濕熱環境下超薄磨耗層配比設計及抗滑性能研究

黃偉

(廣東能達高等級公路維護有限公司， 廣東 廣州 510030)

超薄磨耗層運用到路面中能提高路面的抗滑性能。路面抗滑性能指標主要包括路面構造深度及橫向摩擦系數。從測試便捷性及運用程度來看，以路面構造深度作為路面抗滑性能指標更常見。超薄磨耗層的構造深度受環境影響，濕熱環境下超薄磨耗層的構造深度與干燥環境下有顯著區別。劉奕研究了濕熱環境下影響超薄磨耗層抗滑性能的因素，指出施工中應將理論配比中油石比含量降低0.3%～0.5%。目前，關于濕熱環境影響超薄瀝青砼抗滑性能的成果較多，但都建立在室內試驗的基礎上，需通過現場試驗確定溫度、濕度的影響程度。

G80廣昆(廣州—昆明)高速公路廣云(廣州—云浮)段位于廣東西部地區，路線全長37.45 km，雙向四車道，設計速度為100 km/h，部分路段為120 km/h，于2004年12月24日正式開通。該高速公路位于北回歸線以南，屬南亞熱帶季風海洋性氣候，濕潤多雨，夏無酷暑，冬無嚴寒，屬于典型的濕熱地區。該文以其為對象，進行濕熱環境下AC-8超薄磨耗層配比設計，分析溫度、濕度變化對超薄磨耗層抗滑性能的影響。

1 原材料

(1) 瀝青。該項目加鋪的超薄磨耗層采用SBS(1-C級)瀝青，其技術指標檢測結果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術指標檢測結果

(2) 集料。集料特性影響瀝青混合料的路用性質，在瀝青混合料設計中集料選擇非常重要。該項目中細粒式瀝青砼AC-8所用粗、細集料規格分別為5～10 mm英安巖碎石和0～5 mm石灰巖機制砂。根據JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》，粗集料壓碎值≤26%、表觀密度≥2.6 g/cm3、吸水率≤2.0%，細集料表觀密度≥2.5 g/cm3。集料密度及各項技術指標檢測結果顯示：細集料表觀密度>2.5 g/cm3，滿足規范要求；粗集料壓碎值為19.8%<26%，表觀密度>2.6 g/cm3，吸水率<2%，均滿足規范要求。

(3) 礦粉。按JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》進行測試，測得礦粉的表觀密度為2.754 g/cm3>2.5 g/cm3，滿足規范要求。

(4) 原材料試驗環境。原材料試驗時溫度為20～30 ℃，濕度為40%～60%。

2 濕熱環境下超薄磨耗層配比設計及性能分析

(1) 礦料級配組成要求。該項目加鋪的細粒式瀝青砼AC-8的礦料級配見表2。

表2 細粒式瀝青砼AC-8的礦料級配

(2) 礦料級配合成計算。采用水洗法進行瀝青砼礦料級配篩分試驗，得到篩分試驗結果及目標配合比礦料合成級配(見表3)。瀝青混合料中各集料的比值為粗集料∶細集料∶礦粉=61∶30∶9。圖1為細粒式瀝青砼AC-8礦料級配曲線。

表3 細粒式瀝青砼AC-8礦料級配合成計算

圖1 細粒式瀝青砼AC-8的礦料級配曲線

(3) 馬歇爾試驗。細粒式瀝青砼AC-8的馬歇爾試驗結果見表4和圖2。由表4和圖2可知：瀝青混合料的空隙率取6%時，瀝青混合料的油石比最佳。采用差分法，取空隙率為6%，對應的油石比計算結果為6.35%。因此，瀝青混合料的最佳油石比為6.35%，毛體積密度為2.252 g/cm3。

表4 細粒式瀝青砼AC-8馬歇爾試驗結果

圖2 細粒式瀝青砼AC-8馬歇爾試驗曲線

(4) 路用性能試驗。對油石比為6.35%的混合料進行車轍試件和凍融劈裂試驗，試驗結果分別見表5、表6。由表5和表6可知：細粒式瀝青砼AC-8的各項技術指標均達到規范要求，目標配合比為粗集料(5～10 mm碎石)∶細集料(0～5 mm機制砂)∶礦粉=61∶30∶9，最佳油石比為6.35%。

表5 細粒式瀝青砼AC-8車轍試驗結果

表6 細粒式瀝青砼AC-8凍融劈裂試驗結果

3 濕熱環境下超薄磨耗層抗滑性能分析

3.1 溫度和濕度對抗滑性能的影響

以溫度、濕度為研究變量，設置6種不同溫度及6種不同濕度環境，將試塊在設定的環境中養護后測定AC-8混合料的構造深度。每個變量制作4塊試件，共48塊試件。不同溫度、濕度工況下AC-8混合料的構造深度見表7。

表7 不同溫度、濕度下AC-8混合料構造深度測試結果

由表7可知：溫度和濕度變化均影響混合料的構造深度。濕度保持不變時，隨著溫度的升高，試件的構造深度逐漸降低，1 ℃下試件構造深度比50 ℃下構造深度高0.37 mm，溫度變化對試件構造深度的影響較大。溫度保持不變時，隨著濕度的增大，試件的構造深度逐步增大，但變化幅度較小，濕度為零時試件構造深度比81%～100%濕度下構造深度僅小0.05 mm，濕度變化對試件構造深度的影響較小。

溫度、濕度均影響試件的構造深度，在不同溫度、濕度環境下，試件展現出來的抗滑性能存在差異。考慮到溫度對構造深度的影響更大，采用非線性函數關系式進行擬合，建立溫度與構造深度之間的函數關系[見式(1)]。對表7中不同溫度下試件構造深度進行擬合，得到a=0.955、b=-0.068。

HGZ=a×Tb

(1)

式中：HGZ為構造深度；a、b為回歸系數；T為溫度。

3.2 油石比對抗滑性能的影響

濕熱環境濕度大、溫度高，對瀝青面層油石比的影響較大，會導致路面油石比不穩定，導致路面構造深度降低。因此，濕熱環境中影響路面抗滑性能的關鍵指標為油石比。為分析油石比對路面構造深度的影響，采用構造深度殘留率進行評價。

不同油石比下AC-8混合料各制備3個標準馬歇爾擊實試件，檢測其構造深度H1。對試件進行輪碾試驗，試驗結束后沿輪跡帶將試件切割成矩形，測量其構造深度H2。以輪碾試驗前后試件的構造深度變化作為混合料構造深度殘留率H，計算公式見式(2)。不同油石比下AC-8混合料的構造深度殘留率見表8。

H=H2/H1

(2)

表8 AC-8混合料油石比-構造深度試驗結果

由表8可知：不同油石比下試件構造深度殘留率不同，油石比影響試件的殘留率。隨著油石比的增大，試件構造深度殘留率顯著減小。并非采取較大油石比更有利于超薄磨耗層的抗滑性能提高，超薄磨耗層施工中應控制好油石比。該項目采用6.35%的油石比能保障超薄磨耗層構造深度殘留率達到相關要求。

試驗中發現，車轍試驗時間會影響試件的構造深度殘留率。取一組馬歇爾試件，分別增加車轍試驗時間(如降低輪碾速度、延遲輪碾時間)10、30、50 s，測試混合料的構造深度，結果見表9。

表9 油石比為6.0%時不同車轍時間下AC-8混合料的構造深度殘留率

由表9可知：車轍時間不同，試件的構造深度也不同。隨著車轍時間的增大，試件的構造深度殘留率減小。車轍試驗中應確保車轍時間一致，避免因車轍時間不一致造成試驗結果誤差。

3.3 提高瀝青路面抗滑性能的措施

依據該項目現場施工環境，結合現有超薄磨耗層抗滑性能研究成果，可從以下方面采取措施提高瀝青路面的抗滑性能。

(1) 結合施工現場油石比現狀調整最佳油石比，根據經驗，油石比可降低0.3%～0.5%。

(2) 提高瀝青品質。從試驗路效果來看，密級配AC-8超薄磨耗層可采用I-D級改性瀝青。

(3) 改善黏附性。車輛荷載作用在瀝青路面上時，泉吸作用下將瀝青抽離到路面處，從而增加車輛輪胎接觸的瀝青量，不利于路面抗滑。因此，需確保瀝青和集料間的黏附性。

4 結論

(1) AC-8混合料的目標配合比為粗集料(5～10 mm碎石)∶細集料(0～5 mm機制砂)∶礦粉=61∶30∶9，最佳油石比為6.35%。

(2) 溫度和濕度變化均會影響混合料的構造深度。濕度保持不變時，隨著溫度的升高，試件的構造深度逐漸降低；溫度保持不變時，隨著濕度的增大，試件的構造深度逐步增大，但變化幅度較小。相對于溫度變化，濕度變化對試件構造深度的影響較小。

(3) 油石比影響試件的構造深度殘留率，隨著油石比的增大，試件的構造深度殘留率顯著減小。超薄磨耗層使用中應控制好油石比，并非油石比越大越有利于超薄磨耗層的抗滑性能提高。

(4) 車轍試驗時間會影響試件的構造深度殘留率，車轍時間增大，試件的構造深度殘留率減小。車轍試驗中應確保車轍時間一致。

(5) 濕熱環境會造成瀝青路面油石比不穩定，導致瀝青路面構造深度衰減較快。油石比影響瀝青路面的抗滑性能，可從調整最佳油石比、采用高品質瀝青、改善瀝青和集料間黏附性等入手提高超薄磨耗層的抗滑性能。