凝冰瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律研究

楊川文，朱云升，黃鑫，王開鳳

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)*

凝冰瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律研究

楊川文，朱云升，黃鑫，王開鳳

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)*

利用自行改制的車轍試驗儀，通過室內(nèi)模擬法，從不同路面類型、不同輪壓等條件著手，研究路面的抗滑性能隨輪載作用次數(shù)的增加而變化的規(guī)律，研究結(jié)果表明：雖然各項試驗項目和指標(biāo)都存在差異，但是抗滑性能衰變過程中的分布趨勢大體一致，即在輪載作用初期，抗滑指標(biāo)值迅速降低，隨著輪載作用次數(shù)的進(jìn)一步增加，各指標(biāo)值又在一定程度上逐漸上升并最終趨于穩(wěn)定.并且還通過建立合適的數(shù)學(xué)模型擬合出了凝冰條件下瀝青路面抗滑性能衰變的內(nèi)在規(guī)律性，反映出了各種因素對凝冰條件下瀝青路面抗滑性能衰變規(guī)律的差異性.

抗滑性能；凝冰條件；瀝青路面；衰減規(guī)律；數(shù)學(xué)模型

0 引言

常見的凝冰現(xiàn)象發(fā)生的原理是凝雪層(冬季地表高度大于3 000 m的空氣層即為凝雪層，溫度小于0℃)中形成的水滴、冰晶以及雪花進(jìn)入到1～4℃的較暖氣層(地表高度為1 500～3 000 m的空氣層即為較暖氣層，溫度稍大于凝雪層)后變成液態(tài)水滴，當(dāng)進(jìn)入氣溫稍低于0℃的地表空氣層后，這些液態(tài)水滴開始發(fā)生凍結(jié)并形成過冷水滴，過冷水滴接觸到冰冷的物體表面時就會驟然形成凝冰層.這種現(xiàn)象常發(fā)生在我國的云貴川等高原山區(qū)的冬季，由于路面凝冰現(xiàn)象會大幅度的降低路面的抗滑性能，所以對道路運營及人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的隱患[1-2].

本文采用自行改制的車轍試驗儀，通過室內(nèi)模擬法，研究路面的抗滑性能隨輪載作用次數(shù)的增加而變化的規(guī)律，同時結(jié)合對凝冰狀態(tài)路面抗滑性能的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究凝冰條件下路面抗滑性能衰減的規(guī)律和變異性，這對解決我國西南等高原潮濕地區(qū)冬季道路行車安全問題，降低交通事故率，減少交通事故損失，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備

采用車轍試驗儀進(jìn)行路面抗滑性能衰減規(guī)律的試驗研究，通過試驗輪在試件上做往復(fù)運動來模擬真實的車輛作用狀況.由于試驗需在凝冰條件下進(jìn)行，所以為了更真實的反映實際情況，防止冰層過快融化，應(yīng)使車轍儀箱內(nèi)的溫度在0℃左右.

自行研制改裝的車轍試驗儀主要由原有的碾壓裝置和新加的制冷系統(tǒng)兩部分構(gòu)成.其中新加的制冷系統(tǒng)是由冷凝器、壓縮機(jī)和蒸發(fā)器等裝置組成.輪壓通過加減砝碼來調(diào)節(jié)輪壓的大小，從而模擬不同輪壓荷載對凝冰路段路面抗滑性能的影響.

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗條件

為了涵蓋不同的路面構(gòu)造深度，使試驗更具有說服力，本試驗決定采用AC-16、SMA-16和OGFC-16這三類不同構(gòu)造深度的瀝青路面.據(jù)貴州某地一年的氣溫資料顯示[3]，及通過實地調(diào)查，凝冰路面凝冰厚度一般在1～2.5 mm，本次試驗?zāi)穸热?.6 mm，灑水量為144 g.

1.2.2 試驗步驟

(1)將飽水試件冷凍8 h(采用石蠟填滿試膜間隙以防止水分流出).

(2)取出試件，測定其擺值及構(gòu)造深度；測完后在試件表面撒定量的水冷凍形成凝冰層；最后，測定試件表面凝冰情況下的擺值.

(3)將路面結(jié)冰的試件置于負(fù)溫的車轍儀箱內(nèi)進(jìn)行碾壓，每隔0.5 h測定一次碾壓后的擺值，并隨時觀察冰層的破碎情況.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混合料配合比的設(shè)計

本次試驗采用的改性瀝青，集料以及礦粉通過試驗驗證均滿足各項規(guī)范指標(biāo).根據(jù)國內(nèi)外使用經(jīng)驗，通過相關(guān)的級配設(shè)計理論，采用S型級配曲線.根據(jù)規(guī)范[4]要求對AC-16、OGFC-16、SMA-16進(jìn)行配合比設(shè)計，各級配曲線如圖1所示.

圖1 礦料級配曲線

通過試驗最后計算得到AC-16、OGFC-16及SMA-16的最佳油石比分別是4.0%、3.6%、5.4%.

2.2 凝冰條件下瀝青路面抗滑性能試驗結(jié)果分析

2.2.1 初始擺值和構(gòu)造深度結(jié)果分析

按相關(guān)規(guī)范對各三種級配路面進(jìn)行擺值和構(gòu)造深度的測定，其中試驗采用BM2型擺式摩阻儀測定路面擺值，其測試結(jié)果如表1所示.

表1 瀝青混合料結(jié)冰前后構(gòu)造深度和擺值

從表1可以看出：在結(jié)冰前，這三種級配中，OGFC-16的抗滑性能最好，而SMA-16的抗滑性能又要優(yōu)于AC-16；在凝冰條件下，初始構(gòu)造深度大對路面的抗滑性能有一定的積極作用；同時有研究表明[5-6]，對于OGFC這種內(nèi)部空隙率大的混合料試件，在少量灑水后由于水量的大量滲出，使得試件表面冰層基本忽略不計，擺值的減少量也很小.但是對于飽水的試件而言，即使灑水量較少，結(jié)冰后擺值減少量也比較大，說明飽水情況對凝冰路面的抗滑性能影響較大.

2.2.2 不同級配條件下抗滑性能衰減規(guī)律分析

本文對三種不同級配的瀝青路面在凝冰條件下的抗滑性能進(jìn)行試驗研究，其結(jié)果如圖2所示.

圖2 各試件擺值變化曲線圖

由結(jié)果可知，構(gòu)造深度越大，抗滑效果越好.對三種級配衰減時段比較可以發(fā)現(xiàn)，SMA-16和OGFC-16的衰減過程延續(xù)時間相對較短，AC-16的衰減延續(xù)時間最長，說明構(gòu)造深度大的路面在輪碾時的破冰效果相對較好，也說明凝冰時表現(xiàn)出的抗滑效果好.

2.2.3 不同輪壓條件下抗滑性能衰減規(guī)律分析

本次試驗選用AC-16混合料來進(jìn)行試驗，試驗采用0.7、0.9、1.1和1.3MPa四種輪壓情況，車輪行走作用次數(shù)為42 次/min，30 次/min測定一次擺值.由于車輪輪跡寬度限制，試驗僅考慮擺值的衰減研究，結(jié)果如圖3所示.

圖3 AC-16擺值變化曲線圖

由上圖可知，在試驗初期四種輪壓下的試件測定的擺值相差很小，說明他們的抗滑性能基本相同；而在一定輪載作用次數(shù)范圍內(nèi)，輪壓對凝冰條件下的路面抗滑性能影響較為明顯，但當(dāng)輪壓超過一定值后，輪壓的這種影響就不再明顯，出現(xiàn)上述情況主要是因為輪壓較大對路面冰層磨耗也較快，同時磨耗后路面出現(xiàn)一定積水，因此其抗滑性能相對較差，但又由于冰層的磨耗，部分集料或完全露出，其表層一定的構(gòu)造深度起到排水作用，所以0.9 MPa下的路面抗滑性能最差.

3 抗滑性能衰變模型

凝冰條件下瀝青路面抗滑性能的衰變過程有著一定的內(nèi)在規(guī)律性，同時因為條件不同而存在差異性.本文通過數(shù)學(xué)模型來模擬其抗滑性能，以輪壓和輪載作用次數(shù)因素為主要輸入變量，擺值BPN與輪壓P和輪載作用次數(shù)N的函數(shù)關(guān)系式可以表示為：BPN=f(P,N).

3.1 擺值BPN與荷載作用次數(shù)N之間的相關(guān)性分析

采用MATLAB軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)擬合，利用cftool曲線擬合工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，采用數(shù)據(jù)以0.7 MPa輪壓時AC-16的試驗數(shù)據(jù)為例，擬合曲線如圖4所示.

圖4 擬合曲線圖

經(jīng)過分析比較，選取式(1)中數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行擬合，模型如下：

(1)

由模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，模型(1)能較好的反映出擺值變化規(guī)律，因而可以在預(yù)估模型BPN=f(P,N)中引入變量a1·((T/2520)a2+a3)·exp(a4·T/2520+a5)+a6來模擬路面擺值BPN隨輪載次數(shù)N的變化情況.不同條件下AC-16瀝青路面擺值BPN隨荷載作用次數(shù)N的變化規(guī)律擬合結(jié)果如表2所示.

表2 擺值BPN與輪載作用次數(shù)N擬合結(jié)果表

3.2 擺值BPN與輪壓P之間的相關(guān)性分析

本文采用二次多項式來模擬路面擺值BPN隨輪壓P的變化，即：BPN=a1×P2+a2×P+a3，相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示.

表3 AC-16相關(guān)性分析表

3.3 預(yù)估模型BPN=f(N,P)

考慮到荷載作用次數(shù)N和輪壓P的不同對路面擺值BPN的影響程度也有所不同，因此在預(yù)估模型中引入P×N，以反映輪壓對于不同荷載作用次數(shù)的不同影響程度.綜上可知，路面擺值BPN隨輪壓P以及荷載作用次數(shù)N等變化的預(yù)估模型如下所示：

N/2520+a5)+a6P2+a7P

(2)

式中,BPN為擺值；N為輪載作用次數(shù)；P為輪壓，以MPa計；α1～α9為待定的回歸系數(shù).

通過MATLAB擬合，得到擬合相關(guān)系數(shù)0.88，說明預(yù)估模型能較好的反映出擺值隨不同輪壓以及不同荷載作用次數(shù)的變化.最終擬合公式如下所示：

BPN=-99.565·((N/2520)1.193+1.049)·

exp(-0.505·N/2520-1.425)+

15.324P2-35.071P-0.90P·

N+69.90

(3)

為了進(jìn)一步檢驗預(yù)估模型的精度，對試件實測值和模擬值進(jìn)行對比分析，實測值和預(yù)測值的對比分析，結(jié)果如圖5所示.從圖中可知，數(shù)據(jù)點均勻且集中的分布在y=x軸兩側(cè)，說明實測值與預(yù)測值顯示出較好的一致性，預(yù)估模型具有較高的預(yù)測精度.

圖5 試件實測擺值和預(yù)測值對比圖

建立的預(yù)估模型具有廣泛的適用性，僅通過預(yù)估模型就可以反映出實際路面擺值隨輪壓、軸載作用次數(shù)的不同而變化的規(guī)律，做到及早了解路面的抗滑性能，為應(yīng)急準(zhǔn)備的各個方面預(yù)先做出詳細(xì)的安排，降低交通事故率，減少各項資源的浪費.

4 結(jié)論

本文利用自行改制的車轍試驗儀，在室內(nèi)模擬條件下對不同路面類型的混合料進(jìn)行了抗滑性能的測試，研究不同輪壓與不同輪壓作用次數(shù)等條件對抗滑性能的影響，得出的主要結(jié)論如下：

(1) 在凝冰厚度相同的情況下，路面構(gòu)造深度越大，其抗滑性能越好；但構(gòu)造深度對路面抗滑性能的影響只能在冰層厚度一定范圍內(nèi)才有效;

(2) 輪壓較小時路面在經(jīng)過碾壓后表現(xiàn)出的抗滑性能較好；隨著輪壓的增加碾壓后的路面抗滑能力減小，但輪壓超過最不利輪壓后，其經(jīng)過碾壓后表現(xiàn)出的抗滑能力又有所提高;

(3) 凝冰條件下瀝青路面在輪載作用初期，擺值隨著輪載作用次數(shù)的增加迅速降低，隨著輪載作用次數(shù)的進(jìn)一步增加，擺值又呈現(xiàn)出逐漸上升的狀態(tài)，最終上升速率減緩并趨于穩(wěn)定;

(4) 凝冰條件下瀝青路面抗滑性能衰變的規(guī)律性可以通過合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，提出的模型擬合度較高，能很好的反映出抗滑性能變化的趨勢;

(5) 建立擺值BPN隨輪壓P以及荷載作用時間T等變化的預(yù)估模型，可以及早了解路面的抗滑性能，為應(yīng)急準(zhǔn)備的各個方面預(yù)先做出詳細(xì)的安排.

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Research on Skid Resistance Performance Attenuation of Iced Asphalt Pavement

YANG Chuanwen, ZHU Yunsheng, HUANG Xin, WANG Kaifeng

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Through self-improved rutting test instrument for indoor simulation experiments to explore the influence of the pavement types, and different thickness of ice and wheel pressure for the anti-sliding on the ice asphalt pavement performance, the variation rule of anti-sliding performance with the increasing number of wheel load was studied. The study shows that although there are differences in the test items and index, the trend of anti-slide performance in the distribution is broadly consistent. At the beginning of the wheel loads, the skid resistance value is decreased rapidly. With a further increase in the loading times, each value in a certain extent is increased gradually and finally tends to be stable. At the same time, fitting the regularity of anti-slide performance in icing conditions through establishing the appropriate model, the various factors on anti-slide of asphalt pavement and the differences of the performance decay law are reflected.

anti-sliding performance; icing condition; asphalt pavement；attenuation law；mathematical model

1673- 9590(2017)02- 0083- 05

2016-05-21 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51408446)

楊川文(1992-)，男，碩士研究生； 朱云升(1974-)，男，副教授，博士，主要從事路面病害處置的研究

A

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