李曉龍 蔡春兵 劉宗祥 王 川

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院 昆明 650000； 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)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(zhì)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(gòu)就開始從事路面抗滑阻力相關(guān)技術(shù)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(guān)系[1]。我國從20世紀(jì)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(jié)構(gòu)和路表狀態(tài)直接相關(guān)，基于搓揉試驗前后，密實-骨架結(jié)構(gòu)相比密實-懸浮結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(jié)構(gòu)及太大的粒徑由于接觸應(yīng)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(chǎn)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(jīng)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(shù)依據(jù)。

1 試驗方案設(shè)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)行反復(fù)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(jìn)行試驗，其實質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速設(shè)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(gòu)造深度(TD)和BPN指標(biāo)進(jìn)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(jié)合實際情況，本次研究選取在25 ℃、輪載0.7 MPa條件下進(jìn)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(jìn)行磨耗研究，干燥狀態(tài)下每加載2 h檢測構(gòu)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(gòu)造深度，由于輪跡帶內(nèi)存在錯臺，且轍槽較窄，標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的量砂體積為25 cm3，無法單獨測出其構(gòu)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(jìn)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(nèi)的構(gòu)造深度，并將輪跡帶上3個測點的平均值作為試件的構(gòu)造深度。

2) 對于摩擦系數(shù)，經(jīng)加速磨耗儀加載后在試件表面形成的輪跡寬度達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jié)構(gòu)和SMA結(jié)構(gòu)提出的一種新型瀝青混合料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點是由高含量粗集料形成骨架，較多礦粉和較少細(xì)集料顆粒填充，較低瀝青用量組成的高性能、經(jīng)濟(jì)性混合料。具有良好的嵌擠結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(zhì)，配合比設(shè)計情況見表1。為排除空隙率對試驗結(jié)果的影響，均選取空隙率為(5.0±0.2)%的試件進(jìn)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(jìn)行加載試驗，每加載2 h，測定試件表面的TD、BPN，試驗結(jié)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(gòu)造深度衰減曲線

圖3 摩擦系數(shù)衰減曲線

由構(gòu)造深度試驗結(jié)果可知：

1) 對于構(gòu)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其原因為傳統(tǒng)的懸浮密實結(jié)構(gòu)AC-16C易壓密，膠泥上浮使抗滑構(gòu)造達(dá)到穩(wěn)定，而SMA、FDAC由于骨架結(jié)構(gòu)較強而保持著豐富的宏觀紋理。

由摩擦系數(shù)試驗結(jié)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(gòu)造深度最小的AC-16C比構(gòu)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(gòu)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(gòu)造深度TD的關(guān)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(gòu)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(gòu)造深度衰減率，%；Ti為加載i小時測得的構(gòu)造深度，mm；T0為初始構(gòu)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(gòu)造深度衰減率、擺值衰減率計算結(jié)果見表3。

表3 構(gòu)造深度衰減率、擺值衰減率試驗結(jié)果

從構(gòu)造深度衰減率可以看出，SMA-16的構(gòu)造深度衰減率高達(dá)37.2%，而AC-16C、FDAC-16均在25%左右，其主要原因是當(dāng)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(gòu)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(jié)構(gòu)相對于骨架結(jié)構(gòu)更容易被磨損。

干燥條件下的試驗結(jié)果表明，構(gòu)造深度和擺值的衰減速度和規(guī)律并不一致，構(gòu)造深度的穩(wěn)定速度較快，基本在6～8 h后即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而擺值在8～10 h后趨于穩(wěn)定，由于構(gòu)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(gòu)造深度(MTD)與水膜厚度的關(guān)系進(jìn)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(gòu)造深度示意圖

相關(guān)研究表明，當(dāng)水膜厚度在4 mm以上時，采用擺式摩擦儀進(jìn)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(chǎn)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(jìn)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(jìn)行檢測，檢測結(jié)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(jié)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(jié)果見表5及圖6。

表5 不同浸水條件下的抗滑指標(biāo)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(jié)果可知，浸水越嚴(yán)重，瀝青混合料抗滑性能達(dá)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(dá)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(jié)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(jìn)行抗滑性能衰變的研究，可得出以下結(jié)論：

1) 對于構(gòu)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(gòu)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(gòu)造的同時，其較低的瀝青含量能延緩宏觀構(gòu)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(jié)構(gòu)。

3)BPN與TD的關(guān)系不明顯，并且兩者衰減的速度及規(guī)律也不一致，構(gòu)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。