公路彩色抗滑薄層疲勞性能試驗分析

毛思驍

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 前 言

公路彩色抗滑薄層是一種應用于路面局部的薄層鋪裝結構，作為一種具有色彩提示、防滑減速、美化路面功能的新型交通安全技術措施，一般用于交叉口、彎道、匝道、特殊橋面、長坡、ETC車道等特殊路段。

彩色抗滑薄層經受車輛荷載和自然因素的綜合影響，承受剪、壓、拉、彎曲以及凍融循環等多重物理力學作用。其中，車輪荷載循環作用下的抗疲勞性能是一項重要的試驗指標。

2 彩色薄層構成材料

彩色抗滑薄層材料由硬質骨料、粘結材料組成，此外，底涂層、封層膠和填料等作為輔助材料也時常使用。其中封層的作用主要是填充表面骨料之間的空隙，以提高骨料粘接強度，并減少雜物嵌入影響彩色抗滑薄層的色彩和結構強度；底涂層的使用主要是為了避免基底材料對粘結材料的化學作用，同時提高粘接強度。常用填料為玻璃珠，以增強彩色抗滑薄層的夜間反光能力，提高夜間的識別效果與行車安全性。

本次試驗中的粘結材料為雙組分丙烯酸樹脂，骨料為彩色石英砂。

3 疲勞性能試驗方法

3.1 加載設備

采用電腦程控液壓伺服疲勞試驗機，最大施加荷載為300 KN。

3.2 試驗方法

(1)試件

疲勞試驗試件的承載主體采用水泥膠砂試塊，其規格為40 mm×40 mm×160 mm。在試塊頂部，按著撒砂式施工方法，均勻涂布粘結材料并粘結彩色石英砂，形成厚度約4 mm的彩色抗滑薄層，在室溫條件下養生4 h。采用常溫試件、凍融撒除冰鹽試件各做一組疲勞性能試驗，每組試驗各3個試件。

(2)試驗

將加工好的試件安放在疲勞試驗機的承臺底座上，在試件上的彩色抗滑薄層表面鋪墊8 cm×3 cm×0.5 cm的橡膠條，以模擬輪胎緩沖效果。采用前端弧面直徑為φ3 cm的壓頭，將壓頭緩慢降低，并與橡膠片完全接觸。在正式加載前，需要對試件施加3遍5 KN荷載進行預壓，每次預壓的穩壓時間為15 s，通過預壓來避免因接觸不良造成的誤差。

加載控制參數如下：

控制模式：應力控制；

荷載形式：以正弦波方式垂直加載；

荷載頻率：10 Hz。相當于車速60 km/h；

施加荷載：夾頭與試件的接觸面積為2.4×10-3m2；為避免疲勞試驗機的荷載漂移影響，正弦波加載的最小荷載Pmin不宜過小，初選Pmax=3 KN、Pmin=0.3 KN。嘗試試驗過程中，發現在此最小荷載下，膠皮的彈性對正弦波波形仍有影響。經反復試驗，最終選用Pmin=0.4 KN。

4 試驗分析

本次試驗施加的最大荷載為3 KN，經計算可知，對應的最大加載壓應力為1.25 MPa，而輪胎與路面的標準接觸壓應力為0.7 MPa。因此，本次疲勞試驗的應力水平大于公路彩色抗滑薄層的實際應力水平。據長安大學的研究成果，混凝土材料的疲勞壽命隨應力水平的增高而降低。因此，本次彩色抗滑薄層疲勞性能試驗結果要比其實際的疲勞壽命偏低(見表1)。

表1 彩色抗滑薄層疲勞性能試驗結果

lgN=0.569 6-29.527lgS-24.281(lgS)2

(1)

式中：S-應力水平，S=σ/f；σ為施加的最大疲勞應力(MPa)，f為極限彎拉強度(MPa)；N-疲勞壽命(次)。

根據長安大學提出的混凝土材料疲勞曲線方程(公式1)，可推算出水泥混凝土材料在類似應力水平下的疲勞壽命(見表2)。

表2 水泥混凝土材料疲勞壽命

由表2可知，在低應力水平下，水泥混凝土材料的疲勞壽命可以達到高應力水平的29倍，據此換算，彩色抗滑薄層疲勞壽命如表3所示。

表3 彩色抗滑薄層換算疲勞壽命

5 彩色抗滑薄層試驗路段分析

根據交通量調查數據，彩色抗滑薄層試驗路段的交通量情況如表4。

表4 試驗路段交通量調查表

將以上交通荷載轉換為“單軸-雙輪組”100 KN標準軸載，由于小客車、小貨車的軸載較輕，在此忽略不計。

經計算，試驗路段的標準軸載次數為1 002次/d，為重交通。利用標準軸載累計作用次數公式，還可推算出在預計使用年限內彩色抗滑薄層的標準軸載累計作用次數。取交通量年平均增長率5%，橫向分布系數0.2，結果見表5。

根據表4、表5，試驗路段基于標準軸載作用次數推算的3年、5年標準軸載累計作用次數遠低于前述的彩色抗滑薄層疲勞壽命。而且在特重交通條件下，彩色抗滑薄層也能夠達到3～5年的使用時間。因此，彩色抗滑薄層的耐久性可以滿足各個等級公路的使用要求，建議根據道路的通行需求、交通及線形特點合理設置。

表5 試驗路段及特重交通情況下標準軸載累計作用次數

6 結 論

根據以上疲勞性能試驗，可知公路彩色抗滑薄層具有較高的疲勞壽命和良好的使用耐久性。另外，道路鋪裝有水泥混凝土路面和瀝青路面之分，本次疲勞試驗的彩色抗滑薄層的承載體為水泥砂漿試塊，但考慮到彩色抗滑薄層在水泥混凝土路面上是以“彩色抗滑薄層”本身損壞或剝離為破壞標準，在瀝青路面上是以從瀝青混合料表面剝離為破壞標準，故在物理、力學及耐候性等性能指標滿足技術指標要求的前提下，就可以在水泥混凝土路面或瀝青路面上正常使用并發揮其應有的效能。