配優選與最佳油石比確定

3.2.1 AC-13混合料設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）給出的建議級配上下限,選擇最佳級配結果見表4所列。

根據規范要求設計的空隙率,確定最佳油石比為5.0%,TPS摻量為0.3%。

3.2.2 SMA混合料設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）給出的建議級配上下限,選擇最佳級配結果見表5所列。

根據設計空隙率3.5%,確定最佳油石比為6.3%,TPS摻量為0.3%。

4 混合料抗滑性能衰減試驗

4.1 抗滑性能指標測試方法

路面抗滑性能有諸多評價指標,主要分為路表構造和摩擦系數兩大類,目前國內外已經開發了多種路表抗滑性能的檢測設備并出臺了一系列評價指標。我國較常采用的是擺式儀、鋪沙法和SCRIM測試車,但其中SCRIM測試車由于設備較大,通常只能用于實際道路的摩擦系數測量,由于該項試驗涉及的瀝青混合料試件尺寸較小,故采用動態摩擦系數儀（見圖2）進行摩擦系數的測量。該儀器利用一個和測試表面平行的旋轉圓盤進行測量,這種測量方法可以用于評價高速運動時的摩擦系數,除此之外,采用鋪沙法測量構造深度、擺式儀測量低速時的摩擦系數。

表4 AC-13礦料級配一覽表

表5 SMA-13礦料級配一覽表

圖2 試驗用動摩擦系數儀實景

4.2 抗滑性能衰減試驗過程

整個試驗采用磨光、測試的循環操作方法,首先對試件初始構造深度、擺值、動摩擦系數進行測量,初始抗滑指標采集完成后,對試件進行磨光,磨光完成后,將試件取下,進行擺值和動摩擦系數的測量。然后將試件風干,進行構造深度的測量,所有指標采集完成后,對試件進行新一輪的磨光。第一輪磨光取0.5 h作為時間間隔,磨光1 h之后取1 h作為時間間隔,磨光4 h之后取2 h作為時間間隔,直至12 h完成磨光。

4.3 抗滑性能衰減試驗結果分析

將AC-13和SMA-13級配的混合料試件按照上述方法進行磨光并采集抗滑性能評價指標,分析不同速度下試件表面動摩擦系數的變化情況,所得的結果見圖3所示。

圖3 動摩擦系數隨速度變化曲線圖

從圖3可以看出,低速時試件表面的動摩擦系數較大,隨著速度的增加,動摩擦系數逐漸減小,且衰減幅度在低速下較大,高速下較小,并在速度達到40 km/h以后逐漸趨于穩定。對于不同磨光時期的試件,在磨光時間較短的情況下（不大于2 h）,低速時不同試件的動摩擦系數差別較大,磨光時間越短,動摩擦系數越大,對于磨光時間較長的情況（大于2 h）,低速時不同試件的動摩擦系數差別相對較小,主要是由于隨著磨光時間的加長,集料被磨損,試件表面的粗構造逐漸變小,直至趨于穩定,而低速狀態下試件的摩擦系數主要取決于粗構造,因此測得的差異不大。高速時動摩擦系數較為穩定,不同試件的動摩擦系數差別相對較小,動摩擦系數隨磨光時間增加呈下降趨勢。

從上面的分析得到,當速度達到40 km/h以后,測得的動摩擦系數趨于穩定,在國際摩阻指數中,選取60 km/h作為標準速度,因此該項試驗選取速度為60 km/h的動摩擦系數作為穩定值,進行抗滑性能衰減的分析,所得的結果見圖4所示。

圖4 抗滑性能衰減曲線圖

由圖4可以看出,兩種級配混合料的抗滑指標衰減過程接近,呈現先急后緩、最終趨于穩定的趨勢。在磨光前期,抗滑指標衰減速度較快,大約在磨光2 h后,衰減速度開始減緩,磨光10 h后,抗滑指標趨于穩定,基本不再發生變化。這與實體工程的跟蹤調查結果（開始運營的1～2 a衰減速度較快,隨后逐漸變慢,最終穩定在某一水平）基本一致。

根據以上測試結果,該項試驗采用指數模型進行擬合,結果列于表6。該擬合公式可以通過系數A、B、C直觀地分析衰減情況,A+C反映了抗滑水平初值,即試件剛成型時的抗滑性能；C反映了衰減終值,即當抗滑性能趨于穩定時的數值；A和B分別反映了抗滑性能的衰減幅度和衰減速度,有助于從長久的角度分析評價抗滑性能的衰減情況。

表6 抗滑性能衰減擬合參數表

通過擬合結果可以發現,該指數模型與試驗曲線有較高的相關性。由于骨架結構的存在,細集料含量少,SMA-13在初期的抗滑性能明顯高于AC-13,但大量的礦粉在粗集料骨架內形成膠漿,在輪載的反復作用下,混合料被不斷地擠壓,這些膠漿無處流動而被迫上浮,同時,暴露在表面的粗集料被不斷磨損,從而導致構造深度減小,抗滑性能衰減。由于AC-13為懸浮密實型結構,初期構造深度較小,但由于暴露于表面的粗集料數量不多,因此抗滑性能的衰減速度較AC-13更緩,除初構造深度外,其余抗滑性能終值均與SMA-13相差不大。

5 結論

本文設計了AC-13、SMA-13兩種不同級配試件,依托于自主研發的磨光儀,進行了瀝青混合料抗滑性能衰減試驗,并采用指數模型對試驗結果進行了回歸分析,結果表明:

（1）低速時,試件表面的動摩擦系數較大,隨著速度的增加,動摩擦系數逐漸減小,且衰減幅度在低速下較大,高速下較小,并在速度達到40 km/h以后逐漸趨于穩定。對于不同磨光時期的試件,在磨光時間較短的情況下（不大于2 h）,低速時不同試件的動摩擦系數差別較大,對于磨光時間較長的情況（大于2 h）,低速時不同試件的動摩擦系數差別相對較小。

（2）試件的磨光呈現先急后緩、最終趨于穩定的趨勢,磨光10 h后,抗滑指標基本不再發生變化。其中SMA-13在磨光初期表現出較好的抗滑性能,但其隨磨光衰減的速度較快,最終摩擦系數與AC-13較為接近。

U416.217

A

1009-7716（2017）07-0233-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.072

2017-03-21

陳惠萍（1965-）,女,江蘇南京人,工程師,從事市政道路工程設計研究工作。