基于不同路表狀態(tài)下加速磨耗試驗的瀝青路面抗滑性能衰變研究*

李曉龍 蔡春兵 劉宗祥 王 川

(1.云南省公路科學技術研究院 昆明 650000； 2.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

路面抗滑性能直接影響著道路的行車安全，優(yōu)質的路面必須保證高速行車時有足夠的抗滑力，以降低事故的發(fā)生率。早在1927年英國的TRRL機構就開始從事路面抗滑阻力相關技術方面的研究，并指出在路面比較潮濕的情況下交通事故發(fā)生的概率與路面滑溜程度有顯著關系[1]。我國從20世紀80年代起隨著交通流量的增加，路面濕滑引發(fā)交通事故的狀況日益顯著。研究表明，瀝青路面抗滑性能與混合料自身結構和路表狀態(tài)直接相關，基于搓揉試驗前后，密實-骨架結構相比密實-懸浮結構的構造深度初始值及衰減終值提高近30%以上[2]；骨架型級配及較大的最大公稱粒徑有助于提高抗滑性能，但骨架空隙型結構及太大的粒徑由于接觸應力的增大會加速抗滑性能的衰變。因此，選擇骨架密實型級配、合適的最大公稱粒徑有助于改善混合料的抗滑性能[3]。干燥狀態(tài)下的摩擦系數(shù)(BPN)值最大，在潮濕狀態(tài)下發(fā)生明顯衰減，表明路表狀態(tài)發(fā)生改變(從干燥變潮濕)會對摩擦系數(shù)產生顯著影響[4]。

為研究不同級配類型瀝青混合料在不同路表狀態(tài)下經過不同加載次數(shù)后抗滑性能的衰變規(guī)律，本文根據(jù)車輪磨耗原理開發(fā)出一種環(huán)道式小型加速磨耗儀，模擬在不同路表狀態(tài)下的抗滑性能變化情況，以期為多雨地區(qū)選用合理的抗滑層提供技術依據(jù)。

1 試驗方案設計

1.1 環(huán)道式小型加速磨耗儀的開發(fā)

車輪的不斷搓揉使集料表面逐漸被磨損，導致瀝青面層抗滑性能下降，并且車輪對路面在干燥和潮濕狀態(tài)下的磨損衰減程度有較大區(qū)別。因此，進行瀝青路面抗滑耐久性的研究首先要能真實模擬輪載的作用效果，而目前較多研究采用車轍儀進行反復搓揉，其對高溫車轍評價效果影響較小，但試驗輪的往返運動將會對試件表面的揉搓效果有所抵消，無法真實反映不同加載次數(shù)后的抗滑性能。

為消除此影響，本文采用自行研發(fā)的加速磨耗儀進行試驗，其實質為一個微型環(huán)道，加載方式為單向環(huán)形行駛，輪寬5 cm，旋轉時2個試驗輪輪跡疊加5 mm，最終使磨耗寬度為9.5 cm，同時加載配重，并采用米格紙計算接地面積，保證單輪接地壓強在(0.7±0.02) MPa之間，轉速設置為20 r/min。在使用加速磨耗儀加載時試件拼接方式見圖1所示。根據(jù)不同加載次數(shù)來模擬路面在累計荷載作用下的衰減過程，并采用構造深度(TD)和BPN指標進行評價[5-6]。

圖1 加載時試件拼接示意圖

1.2 試驗環(huán)境

研究表明，試驗溫度越高、荷載越大，瀝青混合料抗滑性能趨于穩(wěn)定所需要的時間越短，結合實際情況，本次研究選取在25 ℃、輪載0.7 MPa條件下進行試驗。 為模擬多雨地區(qū)瀝青路面抗滑性能的衰減規(guī)律，選用干燥條件和浸水50%MTD、浸水100%MTD、浸水100%MTD+3 mm共4種路表狀態(tài)進行磨耗研究，干燥狀態(tài)下每加載2 h檢測構造深度和摩擦系數(shù)，浸水狀態(tài)下每加載2 h檢測摩擦系數(shù)。

1.3 檢測方法

1) 對于構造深度，由于輪跡帶內存在錯臺，且轍槽較窄，標準試驗方法的量砂體積為25 cm3，無法單獨測出其構造深度。綜合考慮，本研究決定將量砂體積縮小至1/5，即5 cm3的量砂進行檢測，通過2種方法的多次檢測對比及校正，發(fā)現(xiàn)二者的差值始終介于±0.1 mm之間。因此，確定采用5 cm3量砂檢測試件輪跡帶范圍內的構造深度，并將輪跡帶上3個測點的平均值作為試件的構造深度。

2) 對于摩擦系數(shù)，經加速磨耗儀加載后在試件表面形成的輪跡寬度達到了95 mm，擺式摩擦儀滑塊(寬度為76.2 mm)可順利通過，因此按標準試驗方法即可。

2 瀝青混合料試件的制作

為更好地分析不同類型瀝青混合料路面抗滑性能的變化規(guī)律[7]，選取AC-16C、SMA-16與FDAC-16 3種類型的瀝青混合料進行對比研究，其中強骨架密實型瀝青混合料(strong framework-dense asphalt concrete，F(xiàn)DAC)是基于AC結構和SMA結構提出的一種新型瀝青混合料結構，其結構特點是由高含量粗集料形成骨架，較多礦粉和較少細集料顆粒填充，較低瀝青用量組成的高性能、經濟性混合料。具有良好的嵌擠結構，抵抗塑性變形的能力較強；瀝青-礦粉形成的膠漿填充骨架間空隙，密實不透水；同時因粗骨料含量大，其構造深度較大，有利于行車安全。

本研究采用車轍成型儀成型300 mm×300 mm×50 mm的試件，所用集料、礦粉、瀝青等原材料均為相同材質，配合比設計情況見表1。為排除空隙率對試驗結果的影響，均選取空隙率為(5.0±0.2)%的試件進行研究。

表1 不同瀝青混合料級配情況

3 干燥條件下不同加載次數(shù)的衰變規(guī)律

3.1 不同加載次數(shù)的衰變規(guī)律

按照上述試驗方案，對3種類型的瀝青混合料分別成型試件，在干燥條件下進行加載試驗，每加載2 h，測定試件表面的TD、BPN，試驗結果見表2及圖2、圖3。

表2 干燥條件下不同類型瀝青混合料的抗滑性能衰減情況

圖2 構造深度衰減曲線

圖3 摩擦系數(shù)衰減曲線

由構造深度試驗結果可知：

1) 對于構造深度，不同類型瀝青混合料均呈現(xiàn)出快速下降→下降緩慢→趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

2) FDAC-16的衰減曲線始終高于AC-16C和SMA-16，且衰減終值在1.0 mm以上，相比AC-16C提高將近40%，抗滑性能優(yōu)異。

3) SMA-16、FDAC-16在加載8 h后逐漸趨于穩(wěn)定，而AC-16C在加載6 h后就達到穩(wěn)定狀態(tài)。其原因為傳統(tǒng)的懸浮密實結構AC-16C易壓密，膠泥上浮使抗滑構造達到穩(wěn)定，而SMA、FDAC由于骨架結構較強而保持著豐富的宏觀紋理。

由摩擦系數(shù)試驗結果可知：

1) 對于摩擦系數(shù)，不同類型瀝青混合料均呈現(xiàn)出小幅上升→快速下降→趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

2) 加載前5 h AC-16C的衰減曲線高于FDAC-16和SMA-16，5 h后FDAC-16衰減曲線高于AC-16C，其主要原因為擺式儀測定路面摩擦系數(shù)是橡膠塊滑過試件表面一定長度發(fā)生能量耗散的過程，在初期構造深度最小的AC-16C比構造深度較大的SMA-16、FDAC-16能夠為滑塊提供更多的接觸點，耗散能量更多，因此摩擦系數(shù)初始值較高，而SMA-16、FDAC-16構造深度較大，與滑塊的接觸點較少，為滑塊滑動提供的附著分量較小。這也說明摩擦系數(shù)擺值BPN與構造深度TD的關系并不明顯。

3.2 抗滑衰減率分析

為更好地分析瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律，定義構造深度衰減率Tv、摩擦擺值衰減率Bv，計算公式分別如下：

式中：Tv為構造深度衰減率，%；Ti為加載i小時測得的構造深度，mm；T0為初始構造深度值，mm；Bv為摩擦擺值衰減率，%；Bi為加載i小時測得的摩擦擺值；B0為初始摩擦擺值。

在相同溫度、荷載試驗條件下的構造深度衰減率、擺值衰減率計算結果見表3。

表3 構造深度衰減率、擺值衰減率試驗結果

從構造深度衰減率可以看出，SMA-16的構造深度衰減率高達37.2%，而AC-16C、FDAC-16均在25%左右，其主要原因是當瀝青含量較大時，在荷載作用下混合料中的膠泥已被搓揉到路面表層，使表面宏觀構造顯著下降；從摩擦系數(shù)衰減率來看，雖然AC-16C初始BPN值較大，但衰減率均高于SMA-16、FDAC-16，說明懸浮結構相對于骨架結構更容易被磨損。

干燥條件下的試驗結果表明，構造深度和擺值的衰減速度和規(guī)律并不一致，構造深度的穩(wěn)定速度較快，基本在6～8 h后即達到穩(wěn)定狀態(tài)，而擺值在8～10 h后趨于穩(wěn)定，由于構造深度主要用于評價宏觀紋理，擺值用于評價微觀紋理，因此可以說明，宏觀紋理的衰減速度要快于微觀紋理。

4 不同浸水條件下不同加載次數(shù)的衰變規(guī)律

本文采用路表平均構造深度(MTD)與水膜厚度的關系進行研究[8]，定義路面水膜厚度為路面全部水流厚度減去MTD，其示意見圖4。

圖4 水膜厚度、平均構造深度示意圖

相關研究表明，當水膜厚度在4 mm以上時，采用擺式摩擦儀進行測定時數(shù)據(jù)會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象[9-10]，這說明水膜較厚時對滑塊產生明顯阻力使擺值增大，數(shù)據(jù)失真。因此，本文選取浸水50%MTD、浸水100%MTD、浸水100%MTD+3 mm 3種不同浸水狀態(tài)進行不同加載次數(shù)的抗滑衰減規(guī)律研究。

4.1 不同水膜厚度對擺值的影響

為得到不同水膜厚度對路面摩擦系數(shù)的影響，在加載開始前即0 h時對3種不同類型路面不同路表狀態(tài)下的摩擦系數(shù)進行檢測，檢測結果見表4及圖5。

表4 加載前不同路表狀態(tài)下的摩擦系數(shù)檢測值

圖5 不同水膜厚度對摩擦系數(shù)的影響曲線

由試驗結果可知，不同測試狀態(tài)下3種瀝青混合料的衰減規(guī)律基本相似，試件從干燥狀態(tài)到潮潤狀態(tài)(干燥～浸水50%MTD)即剛剛形成水膜時，擺值降幅最大，從潮潤狀態(tài)到濕潤狀態(tài)再到浸沒狀態(tài)(即浸水50%MTD～浸水100%MTD+3 mm)中隨著水膜厚度的增大，摩擦系數(shù)緩慢降低。

4.2 不同加載次數(shù)的衰變規(guī)律

各級配類型瀝青混合料不同加載次數(shù)后的試驗結果見表5及圖6。

表5 不同浸水條件下的抗滑指標變化情況

圖6 不同浸水程度下摩擦系數(shù)衰減曲線

從試驗結果可知，浸水越嚴重，瀝青混合料抗滑性能達到穩(wěn)定所需要的時間越長，衰減率越大，且穩(wěn)定終值越小。三者區(qū)別在于FDAC-16達到穩(wěn)定終值所需的加載時間最長，AC-16C所需時間最短。

5 結論

本文通過對AC-16C、SMA-16、FDAC-16共3種類型瀝青混合料在干燥和不同浸水條件下進行抗滑性能衰變的研究，可得出以下結論：

1) 對于構造深度，不同類型瀝青混合料均呈現(xiàn)出快速下降→下降緩慢→趨于穩(wěn)定的規(guī)律，而摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)出小幅上升→快速下降→趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

2) FDAC-16構造深度衰減曲線始終高于AC-16C和SMA-16，且衰減終值在1.0 mm以上，相比AC-16C提高將近40%，抗滑性能優(yōu)異。FDAC在含有大量粗骨料增大宏觀構造的同時，其較低的瀝青含量能延緩宏觀構造深度的衰減，很好的平衡了兩者之間的矛盾，在干燥和浸水條件下均表現(xiàn)出良好的抗滑性能，因此建議濕熱山區(qū)路面采用FDAC結構。

3)BPN與TD的關系不明顯，并且兩者衰減的速度及規(guī)律也不一致，構造深度的最終穩(wěn)定速度相對較快，說明路表宏觀紋理的衰減速度要快于微觀紋理。

4) 不同水膜厚度狀態(tài)下3種瀝青混合料的衰變規(guī)律基本一致，試件從干燥狀態(tài)到潮潤狀態(tài)(干燥～浸水50%MTD)即剛剛形成水膜時，擺值降幅最大，從潮潤狀態(tài)到濕潤狀態(tài)再到浸沒狀態(tài)(即浸水50%MTD～浸水100%MTD+3 mm)中隨著水膜厚度的增大，摩擦系數(shù)緩慢降低。