混合料磨光对沥青路面抗滑性能影响研究

陈惠萍

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200434）

混合料磨光对沥青路面抗滑性能影响研究

陈惠萍

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200434）

经对比分析国内外开发过的路面磨光仪的特点,在吸收经验的基础上,开发了简易便携式室内磨光仪。采用特殊车辙板模具,制备AC-13、SMA-13两种不同级配的混合料试件,通过磨光,获得在不同试验阶段的抗滑性能指标,具体为:铺沙法测得的构造深度、摆式仪测得的摆值、动摩擦系数仪测得的动摩擦系数,并采用指数模型对试验结果进行了回归分析。

沥青路面；抗滑衰减；动摩擦系数

0 引言

沥青路面的抗滑性能是与道路交通安全密切相关的世界性问题,轮胎与路面间摩擦力的传递为汽车加速、制动、转弯提供了驱动力。路面表面自建成以后就暴露在空气中,随着自然环境和汽车荷载的长期作用,抗滑性能会出现不同程度的衰减,继而影响到行车安全。因此,掌握路面抗滑性能的衰减规律对于更好地进行材料设计、保障道路行车安全具有重大意义。

1 国内外磨光试验发展现状

通常磨光试验分为足尺实验和室内模拟实验两大类。其中,足尺试验又分为环形路面和直线路面两类。环道式路面加速加载试验的设备庞大、结构复杂,再加上不能真实再现运输车辆对路面的加载,目前国际上已很少采用,而广泛采用的是直线型路面加速加载试验设备。目前直线型路面加速加载设备只有南非、美国、澳大利亚等少数国家研制并销售,虽然长沙理工大学研发了相关设备,但仅长沙理工大学用来做相关科学研究,并没有形成产品化和市场化,因此采用足尺模拟的试验方法性价比较低。

室内模拟试验因为其造价低、耗时短,因此被很多学者青睐,一直以来国内外研究人员努力设计出多种试验设备及试验方法。早期研究人员直接采用车辙仪进行磨光试验,但是由于试验轮宽度过小（5 cm）,后期很难进行摩擦系数评价指标的提取,并且车辙仪运行速度慢、轮胎价格昂贵,因此后期在该基础上进行了一些改进。

2 便携式室内磨光仪的研发

通过对国内外磨光设备的研究发现,国外大部分设备的尺寸和自重普遍较大,因此在搬运和安装过程中都有一定的困难,另外拼接试件很难控制平整度的一致性。国内试验设备相对较为小巧轻便,但对后期抗滑指标提取较为单一。鉴于以上存在的问题,现尝试在前人研究的基础上对沥青路面磨光设备进行优化。

2.1 磨光仪的主要构造

现开发的室内磨光仪吸收了国内外磨光仪的特点,其具体结构如图1所示,主要包括动力控制区域和试验区域两部分。动力控制区域中包括提供动力的电机及控制转速的减速器,电机的转速为1 400 r/min,由1∶30的减速器减速后通过竖直设置的传动轴将与试验区域的荷载圆盘相连。荷载圆盘上部为调荷圆盘,由螺丝连接,可自由拆卸实现荷载调节,荷载圆盘的底部设置有4个用于碾压试件的橡胶万向轮。通过调节中轴上的螺栓可实现荷载圆盘的升降,使加载轮胎与放置在底层支座上的路面板试件接触。

该项试验采用的轮子的直径是12 cm,宽度为5 cm的实心轮胎。考虑到轮胎宽度不足的问题,设计轮胎在荷载盘上的分布形式如图1所示,这样通过轮胎1/2重叠的错位设置,使得轮胎的行驶界面宽度达到了12.5 cm,这样有利于采用英式摆式仪、铺沙法、动态摩擦系数测试仪进行测量。

图1 磨光仪结构图

2.2 磨光仪的使用方法

2.2.1 试验的准备阶段

将磨光仪放在水平的支架上,在试件放置台上放气泡水准仪,通过微调磨光仪底部的螺丝,使气泡水准仪中的气泡居中,保证仪器放置水平。

2.2.2 试验阶段

通过传动轴顶部的螺栓使加荷装置升起,将成型好的试件放置在底层支座上,并对试件进行调平。通过螺栓使加荷装置下降,轮胎与路面接触。打开机构的电源开关,电机转动,轮胎开始对试件进行磨光。在达到预定的磨光时间之后,关闭电源,将加荷装置升起,试件从试件放置台上取出,进行抗滑性能参数的测定。

3 混合料设计

目前,应用于沥青路面上面层的混合料类型主要有沥青混凝土混合料（AC）和沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。这两种不同的沥青混合料具有不同的工程性能与宏观构造,此次试验以 AC-13、SMA-13为例,集料采用昊天路桥工程公司提供的玄武岩,沥青采用中国石化提供的70#基质沥青,通过添加TPS高模量剂改性。

3.1 原材料物理力学指标

3.1.1 沥青

该项试验采用的沥青是70#基质沥青,具体规范要求和技术指标见表1所列。

表1 基质沥青常规试验结果一览表

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2011）,70#基质沥青指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）有关道路用石油沥青技术要求。

3.1.2 集料

该项试验的集料采用的是玄武岩石料,其中细集料由0～3碎石、3～5碎石两档料组成,粗集料是10～15 mm碎石、5～10 mm碎石两档料组成,具体的性能如表2、表3所列。

表3 粗集料试验结果一览表

根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）和《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ040-2004）,集料性能指标均满足技术要求。

3.2 级配优选与最佳油石比确定

3.2.1 AC-13混合料设计

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）给出的建议级配上下限,选择最佳级配结果见表4所列。

根据规范要求设计的空隙率,确定最佳油石比为5.0%,TPS掺量为0.3%。

3.2.2 SMA混合料设计

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）给出的建议级配上下限,选择最佳级配结果见表5所列。

根据设计空隙率3.5%,确定最佳油石比为6.3%,TPS掺量为0.3%。

4 混合料抗滑性能衰减试验

4.1 抗滑性能指标测试方法

路面抗滑性能有诸多评价指标,主要分为路表构造和摩擦系数两大类,目前国内外已经开发了多种路表抗滑性能的检测设备并出台了一系列评价指标。我国较常采用的是摆式仪、铺沙法和SCRIM测试车,但其中SCRIM测试车由于设备较大,通常只能用于实际道路的摩擦系数测量,由于该项试验涉及的沥青混合料试件尺寸较小,故采用动态摩擦系数仪（见图2）进行摩擦系数的测量。该仪器利用一个和测试表面平行的旋转圆盘进行测量,这种测量方法可以用于评价高速运动时的摩擦系数,除此之外,采用铺沙法测量构造深度、摆式仪测量低速时的摩擦系数。

表4 AC-13矿料级配一览表

表5 SMA-13矿料级配一览表

图2 试验用动摩擦系数仪实景

4.2 抗滑性能衰减试验过程

整个试验采用磨光、测试的循环操作方法,首先对试件初始构造深度、摆值、动摩擦系数进行测量,初始抗滑指标采集完成后,对试件进行磨光,磨光完成后,将试件取下,进行摆值和动摩擦系数的测量。然后将试件风干,进行构造深度的测量,所有指标采集完成后,对试件进行新一轮的磨光。第一轮磨光取0.5 h作为时间间隔,磨光1 h之后取1 h作为时间间隔,磨光4 h之后取2 h作为时间间隔,直至12 h完成磨光。

4.3 抗滑性能衰减试验结果分析

将AC-13和SMA-13级配的混合料试件按照上述方法进行磨光并采集抗滑性能评价指标,分析不同速度下试件表面动摩擦系数的变化情况,所得的结果见图3所示。

图3 动摩擦系数随速度变化曲线图

从图3可以看出,低速时试件表面的动摩擦系数较大,随着速度的增加,动摩擦系数逐渐减小,且衰减幅度在低速下较大,高速下较小,并在速度达到40 km/h以后逐渐趋于稳定。对于不同磨光时期的试件,在磨光时间较短的情况下（不大于2 h）,低速时不同试件的动摩擦系数差别较大,磨光时间越短,动摩擦系数越大,对于磨光时间较长的情况（大于2 h）,低速时不同试件的动摩擦系数差别相对较小,主要是由于随着磨光时间的加长,集料被磨损,试件表面的粗构造逐渐变小,直至趋于稳定,而低速状态下试件的摩擦系数主要取决于粗构造,因此测得的差异不大。高速时动摩擦系数较为稳定,不同试件的动摩擦系数差别相对较小,动摩擦系数随磨光时间增加呈下降趋势。

从上面的分析得到,当速度达到40 km/h以后,测得的动摩擦系数趋于稳定,在国际摩阻指数中,选取60 km/h作为标准速度,因此该项试验选取速度为60 km/h的动摩擦系数作为稳定值,进行抗滑性能衰减的分析,所得的结果见图4所示。

图4 抗滑性能衰减曲线图

由图4可以看出,两种级配混合料的抗滑指标衰减过程接近,呈现先急后缓、最终趋于稳定的趋势。在磨光前期,抗滑指标衰减速度较快,大约在磨光2 h后,衰减速度开始减缓,磨光10 h后,抗滑指标趋于稳定,基本不再发生变化。这与实体工程的跟踪调查结果（开始运营的1～2 a衰减速度较快,随后逐渐变慢,最终稳定在某一水平）基本一致。

根据以上测试结果,该项试验采用指数模型进行拟合,结果列于表6。该拟合公式可以通过系数A、B、C直观地分析衰减情况,A+C反映了抗滑水平初值,即试件刚成型时的抗滑性能；C反映了衰减终值,即当抗滑性能趋于稳定时的数值；A和B分别反映了抗滑性能的衰减幅度和衰减速度,有助于从长久的角度分析评价抗滑性能的衰减情况。

表6 抗滑性能衰减拟合参数表

通过拟合结果可以发现,该指数模型与试验曲线有较高的相关性。由于骨架结构的存在,细集料含量少,SMA-13在初期的抗滑性能明显高于AC-13,但大量的矿粉在粗集料骨架内形成胶浆,在轮载的反复作用下,混合料被不断地挤压,这些胶浆无处流动而被迫上浮,同时,暴露在表面的粗集料被不断磨损,从而导致构造深度减小,抗滑性能衰减。由于AC-13为悬浮密实型结构,初期构造深度较小,但由于暴露于表面的粗集料数量不多,因此抗滑性能的衰减速度较AC-13更缓,除初构造深度外,其余抗滑性能终值均与SMA-13相差不大。

5 结论

本文设计了AC-13、SMA-13两种不同级配试件,依托于自主研发的磨光仪,进行了沥青混合料抗滑性能衰减试验,并采用指数模型对试验结果进行了回归分析,结果表明:

（1）低速时,试件表面的动摩擦系数较大,随着速度的增加,动摩擦系数逐渐减小,且衰减幅度在低速下较大,高速下较小,并在速度达到40 km/h以后逐渐趋于稳定。对于不同磨光时期的试件,在磨光时间较短的情况下（不大于2 h）,低速时不同试件的动摩擦系数差别较大,对于磨光时间较长的情况（大于2 h）,低速时不同试件的动摩擦系数差别相对较小。

（2）试件的磨光呈现先急后缓、最终趋于稳定的趋势,磨光10 h后,抗滑指标基本不再发生变化。其中SMA-13在磨光初期表现出较好的抗滑性能,但其随磨光衰减的速度较快,最终摩擦系数与AC-13较为接近。

U416.217

A

1009-7716（2017）07-0233-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.072

2017-03-21

陈惠萍（1965-）,女,江苏南京人,工程师,从事市政道路工程设计研究工作。