瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律試驗研究

譚 巍，禤煒安

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

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瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律試驗研究

譚 巍1,2，禤煒安3

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

對石灰?guī)r(LA，LB)和玄武巖(Ba)等3種石料瀝青混合料進行了加速磨光試驗，測試每試驗2 h瀝青混合料試件的擺式摩擦系數(shù)(BPN)和構造深度(TD)，研究瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律；與實際路面摩擦系數(shù)變化規(guī)律進行了對比分析，與其他抗滑試驗設備的試驗數(shù)據(jù)進行了相關性分析。結果表明：室內(nèi)加速磨光試驗與路面的實際使用情況一致，BPN和TD的衰減過程基本遵循先急后緩，最終逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律；加速磨光試驗裝置與其他抗滑試驗設備的試驗數(shù)據(jù)具有顯著的相關性。

道路工程；加速磨光試驗；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)場檢測和室內(nèi)模擬試驗[1-2]?，F(xiàn)場檢測試驗表現(xiàn)為直觀反映路面抗滑性能，指導性意義較強，但檢測試驗受外界因素影響大，環(huán)境條件不易控制，試驗周期長，耗資費用大。此外，一些路面早期損壞嚴重，使用壽命短，往往達不到路面檢測周期，未能獲得全面的檢測數(shù)據(jù)。室內(nèi)模擬試驗能通過控制手段提供統(tǒng)一的試驗條件，并且能有效縮短試驗周期，但室內(nèi)試驗時的荷載、溫度、濕度等環(huán)境與路面實際情況存在差異，難以模擬路面復雜的外界環(huán)境與車輛作用。因此室內(nèi)試驗與現(xiàn)場檢測相結合是瀝青路面抗滑性能研究的重要手段。

由于路面結構形式、級配類型、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)為公路開始運營的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裝置，對石灰?guī)r(LA，LB) 和玄武巖(Ba)等3種石料的AC-13型瀝青混合料進行加速磨光試驗，分析其抗滑指標的衰減規(guī)律。并將加速磨光試驗數(shù)據(jù)與其他抗滑試驗設備的數(shù)據(jù)進行對比，以評價加速磨光試驗裝置的可靠性與準確性。

1 室內(nèi)加速磨光試驗裝置的開發(fā)

國內(nèi)外針對路面抗滑性能衰減規(guī)律研究開發(fā)的試驗設備以小型環(huán)道類型為主[5-9]，多采用輪胎與路面滾動摩擦的形式，其存在作用面積小、試驗時間長、磨光效率低等缺點。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，另一方面變滾動摩擦為滑動摩擦，提高磨光效率。緊急情況下路面抗滑性能對公路行車安全最為重要，加速磨光試驗裝置主要模擬緊急剎車時車輛輪胎與路面間的摩擦作用。該設備不僅能有效控制試驗條件，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)的加速磨光試驗裝置實質是一個小型的直道磨耗磨光試驗，采用橡膠板對瀝青混合料試件進行往返摩擦模擬車輛輪胎對路面的摩擦作用。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，實現(xiàn)對試件施加荷載。啟動電機，帶動驅動連桿以設定的速度做圓周運動，實現(xiàn)橡膠板對試件的往返摩擦。在試驗過程中，紅外信號采集裝置收集計數(shù)、溫度、轉速等信號并反饋到控制系統(tǒng)，將信息顯示在控制界面上。待試驗達到規(guī)定的時間，加速磨光試驗裝置自動停止。卸載并保存試驗數(shù)據(jù)，連同試模一起取出試件，采用擺式儀和鋪砂法測定試件的摩擦系數(shù)BPN和構造深度TD。

1.2 主要構造特性

加速磨光試驗裝置的主要組成構件包括驅動系統(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 加速磨光試驗裝置構造示意

2 原材料技術指標及級配設計

2.1 原材料物理力學指標

2.1.1 SBSI-D改性瀝青

本試驗采用SBSI-D瀝青，其主要技術指標如表1。

表1 瀝青主要技術指標

2.1.2 集 料

試驗采用的集料為石灰?guī)r(LA，LB)和玄武巖(Ba)，根據(jù)JTG E 42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》測試了其主要技術指標，試驗結果見表2。

表2 集料主要技術指標

2.2 混合料級配曲線

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

表3 級配組成設計

(續(xù)表3)

級配通過下列篩孔/mm質量百分率/%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及評價

3.1 室內(nèi)加速磨光試驗

按設計級配成型瀝青混合料試件，采用筆者研發(fā)的加速磨光試驗裝置，進行加速磨光試驗，試驗溫度為20 ℃。每塊試件的初始擺式摩擦系數(shù)值和構造深度測得后，每間隔1 h測量一次，10 h后結束測試。試驗結果如圖2。

圖2 BPN及TD曲線

由圖2可知，在級配相當?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組成的差異，使得石料的物理力學特性不同，同時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石、輝石和玻璃質，還有附生礦物赤鐵礦，因此耐磨性和強度都比較高。這說明物理力學特性較好的集料，其瀝青混合料的抗滑性能也更優(yōu)。

對同類石料的3種級配而言，級配Ⅰ細集料較多，更容易填充密實；級配Ⅱ次之；級配Ⅲ粗集料較多，空隙率會更大，更容易形成骨架空隙結構。從理論上分析，混合料的空隙越大，表面構造越深，路面對輪胎的附著力越強，因此能獲得更大的摩擦力。試驗結果表明，級配Ⅲ的抗滑性能最好，級配Ⅱ次之，級配Ⅰ最差。說明粗級配有利于提高瀝青混合料的抗滑性能。

3種石料不同級配瀝青混合料的BPN和TD的衰減均經(jīng)歷了一個先急后緩，最終基本趨于穩(wěn)定的過程?？够笜嗽谇? h衰減速度較快，之后基本維持在某一水平上。在標準試驗條件下，BPN和TD大約需2 h能夠達到穩(wěn)定值。并且級配粗細程度相近的條件下，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]對實體工程的跟蹤調(diào)查，路面摩擦系數(shù)在開始運營的1～2 年衰減速度較快，最終基本穩(wěn)定在某一水平上。因此，利用加速磨光試驗裝置測試的瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律與路面實際情況是基本一致的。

圖3為根據(jù)文中加速磨光試驗數(shù)據(jù)計算得到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%，隨后衰減率的增長比較緩慢。整個試驗過程中，BPN衰減率波動性較小，TD衰減率的波動性較大。

圖3 BPN 及TD衰減率散點

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[8]的公式進行擬合回歸，如式(1)：

Y=aebX+c

(1)

式中：X為試驗時間；Y為任意時刻的構造深度或擺式摩擦系數(shù)；a為抗滑指標初值與終值之差；c為抗滑指標的終值；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

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

3.3 與其他室內(nèi)抗滑試驗相關性分析

為了驗證文中加速磨光試驗裝置試驗效果的可靠性，筆者將試驗數(shù)據(jù)與長安大學加速磨耗儀[1]、重慶交通科研設計院小型加速加載試驗機[11]和長沙交通學院直線式加載系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)[10]進行對比分析。

由于不同試驗設備本身的運動方式、配重大小、運行速度等存在差異，因此摩擦系數(shù)從初始值到穩(wěn)定值需要的試驗時間、作用次數(shù)不盡相同。為了增加對比的準確性，以初始值和穩(wěn)定值作為參考點，在相同的時間或作用次數(shù)間隔進行取值。加速磨光試驗裝置共進行了10 h的試驗，大約2 h達到穩(wěn)定值，BPN與TD分別有11個試驗數(shù)據(jù)。

3.3.1 長安大學加速磨耗儀試驗

根據(jù)文獻[1]，BPN，TD達到穩(wěn)定值約在7.5萬次標準荷載左右，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次標準軸載對應的試驗數(shù)據(jù)做分析，如表5[1]。

表5 董昭加速磨耗儀測量的BPN和TD數(shù)據(jù)

3.3.2 重慶交科院小型加速加載試驗機

重慶交通科研設計院小型加速加載試驗機大約試驗運行2 h測量一次抗滑指標數(shù)據(jù)，文獻[11]沒有對構造深度TD進行測試，因此筆者僅分析BPN的相關性，如表6。

表6 招商重慶交科院小型加速加載試驗機測量的BPN數(shù)據(jù)

3.3.3 長沙交通學院直線式加載系統(tǒng)

根據(jù)文獻[10]，不同標準軸次條件下的抗滑指標值，擺式摩擦系數(shù)和構造深度達到穩(wěn)定值約在300萬次標準軸載左右，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次標準軸載對應的試驗數(shù)據(jù)做分析，如表7。

表7 長沙交通學院直線式加載系統(tǒng)測量的BPN和TD數(shù)據(jù)

加速磨光試驗裝置以石灰?guī)rLA-I級配瀝青混合料的抗滑指標值為自變量數(shù)列X，分別與石灰?guī)rLA、LB、玄武巖Ba以及長安大學加速磨耗儀，招商重慶交科院小型加速加載試驗機和長沙交通學院直線式加載系統(tǒng)的各項混合料抗滑指標值進行回歸分析，利用所求的相關系數(shù)R評價相關性，利用P值檢驗線性相關關系的顯著性。計算結果見表8、表9。

表8 文中設備與其他抗滑設備試驗BPN線性回歸統(tǒng)計

表9 文中設備與其他抗滑設備試驗TD線性回歸統(tǒng)計

根據(jù)相關性的性質，當0.8<|R|<1時可判定變量之間具有較強的相關性。由表8、表9可知，加速磨光試驗裝置的BPN和TD測試值與其他設備的試驗數(shù)據(jù)相關系數(shù)R>0.85。Rmax=0.996 5，Rmin=0.874 3，說明文中設備與其他設備的試驗數(shù)據(jù)相關性非常好。

線性回歸中預設顯著性水平α=0.05，當P<α時說明因變量Y與自變量X之間存在顯著性線性相關關系。上述分析中，Pmax=0.000 6<α，Pmin=0.000 0，說明所有回歸均具有顯著的線性相關性。

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

盡管文中加速磨光試驗裝置的摩擦方式有別于其他試驗設備，但試驗數(shù)據(jù)之間具有良好的相關性，并且能夠有效縮短試驗時間，提高試驗效率。

4 結 論

1)利用加速磨光試驗裝置測試的瀝青混合料抗滑性能衰減規(guī)律與路面實際情況是基本一致的，BPN和TD的衰減均經(jīng)歷了一個先急后緩，最終基本趨于穩(wěn)定的過程。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，相關系數(shù)R≥0.95，對實際公路路面摩擦系數(shù)的預測有很好的指導意義。

3)加速磨光試驗裝置與其他抗滑試驗設備的試驗數(shù)據(jù)相關系數(shù)R>0.85，顯著性水平Pmax≤0.05，具有顯著的相關性，進一步論證了加速磨光試驗裝置的可靠性與準確性。

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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