瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

解曉光, 劉東旭， 陳 賀

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150090)

目前中國(guó)規(guī)范對(duì)瀝青路面抗滑指標(biāo)的要求，主要是對(duì)原材料粗集料磨光值和瀝青路面交工驗(yàn)收時(shí)橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度的要求，這些指標(biāo)僅體現(xiàn)了瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)原材料抗滑指標(biāo)的要求和瀝青路面服役初期的抗滑性能. 對(duì)新建瀝青路面而言，這些抗滑指標(biāo)-摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度均能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，但在車輛荷載反復(fù)作用下，瀝青路面整體抗滑水平會(huì)有不同程度的衰減，一般在使用半年時(shí)由于輪胎的磨耗作用，使得瀝青路面表面的瀝青膜逐漸磨掉，露出集料的表面紋理，這時(shí)路面抗滑性能達(dá)到峰值，隨后隨著車輛輪胎的反復(fù)作用，集料表面豐富紋理逐漸磨光，使得瀝青路面的抗滑性能逐漸下降，并在3 a左右趨于穩(wěn)定階段[1]. 因此，對(duì)于道路抗滑性能而言，更應(yīng)關(guān)注路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中抗滑性能的衰變情況，在抗滑性能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)使抗滑指標(biāo)值仍能保持在一個(gè)較高范圍內(nèi). 同時(shí)中國(guó)優(yōu)質(zhì)石料資源有限，抗滑表層對(duì)原材料要求嚴(yán)格，如何既能保證瀝青路面表面層的功能性性能，尤其是長(zhǎng)期抗滑性能，又能提高筑路當(dāng)?shù)刭Y源利用率，成為道路工作者關(guān)心的問(wèn)題. 近年來(lái)，文獻(xiàn)[2]針對(duì)法國(guó)優(yōu)質(zhì)集料匱乏的現(xiàn)狀，采用閃長(zhǎng)巖和石灰?guī)r粗集料混合，進(jìn)行磨耗值和磨光值測(cè)試，證明摻配后集料的磨耗值和磨光值優(yōu)于兩種石料中磨耗值和磨光值偏低的石料. 文獻(xiàn)[3]研究表明將具有高磨光值的石料與低磨光值的石料按不同比例混合能有效改善具有低磨光值石料的抗磨光性能. 文獻(xiàn)[4]對(duì)兩種集料間隔排列進(jìn)行磨光值測(cè)試，發(fā)現(xiàn)摻配后集料的磨光值低于高磨光值集料的數(shù)值，但明顯高于低磨光值集料的數(shù)值，且提高幅度高達(dá)40%. 文獻(xiàn)[5]的研究指出：很多國(guó)家將不同種類的集料混合以提高路面的抗滑性. 文獻(xiàn)[6]采用天然砂和石灰?guī)r細(xì)集料和玄武巖粗集料，研究不同細(xì)集料對(duì)瀝青路面抗滑性能的影響. 研究表明，細(xì)集料的性質(zhì)影響瀝青混合料的構(gòu)造深度，細(xì)集料為石灰?guī)r石屑的瀝青混合料的構(gòu)造深度明顯高于采用細(xì)集料為天然砂的，提高幅度達(dá)25%以上. 這些均表明通過(guò)將高磨光值和低磨光值的集料進(jìn)行摻配，能夠提高磨光值較低集料的抗磨光性能[7]. 對(duì)優(yōu)質(zhì)集料匱乏地區(qū)，可以采用磨光值較高的集料進(jìn)行摻配使用，不僅可以降低造價(jià)，而且提高瀝青路面的長(zhǎng)期抗滑性能. 因此，本文在自制“溫控輪式加速磨光系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上提出瀝青路面抗滑耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)利用石灰?guī)r和安山巖在磨光性和表面紋理等方面的差異，進(jìn)行SMA瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，使瀝青路面在輪胎與路面交互作用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)路面表面宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的結(jié)構(gòu)性再生，確保路面具有良好的抗滑耐久性.

1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法與原材料

本研究分別采用Form Talysurf PGI 1240機(jī)械觸針式輪廓儀[8]、粗集料磨光值試驗(yàn)儀和自制的溫控輪式加速磨光系統(tǒng)測(cè)試的Ra指標(biāo)(輪廓偏距的算術(shù)平均值)、磨光值和擺值終值用來(lái)評(píng)價(jià)集料表面紋理、集料的抗磨光性能和瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能.

1.1 溫控輪式加速磨光系統(tǒng)

溫控輪式加速磨光系統(tǒng)由輪式加速磨光機(jī)和溫控系統(tǒng)組成，如圖1所示. 輪式加速磨光機(jī)主要由硬件系統(tǒng)和機(jī)器操控系統(tǒng)組成. 硬件系統(tǒng)由小車組件、輪胎組件、支架護(hù)欄、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)壓系統(tǒng)及供水供砂系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速供砂供水、通過(guò)加壓系統(tǒng)調(diào)整輪載大小，從而實(shí)現(xiàn)輪胎與路面間相互作用的真實(shí)模擬. 可以同時(shí)試驗(yàn)4個(gè)方盤(pán)試件(30 cm×30 cm). 溫控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)-30～60 ℃控溫，精度≤0.005 ℃.

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度為(20±1) ℃，通過(guò)不同接地壓強(qiáng)的對(duì)比試驗(yàn)，確定磨光程度適中的接地壓強(qiáng)為0.2 MPa[9]，撒水量為(35±5) mL/min，30號(hào)金剛砂用量為(8±2) g/min，作用次數(shù)為8 640次，磨光前期每180次、磨光中后期每540次時(shí)測(cè)量試件的擺值和構(gòu)造深度，采用Asymptotic模型[10-11]進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，擺值終值作為瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.2 原材料

選用來(lái)自不同產(chǎn)地的4種瀝青路面面層石料[12]，根據(jù)中國(guó)相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)程，測(cè)得各項(xiàng)集料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，均滿足相應(yīng)規(guī)范[13]的技術(shù)要求：壓碎值≤26%,磨耗值≤28%,磨光值≥42 PSV. 瀝青采用盤(pán)錦90# SBS改性瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表1 集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 90# SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 集料的磨光性能

2.1 單一集料的磨光性能

為了解集料的長(zhǎng)期磨光性能，按相應(yīng)規(guī)范[14]要求制備4種集料的磨光試件，并將磨光時(shí)間從3 h延長(zhǎng)至6 h. 測(cè)定15、30 min等不同磨光時(shí)間下的集料磨光值和表面紋理Ra，其變化趨勢(shì)如圖2所示.

由圖2可知，隨著磨光時(shí)間的增長(zhǎng)，4種集料試件的磨光值基本呈現(xiàn)出先增大，后逐漸減小并最終趨于相對(duì)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；表面紋理呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì). 且從磨光過(guò)程中可見(jiàn)，安山巖2的磨光值最差，兩種石灰?guī)r的表面紋理指標(biāo)Ra相對(duì)較差.

2.2 摻配集料的磨光性能

為研究不同性質(zhì)集料摻配后的抗磨光能力，選用磨光值不同的安山巖2和石灰?guī)r2集料，分別按照1∶1、2∶1的質(zhì)量比制備磨光試件，具體摻配方式如圖3所示. 與規(guī)范[14]的集料磨光值試驗(yàn)步驟相同，只是延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間至6 h，測(cè)不同磨光時(shí)間下集料的磨光值，變化趨勢(shì)如圖4所示.

從圖4可以得出，將磨光值和表面紋理不同的兩種集料進(jìn)行不同比例的摻配可以明顯提高集料的整體抗磨光性. 安山巖2和石灰?guī)r2以2∶1比例混合后的集料磨光值提高了10.9%. 兩種集料的磨光值和表面紋理差別越大，越有利于提高摻配后集料的整體抗磨光性能. 研究成果還需從摻配后瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能得以驗(yàn)證.

(a)磨光值隨時(shí)間變化曲線

(b)Ra隨時(shí)間變化曲線

(a)摻配方式1 (b)摻配方式2

圖4 集料摻配后的磨光值曲線

3 瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能

瀝青混合料級(jí)配采用的是SMA-13型級(jí)配中值，如圖5所示，木質(zhì)素纖維摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.3%，最佳瀝青用量為5.4%.

圖5 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

3.1 基于差異磨耗原理的集料摻配

差異磨耗原理體現(xiàn)在微觀與宏觀兩個(gè)方面. 微觀表現(xiàn)在單個(gè)集料上，由于其組成礦物含量和硬度的不同，導(dǎo)致集料在磨光過(guò)程中產(chǎn)生差異磨耗. 宏觀表現(xiàn)在不同耐磨性能的集料混合在一起，在長(zhǎng)期磨光過(guò)程中，集料間產(chǎn)生差異磨耗，形成次生的宏觀紋理，從而保持瀝青路面具有良好的抗滑性能. 基于宏觀差異磨耗原理設(shè)計(jì)出不同性質(zhì)集料不同摻配比例的瀝青混合料進(jìn)行加速磨光試驗(yàn). 磨光過(guò)程中，根據(jù)觀察試件實(shí)際被磨光的情況，每隔一定時(shí)間，采用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀和激光紋理測(cè)試儀進(jìn)行擺值和構(gòu)造深度的測(cè)定，以獲得試件抗滑性能變化曲線. 集料的摻配方式主要分為以下兩種：一種為粗集料不變，細(xì)集料分別采用安山巖和石灰?guī)r，見(jiàn)表3；另一種為細(xì)集料不變，粗集料采用安山巖和石灰?guī)r按不同(質(zhì)量)比例進(jìn)行摻配，見(jiàn)表4. 表中A1代表安山巖1,A2代表安山巖2,S1代表石灰?guī)r1，S2代表石灰?guī)r2；A1+S1表示粗集料為安山巖1，細(xì)集料為石灰?guī)r1；70%A130%S1+A1表示粗集料為70%安山巖1和30%石灰?guī)r1，細(xì)集料為安山巖1；80%A220%S2+A2表示粗集料為80%安山巖2和20%石灰?guī)r2，細(xì)集料為安山巖2，其他依此類推.

3.2 不同性質(zhì)細(xì)集料摻配后的抗滑性能

成型不同性質(zhì)細(xì)集料摻配后的瀝青混合料試件(表3)，進(jìn)行加速磨光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線如圖6所示.

表3 第1種摻配方式

由圖6可以看出，不同性質(zhì)細(xì)集料與粗集料摻配后的瀝青混合料試件的擺值和構(gòu)造深度衰減過(guò)程均表現(xiàn)為磨光初期衰減較快，磨光后期衰減逐漸趨于緩慢，最終基本維持在某一穩(wěn)定值. 文獻(xiàn)[15]對(duì)實(shí)體道路工程的跟蹤調(diào)查得出，瀝青路面摩擦系數(shù)在道路運(yùn)營(yíng)初期衰減速度較快，經(jīng)過(guò)2～3 a后衰減趨于平緩，基本穩(wěn)定在某一水平. 由此可見(jiàn)，室內(nèi)研究結(jié)論與實(shí)體工程抗滑性能衰變規(guī)律一致. 同時(shí)，從變化曲線可以觀察到，抗滑指標(biāo)處于穩(wěn)定的階段是整條曲線的主體部分，這表明瀝青混合料抗滑指標(biāo)穩(wěn)定終值更能較好地評(píng)價(jià)于瀝青路面使用過(guò)程中的抗滑性能. 因此，將擺值穩(wěn)定階段的最終值作為瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖6還可以看出：1)利用不同性質(zhì)粗細(xì)集料的礦物組成不同、表面紋理不同所形成的差異磨耗能夠不同程度地提高瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能，提高幅度1～2 BPN；2)不同粗細(xì)集料制備出的瀝青混合料的構(gòu)造深度與同一集料制備瀝青混合料的基本相同，說(shuō)明細(xì)集料性質(zhì)的改變對(duì)其宏觀構(gòu)造基本沒(méi)有影響.

表4 第2種摻配方式

(a)粗集料為A1時(shí)，擺值衰減擬合曲線

(c)粗集料為A2時(shí)，擺值衰減擬合曲線

(b)粗集料為A1時(shí)，構(gòu)造深度衰減擬合曲線

(d)粗集料為A2時(shí)，構(gòu)造深度衰減擬合曲線

3.3 不同性質(zhì)粗集料摻配后的抗滑性能

成型不同性質(zhì)粗集料摻配后的瀝青混合料試件(表4)，進(jìn)行加速磨光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線如圖7所示.

(a)細(xì)集料A1時(shí)，擺值衰減曲線

(c)細(xì)集料A2時(shí)，擺值衰減曲線

(e)細(xì)集料S2時(shí)，擺值衰減曲線

(b)細(xì)集料A1時(shí)，構(gòu)造深度衰減曲線

(d)細(xì)集料A2時(shí)，構(gòu)造深度衰減曲線

(f)細(xì)集料S2時(shí)，構(gòu)造深度衰減曲線

圖7 不同粗集料摻配后抗滑指標(biāo)隨磨光作用次數(shù)變化

Fig.7 Changes of skid resistance with the number of polishing times after blending different coarse aggregates

由圖7可以看出，無(wú)論是何種摻配方式，瀝青混合料試件的擺值和構(gòu)造深度的衰減均經(jīng)歷了一個(gè)先急后緩，最終基本趨于穩(wěn)定的過(guò)程：1)不同性質(zhì)粗集料的摻配對(duì)瀝青混合料的宏觀構(gòu)造(構(gòu)造深度)影響不明顯，但對(duì)其微觀構(gòu)造(擺值)影響較為顯著；2)圖7(c)可以得出，不同性質(zhì)粗集料按不同比例摻配后的擺值明顯高于單一安山巖集料的擺值，提高了3 BPN；圖7(e)表明，對(duì)石灰?guī)r2而言，不同性質(zhì)粗集料的摻配可以提高其長(zhǎng)期抗滑性能，摻配比例不同，提高幅度不同，最高可達(dá)5 BPN. 3)對(duì)比圖7(a)、7(c)、7(e)可以發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r1和安山巖1摻配后的擺值提高幅度沒(méi)有石灰?guī)r2和安山巖2摻配后提高幅度大，主要是由于石料A1與S1磨光值差異較小，相差僅0.8 PSV，而集料A2與S2磨光值差異相對(duì)較大，相差1.3 PSV，因此，圖7(c)、7(e)中A2與S2不同摻配比例下獲得的瀝青混合料在輪胎加速磨光過(guò)程中更容易產(chǎn)生差異磨耗，從而形成的再生的微觀紋理，表現(xiàn)出較高的擺值. 由此可見(jiàn)，基于不同性質(zhì)集料間的差異磨耗，在一定范圍內(nèi)，瀝青混合料所選用的兩種不同性質(zhì)集料，其磨光值差別越大，在最佳摻配比例下，其摻配后瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能表現(xiàn)得越好.

4 結(jié) 論

1)“溫控輪式加速磨光系統(tǒng)”可以用來(lái)評(píng)價(jià)路面的長(zhǎng)期抗滑性能. 根據(jù)瀝青混合料磨光過(guò)程中構(gòu)造深度和擺值的衰減變化規(guī)律，提出采用擺值衰減達(dá)到穩(wěn)定階段的終值作為瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).

2)采用不同種類粗、細(xì)集料摻配制備的瀝青混合料，集料類型和摻配比例對(duì)瀝青混合料的宏觀構(gòu)造(構(gòu)造深度)影響不明顯，但對(duì)瀝青混合料的微觀構(gòu)造(擺值)影響較顯著.

3)基于不同集料的差異磨耗原理，兩種集料磨光值的差異性越大，其摻配后瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能表現(xiàn)得越好.

4)石灰?guī)r所含硬質(zhì)礦物含量少、耐磨性差，但通過(guò)與磨光值高、所含硬質(zhì)礦物多的集料進(jìn)行粗集料摻配，在最佳摻配比例下可以明顯提高摻配后瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能，擺值穩(wěn)定值可以提高5 BPN左右.