譚 巍，禤煒安

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

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瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律試驗(yàn)研究

譚 巍1,2，禤煒安3

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

對(duì)石灰?guī)r(LA，LB)和玄武巖(Ba)等3種石料瀝青混合料進(jìn)行了加速磨光試驗(yàn)，測(cè)試每試驗(yàn)2 h瀝青混合料試件的擺式摩擦系數(shù)(BPN)和構(gòu)造深度(TD)，研究瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律；與實(shí)際路面摩擦系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，與其他抗滑試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明：室內(nèi)加速磨光試驗(yàn)與路面的實(shí)際使用情況一致，BPN和TD的衰減過(guò)程基本遵循先急后緩，最終逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律；加速磨光試驗(yàn)裝置與其他抗滑試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有顯著的相關(guān)性。

道路工程；加速磨光試驗(yàn)；回歸分析；抗滑性能衰減規(guī)律

0 引 言

目前路面抗滑性能的研究分為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)[1-2]。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)表現(xiàn)為直觀反映路面抗滑性能，指導(dǎo)性意義較強(qiáng)，但檢測(cè)試驗(yàn)受外界因素影響大，環(huán)境條件不易控制，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗資費(fèi)用大。此外，一些路面早期損壞嚴(yán)重，使用壽命短，往往達(dá)不到路面檢測(cè)周期，未能獲得全面的檢測(cè)數(shù)據(jù)。室內(nèi)模擬試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^(guò)控制手段提供統(tǒng)一的試驗(yàn)條件，并且能有效縮短試驗(yàn)周期，但室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)的荷載、溫度、濕度等環(huán)境與路面實(shí)際情況存在差異，難以模擬路面復(fù)雜的外界環(huán)境與車輛作用。因此室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合是瀝青路面抗滑性能研究的重要手段。

由于路面結(jié)構(gòu)形式、級(jí)配類型、集料種類、交通量大小、氣候環(huán)境等的不同，造成不同道路路面摩擦系數(shù)的檢測(cè)初始值、穩(wěn)定值、衰減幅度、衰減速度均存在一定差異。但路面抗滑性能的整體性衰減規(guī)律是一致的，表現(xiàn)為公路開始運(yùn)營(yíng)的1～2年路面摩擦系數(shù)衰減速度較快，衰減幅度約在15%～25%，最終基本穩(wěn)定在某一水平上[3-4]。

筆者開發(fā)了一種加速磨光試驗(yàn)裝置，對(duì)石灰?guī)r(LA，LB) 和玄武巖(Ba)等3種石料的AC-13型瀝青混合料進(jìn)行加速磨光試驗(yàn)，分析其抗滑指標(biāo)的衰減規(guī)律。并將加速磨光試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他抗滑試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)加速磨光試驗(yàn)裝置的可靠性與準(zhǔn)確性。

1 室內(nèi)加速磨光試驗(yàn)裝置的開發(fā)

國(guó)內(nèi)外針對(duì)路面抗滑性能衰減規(guī)律研究開發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備以小型環(huán)道類型為主[5-9]，多采用輪胎與路面滾動(dòng)摩擦的形式，其存在作用面積小、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、磨光效率低等缺點(diǎn)。筆者嘗試采用橡膠板作為磨光材料，一方面增大與試件的接觸面積，另一方面變滾動(dòng)摩擦為滑動(dòng)摩擦，提高磨光效率。緊急情況下路面抗滑性能對(duì)公路行車安全最為重要，加速磨光試驗(yàn)裝置主要模擬緊急剎車時(shí)車輛輪胎與路面間的摩擦作用。該設(shè)備不僅能有效控制試驗(yàn)條件，也為路面抗滑性能的衰減規(guī)律的研究提供便利。

1.1 工作原理

筆者研發(fā)的加速磨光試驗(yàn)裝置實(shí)質(zhì)是一個(gè)小型的直道磨耗磨光試驗(yàn)，采用橡膠板對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行往返摩擦模擬車輛輪胎對(duì)路面的摩擦作用。調(diào)節(jié)升降搖把使配重下降直至與瀝青混合料試件自由接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件施加荷載。啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿以設(shè)定的速度做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橡膠板對(duì)試件的往返摩擦。在試驗(yàn)過(guò)程中，紅外信號(hào)采集裝置收集計(jì)數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速等信號(hào)并反饋到控制系統(tǒng)，將信息顯示在控制界面上。待試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定的時(shí)間，加速磨光試驗(yàn)裝置自動(dòng)停止。卸載并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，連同試模一起取出試件，采用擺式儀和鋪砂法測(cè)定試件的摩擦系數(shù)BPN和構(gòu)造深度TD。

1.2 主要構(gòu)造特性

加速磨光試驗(yàn)裝置的主要組成構(gòu)件包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)等部分，如圖1。

圖1 加速磨光試驗(yàn)裝置構(gòu)造示意

2 原材料技術(shù)指標(biāo)及級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 原材料物理力學(xué)指標(biāo)

2.1.1 SBSI-D改性瀝青

本試驗(yàn)采用SBSI-D瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 集 料

試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r(LA，LB)和玄武巖(Ba)，根據(jù)JTG E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試了其主要技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 集料主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 混合料級(jí)配曲線

目前高速公路瀝青路面抗滑表層多采用AC型和SMA型結(jié)構(gòu)類型，筆者以AC-13為研究對(duì)象，分別對(duì)石灰?guī)r(LA，LB) 和玄武巖(Ba)擬定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3種級(jí)配，其中級(jí)配Ⅲ最粗，級(jí)配Ⅱ次之，級(jí)配Ⅰ最細(xì)，見表3。

表3 級(jí)配組成設(shè)計(jì)

(續(xù)表3)

級(jí)配通過(guò)下列篩孔/mm質(zhì)量百分率/%1613．29．54．752．361．180．60．30．150．075玄武巖Ba?Ⅲ10095．681．350．427．217．312．38．87．15．4上限100100856850382820158下限100906838241510754

3 瀝青混合料加速磨光試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

3.1 室內(nèi)加速磨光試驗(yàn)

按設(shè)計(jì)級(jí)配成型瀝青混合料試件，采用筆者研發(fā)的加速磨光試驗(yàn)裝置，進(jìn)行加速磨光試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20 ℃。每塊試件的初始擺式摩擦系數(shù)值和構(gòu)造深度測(cè)得后，每間隔1 h測(cè)量一次，10 h后結(jié)束測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 BPN及TD曲線

由圖2可知，在級(jí)配相當(dāng)?shù)臈l件下，玄武巖Ba的瀝青混合料抗滑性能最好，石灰?guī)rLA次之，石灰?guī)rLB最差。主要原因是不同種類的巖石的礦物化學(xué)組成的差異，使得石料的物理力學(xué)特性不同，同時(shí)集料表面的微觀紋理水平也不同。石灰?guī)r主要礦物成份為方解石，而方解石的強(qiáng)度較低，受力容易被磨損；而玄武巖集料表面多呈條帶狀，具有較高的棱角性和紋理水平，礦物成分主要為斜長(zhǎng)石、輝石和玻璃質(zhì)，還有附生礦物赤鐵礦，因此耐磨性和強(qiáng)度都比較高。這說(shuō)明物理力學(xué)特性較好的集料，其瀝青混合料的抗滑性能也更優(yōu)。

對(duì)同類石料的3種級(jí)配而言，級(jí)配Ⅰ細(xì)集料較多，更容易填充密實(shí)；級(jí)配Ⅱ次之；級(jí)配Ⅲ粗集料較多，空隙率會(huì)更大，更容易形成骨架空隙結(jié)構(gòu)。從理論上分析，混合料的空隙越大，表面構(gòu)造越深，路面對(duì)輪胎的附著力越強(qiáng)，因此能獲得更大的摩擦力。試驗(yàn)結(jié)果表明，級(jí)配Ⅲ的抗滑性能最好，級(jí)配Ⅱ次之，級(jí)配Ⅰ最差。說(shuō)明粗級(jí)配有利于提高瀝青混合料的抗滑性能。

3種石料不同級(jí)配瀝青混合料的BPN和TD的衰減均經(jīng)歷了一個(gè)先急后緩，最終基本趨于穩(wěn)定的過(guò)程?？够笜?biāo)在前2 h衰減速度較快，之后基本維持在某一水平上。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，BPN和TD大約需2 h能夠達(dá)到穩(wěn)定值。并且級(jí)配粗細(xì)程度相近的條件下，玄武巖瀝青混合料的BPN和TD均大于石灰?guī)r的。

根據(jù)王利利[3]及黃云涌等[10]對(duì)實(shí)體工程的跟蹤調(diào)查，路面摩擦系數(shù)在開始運(yùn)營(yíng)的1～2 年衰減速度較快，最終基本穩(wěn)定在某一水平上。因此，利用加速磨光試驗(yàn)裝置測(cè)試的瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律與路面實(shí)際情況是基本一致的。

圖3為根據(jù)文中加速磨光試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到BPN，TD的衰減率曲線。由圖3可以看出，前1～2 hBPN和TD的衰減率基本為15%～25%，隨后衰減率的增長(zhǎng)比較緩慢。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，BPN衰減率波動(dòng)性較小，TD衰減率的波動(dòng)性較大。

圖3 BPN 及TD衰減率散點(diǎn)

3.2BPN和TD的回歸分析

目前瀝青混合料抗滑性能研究的擬合方程包括黃云涌等[10]提出的指數(shù)公式y(tǒng)=AeBx和對(duì)數(shù)公式y(tǒng)=Aln(x)+B，以及楊眾等[8]提出的考慮了抗滑性能初值的指數(shù)公式，筆者采用文獻(xiàn)[8]的公式進(jìn)行擬合回歸，如式(1)：

Y=aebX+c

(1)

式中：X為試驗(yàn)時(shí)間；Y為任意時(shí)刻的構(gòu)造深度或擺式摩擦系數(shù)；a為抗滑指標(biāo)初值與終值之差；c為抗滑指標(biāo)的終值；b為需要確定的參數(shù)。

采用MATLAB軟件得到BPN和TD的擬合數(shù)據(jù)，如表4。

表4 BPN和TD的擬合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表4可以看出，利用式(1)進(jìn)行的回歸擬合不僅解決了指數(shù)公式和對(duì)數(shù)公式存在的一些缺陷，而且擬合相關(guān)系數(shù)也比較高，BPN和TD的相關(guān)系數(shù)R≥ 0.95，說(shuō)明所做的擬合曲線具有極高的相關(guān)性。

3.3 與其他室內(nèi)抗滑試驗(yàn)相關(guān)性分析

為了驗(yàn)證文中加速磨光試驗(yàn)裝置試驗(yàn)效果的可靠性，筆者將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與長(zhǎng)安大學(xué)加速磨耗儀[1]、重慶交通科研設(shè)計(jì)院小型加速加載試驗(yàn)機(jī)[11]和長(zhǎng)沙交通學(xué)院直線式加載系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]進(jìn)行對(duì)比分析。

由于不同試驗(yàn)設(shè)備本身的運(yùn)動(dòng)方式、配重大小、運(yùn)行速度等存在差異，因此摩擦系數(shù)從初始值到穩(wěn)定值需要的試驗(yàn)時(shí)間、作用次數(shù)不盡相同。為了增加對(duì)比的準(zhǔn)確性，以初始值和穩(wěn)定值作為參考點(diǎn)，在相同的時(shí)間或作用次數(shù)間隔進(jìn)行取值。加速磨光試驗(yàn)裝置共進(jìn)行了10 h的試驗(yàn)，大約2 h達(dá)到穩(wěn)定值，BPN與TD分別有11個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3.1 長(zhǎng)安大學(xué)加速磨耗儀試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，BPN，TD達(dá)到穩(wěn)定值約在7.5萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)荷載左右，分別取0，3.5，7.5，11.5，15.0，17.5，20.0，23.0，25.0，27.8，32.8萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做分析，如表5[1]。

表5 董昭加速磨耗儀測(cè)量的BPN和TD數(shù)據(jù)

3.3.2 重慶交科院小型加速加載試驗(yàn)機(jī)

重慶交通科研設(shè)計(jì)院小型加速加載試驗(yàn)機(jī)大約試驗(yàn)運(yùn)行2 h測(cè)量一次抗滑指標(biāo)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[11]沒(méi)有對(duì)構(gòu)造深度TD進(jìn)行測(cè)試，因此筆者僅分析BPN的相關(guān)性，如表6。

表6 招商重慶交科院小型加速加載試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的BPN數(shù)據(jù)

3.3.3 長(zhǎng)沙交通學(xué)院直線式加載系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，不同標(biāo)準(zhǔn)軸次條件下的抗滑指標(biāo)值，擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度達(dá)到穩(wěn)定值約在300萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)軸載左右，分別取0.01，165.10，296.90，381.50，564.00，625.80，739.90，793.50，952.90，1 086.60，1 138.30萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做分析，如表7。

表7 長(zhǎng)沙交通學(xué)院直線式加載系統(tǒng)測(cè)量的BPN和TD數(shù)據(jù)

加速磨光試驗(yàn)裝置以石灰?guī)rLA-I級(jí)配瀝青混合料的抗滑指標(biāo)值為自變量數(shù)列X，分別與石灰?guī)rLA、LB、玄武巖Ba以及長(zhǎng)安大學(xué)加速磨耗儀，招商重慶交科院小型加速加載試驗(yàn)機(jī)和長(zhǎng)沙交通學(xué)院直線式加載系統(tǒng)的各項(xiàng)混合料抗滑指標(biāo)值進(jìn)行回歸分析，利用所求的相關(guān)系數(shù)R評(píng)價(jià)相關(guān)性，利用P值檢驗(yàn)線性相關(guān)關(guān)系的顯著性。計(jì)算結(jié)果見表8、表9。

表8 文中設(shè)備與其他抗滑設(shè)備試驗(yàn)BPN線性回歸統(tǒng)計(jì)

表9 文中設(shè)備與其他抗滑設(shè)備試驗(yàn)TD線性回歸統(tǒng)計(jì)

根據(jù)相關(guān)性的性質(zhì)，當(dāng)0.8<|R|<1時(shí)可判定變量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。由表8、表9可知，加速磨光試驗(yàn)裝置的BPN和TD測(cè)試值與其他設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R>0.85。Rmax=0.996 5，Rmin=0.874 3，說(shuō)明文中設(shè)備與其他設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性非常好。

線性回歸中預(yù)設(shè)顯著性水平α=0.05，當(dāng)P<α?xí)r說(shuō)明因變量Y與自變量X之間存在顯著性線性相關(guān)關(guān)系。上述分析中，Pmax=0.000 6<α，Pmin=0.000 0，說(shuō)明所有回歸均具有顯著的線性相關(guān)性。

根據(jù)文獻(xiàn)[1，10]，其他抗滑試驗(yàn)設(shè)備抗滑指標(biāo)從初始值衰減到穩(wěn)定值大約需耗時(shí)5～8 h，加速磨光裝置則約耗時(shí)2 h，磨光效率較現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備高。

盡管文中加速磨光試驗(yàn)裝置的摩擦方式有別于其他試驗(yàn)設(shè)備，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間具有良好的相關(guān)性，并且能夠有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。

4 結(jié) 論

1)利用加速磨光試驗(yàn)裝置測(cè)試的瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律與路面實(shí)際情況是基本一致的，BPN和TD的衰減均經(jīng)歷了一個(gè)先急后緩，最終基本趨于穩(wěn)定的過(guò)程。玄武巖瀝青混合料的抗滑性能優(yōu)于石灰?guī)r。

2)BPN和TD的衰減曲線與Y=aebX+c方程具有很好的擬合度，相關(guān)系數(shù)R≥0.95，對(duì)實(shí)際公路路面摩擦系數(shù)的預(yù)測(cè)有很好的指導(dǎo)意義。

3)加速磨光試驗(yàn)裝置與其他抗滑試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R>0.85，顯著性水平Pmax≤0.05，具有顯著的相關(guān)性，進(jìn)一步論證了加速磨光試驗(yàn)裝置的可靠性與準(zhǔn)確性。

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Attenuation Regularity of Skid Resistance of Asphalt Mixture

Tan Wei1, 2, Xuan Wei’an3

(1. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. China Merchants Chongqing Communications TechnologyResearch & Design Institute Co.,Ltd., Chongqing 400067, China; 3. Guangxi Transportation Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China)

An accelerated polishing test was used to carry out the skid resistance test for three kinds of stones: limestoneLA, limestoneLBand basaltBa. TheBPNandTDof specimen were measured at every 2 hours and the attenuation regularity of skid resistance of asphalt mixture was also analyzed; and then, a comparison analysis was carried out with the friction coefficient regularity of pavement. The correlation between test data of other anti-slide test equipments and the test data of accelerated polishing test devices were analyzed. The test results show that indoor accelerated polishing test is well consistent with the actual condition of pavement. The attenuation regularity ofBPNandTDbasically follows firstly sharp and then gentle, gradually tends to a steady level eventually. A significant correlation exists in test data of accelerated polishing test devices and other anti-slide test equipments.

road engineering; accelerated polishing test; regression analysis; attenuation regularity of skid resistance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.10

2014-04-24；

2015-04-09

譚 巍(1980—)，男，山東聊城人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事瀝青及瀝青混合料方面的研究。E-mail: tanwei@cmhk.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)06-053-05