積沙瀝青路面抗滑性能實(shí)驗(yàn)研究

潘境盛，趙 樺，王 勇

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

關(guān)于路面抗滑性能的研究一直以來(lái)備受中外學(xué)者的關(guān)注，并且從各個(gè)角度對(duì)瀝青路面的抗滑性能進(jìn)行研究。解曉光等[1]通過(guò)差異磨耗原理的方法從磨光性和表面紋理兩個(gè)方面研究不同巖石的長(zhǎng)期抗滑性能，并對(duì)SMA瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；Ivana等[2]通過(guò)瀝青路面宏觀結(jié)構(gòu)的平均輪廓深度和縱向摩擦系數(shù)來(lái)表征路面宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)抗滑性能的影響；Cong等[3]、范倩[4]基于細(xì)集料特性對(duì)瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)行研究；Bernhard等[5]通過(guò)表面噴砂的方法來(lái)恢復(fù)抗滑性能，并且依據(jù)14個(gè)試驗(yàn)路段的抗滑性能和交通量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，來(lái)研究抗滑性能的衰變；Yan等[6]制備4種類型的瀝青混合料試件，通過(guò)集料圖像測(cè)量系統(tǒng)研究道路融冰過(guò)程中路面抗滑性能的變化情況，認(rèn)為3～5 ℃時(shí)擺值最低。Wang等[7]研究認(rèn)為，集料形態(tài)特征與瀝青路面抗滑性能有密切關(guān)聯(lián)；肖鵬飛等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了冰雪、油污、輪胎屑以及泥土等附著物存在的工況下水泥路面的抗滑性能；閆夢(mèng)華等[9]利用擺式摩擦系數(shù)儀測(cè)定不同溫度下3種類型的瀝青混合料在干燥、潮濕、積水、結(jié)冰以及冰水混合情況下的摩擦系數(shù)，得出溫度和廣義水環(huán)境下對(duì)路面抗滑性能的影響規(guī)律；Plati等[10]通過(guò)收集雨季和非雨季的抗滑數(shù)據(jù)，量化研究了季節(jié)變化對(duì)路面抗滑的影響；Kane等[11]研究了路面集料硬度參數(shù)與抗滑性能的影響；熊劍平等[12]通過(guò)自行研發(fā)的加速磨耗裝置，研究了瀝青混合料級(jí)配類型和粗集料特性對(duì)抗滑性能衰變的影響。張維仁等[13]認(rèn)為集料的磨光值衰減規(guī)律與同種碎石的瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律一致；周興林等[14]研究表明抗滑性能因體積指標(biāo)的不同而存在差異，其中孔隙率對(duì)抗滑性能的影響最大；車輛能否在路面上安全行駛?cè)Q于輪胎與路面的接觸情況[15]，尤其是在潮濕、積水、冰雪、積沙等附著介質(zhì)時(shí)，路面條件較差。

綜上可知，目前仍缺少對(duì)積沙瀝青路面抗滑性能影響因素的研究，為此，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，選取兩種集配類型的瀝青混合料，研究其在積沙環(huán)境下以及受溫度影響下的抗滑性能，以得到積沙量和溫度對(duì)抗滑性能的影響規(guī)律。

1 原材料技術(shù)特性

1.1 風(fēng)積沙

風(fēng)積沙粒徑、含泥量、含水量測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)積沙性能檢測(cè)結(jié)果

1.2 瀝青

實(shí)驗(yàn)采用70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)檢測(cè)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 粗集料

粗集料采用石灰?guī)r集料，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)檢測(cè)可能對(duì)瀝青混合料抗滑性能造成影響的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，且磨光值等指標(biāo)都符合規(guī)范要求，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 粗集料性能檢測(cè)結(jié)果

1.4 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

兩種混合料各篩孔的通過(guò)率如表4所示，最佳油石比和孔隙率如表5所示。

表4 兩種級(jí)配的通過(guò)百分率

表5 兩種級(jí)配對(duì)應(yīng)的孔隙率及油石比

2 溫度對(duì)積沙瀝青路面抗滑性能的影響

2.1 溫度對(duì)BPN的影響

為研究溫度對(duì)BPN的影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)溫控箱，分別測(cè)試在無(wú)積沙狀態(tài)下-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30 ℃時(shí)AC-13和AC-16車轍板試件的BPN值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，在-20 ℃到30 ℃范圍內(nèi)，兩種類型的混合料BPN值隨溫度有著相同的變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)為先降低再升高。在-20 ℃到-5 ℃這一階段，隨著溫度的升高，BPN值逐漸減小，在試驗(yàn)過(guò)程中，由于溫度過(guò)低，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)，在試件表面形成細(xì)小的白色霜粒，在測(cè)試過(guò)程中擺式摩擦系數(shù)儀的橡膠滑塊與小霜粒之間會(huì)有黏結(jié)，使得擺值變大，并且溫度越低這種現(xiàn)象越明顯；隨著溫度的增加，在-5 ℃時(shí)，由于橡膠滑塊摩擦產(chǎn)生的熱對(duì)試件產(chǎn)生影響，試件表面的霜粒消失，空氣中的水分會(huì)在試件表面結(jié)冰，此時(shí)試件表面的擺值最小；在-5 ℃到15 ℃這個(gè)階段，擺值隨溫度的升高而增大，且增長(zhǎng)率較大；在15 ℃到30 ℃之間，擺值隨溫度的升高而增大的幅度減小，因?yàn)榇藭r(shí)溫度小于瀝青軟化點(diǎn)溫度，瀝青軟化程度不大，對(duì)擺值的影響不大，使得增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢。

圖1 無(wú)積沙狀態(tài)下不同溫度的BPN

2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)溫度下的擺值修正

在擺值的測(cè)試過(guò)程中，路面溫度對(duì)擺值的影響不可忽略，因此根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》需要對(duì)擺值進(jìn)行溫度修正，式(1)為溫度修正公式，修正值如表6所示。

BPN20 ℃=BPNt+ΔBPN

(1)

式中：BPN20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的擺值；BPNt為溫度為t時(shí)路面擺值；ΔBPN為溫度修正值。

根據(jù)溫度修正公式對(duì)不同溫度下的擺值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溫度的修正，不同溫度下的擺值及修正結(jié)果如表7所示。

表7 不同溫度下的BPN及修正值ΔBPN

由于集料表面有一層瀝青薄膜，所以溫度對(duì)抗滑值的影響較為顯著，由表7可知，兩種瀝青混合料集配類型的溫度擺值變化規(guī)律仍然一致，隨著溫度的增加修正后的擺值較修正之前的變化幅度增大，瀝青混合料為溫度敏感性材料，因此，溫度越高其抗滑性能變化越顯著。

3 積沙量對(duì)抗滑性能的影響

3.1 積沙量與BPN的關(guān)系

為探究路面積沙量對(duì)擺值的影響，通過(guò)在車轍板試件上均勻撒布不同質(zhì)量的沙的方法來(lái)測(cè)試試件擺值。積沙量通過(guò)一定質(zhì)量的沙均勻鋪滿整個(gè)車轍板試件來(lái)控制，測(cè)試前先用毛刷清理干凈試件表現(xiàn)，接著將事先稱量好的沙均勻?yàn)M整個(gè)試件，測(cè)試完成之后，用毛刷將試件表面的沙清理干凈，以此方法多次重復(fù)至試驗(yàn)完成，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 積沙量與BPN的關(guān)系

從圖2可以看出，兩種混合料的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相同的規(guī)律，總體上分為3個(gè)階段，先緩慢下降，緊接著下降幅度增大，最后當(dāng)積沙量達(dá)到某一值時(shí)趨于平緩，此時(shí)摩擦性能相對(duì)較差，且AC-13和AC-16變化趨勢(shì)基本一致。

3.2 積沙量與BPN衰減率的關(guān)系

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件表面沙覆蓋量為10 g時(shí)，與無(wú)積沙狀態(tài)相比差別不大，兩種混合料的BPN值均下降1%左右，分析認(rèn)為，由于孔隙率的存在，使得一部分沙進(jìn)入路面空隙中，且只占了整個(gè)空隙的一小部分，加之沙的粒徑分布主要集中在0.25～0.075，因此對(duì)路面摩擦系數(shù)影響很??；隨著積沙量的不斷增加，路面空隙逐漸被沙粒填滿，宏觀構(gòu)造變小，粗糙度逐漸降低，因此這一階段BPN值急劇下降，AC-13和AC-16較上一階段下降幅度分別為36.1%和32.7%，當(dāng)積沙量為50 g時(shí)，AC-13試件表面空隙完全被沙粒填充，而AC-16表面空隙仍然留有富余；積沙量超過(guò)50 g時(shí)，AC-13的BPN值下降幅度很小，幾乎趨于穩(wěn)定，此時(shí)沙粒處于試件表層以上，有之前的橡膠滑塊與路面的接觸變成橡膠滑塊與沙粒之間的接觸，且由原來(lái)的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)由試件摩擦系數(shù)變?yōu)樯沉Ｅc橡膠滑塊之間的摩擦來(lái)控制，因此，之后隨著積沙量的增加，BPN值也基本保持不變，達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)；而AC-16因?yàn)闃?gòu)造深度略大于AC-13，因此，BPN值還會(huì)隨著積沙量的增加有一個(gè)緩慢的下降過(guò)程，下降幅度為9.4%，當(dāng)積沙量達(dá)到80 g時(shí)趨于穩(wěn)定，如圖3所示，此時(shí)摩擦系數(shù)主要由沙粒和橡膠滑塊之間的摩擦來(lái)控制。

圖3 積沙量與BPN衰減率的關(guān)系

依據(jù)DoseResp模型對(duì)其進(jìn)行非線性回歸分析，通過(guò)擬合，發(fā)現(xiàn)BPN值能夠很好地符合DoseResp模型，積沙量與BPN值的關(guān)系擬合度均大于0.99，結(jié)果如表8所示。在積沙量不斷增加的過(guò)程中，首先一部分沙粒填充了試件的部分空隙，降低了試件表面的粗糙程度，阻礙了輪胎與路面凸起構(gòu)造的咬合作用；接著，由于積沙量的不斷增加，部分沙粒高出了試件表面的凸起構(gòu)造，使得輪胎與路面沒(méi)法完全接觸，在此過(guò)程中BPN的衰減率不斷增加，在橡膠滑塊與試件表面的接觸過(guò)程中，很容易使得沙粒發(fā)生遷移，同時(shí)也伴隨著表面瀝青膜的細(xì)微磨耗，因此，在此階段BPN的衰減率會(huì)有所波動(dòng)；當(dāng)沙粒在試件表面完全形成覆蓋層時(shí)，沙粒滾動(dòng)與橡膠滑塊與試件宏觀構(gòu)造間，三者形成一個(gè)微軸承系統(tǒng)，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，BPN隨之衰減，但衰減率逐漸減小。

表8 BPN值衰減方程及衰減參數(shù)

4 環(huán)境因素與BPN值的灰色關(guān)聯(lián)分析

為研究溫度和積沙量?jī)煞N因素對(duì)積沙瀝青路面抗滑性能的影響，采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，將修正后的BPN為參考序列，以不同溫度和不同積沙量條件下的BPN作為比選序列來(lái)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)境因素與BPN值的灰色關(guān)聯(lián)度

由圖4可知，積沙量的灰色關(guān)聯(lián)度大于溫度的灰色關(guān)聯(lián)度，分別為AC-13瀝青混合料中積沙量為0.994 8，溫度為0.526 8，AC-16瀝青混合料中積沙量為0.939 8，溫度為0.566 8。兩者均對(duì)BPN產(chǎn)生較為顯著的影響，但積沙量的影響遠(yuǎn)大于溫度的影響。分析認(rèn)為，當(dāng)沙粒作為一種介質(zhì)出現(xiàn)在瀝青路面上時(shí)，首先改變的是路面原有的宏觀構(gòu)造，并且使得路面微凸體相對(duì)減少，降低了對(duì)汽車輪胎的微切削作用，同時(shí)沙粒在車輪荷載作用下對(duì)微凸體有沖擊作用，因此路面抗滑性能降低，當(dāng)積沙量不斷增加時(shí)，這種效果越來(lái)越明顯，直至積沙覆蓋路面，阻斷了車輪與路面的接觸，且兩種混合料中，積沙量的灰關(guān)聯(lián)度分別為溫度的1.88和1.65倍，故路面積沙量是影響積沙瀝青路面抗滑性能的主要因素。

5 結(jié)論

1)路面抗滑性能因路面狀況和路面是否有介質(zhì)物而存在很大的差異，路面清潔時(shí)的抗滑性能表現(xiàn)最為良好，當(dāng)路面存在積沙時(shí)，對(duì)路面抗滑性能的不利影響極為顯著，摩擦系數(shù)明顯降低，并且因路面構(gòu)造深度的不同而導(dǎo)致下降幅度各不相同，AC-16的下降幅度略小于AC-13。

2)路面清潔狀態(tài)下，溫度成為影響路面抗滑性能的主要影響因素，-5 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的BPN為極小值，之后隨著溫度的增加而增加。

3)積沙狀態(tài)下，隨著積沙量的不斷增加，路面抗滑性能逐漸降低，衰減幅度表現(xiàn)為先緩慢增加，接著急劇增加，而后急劇減小，最后緩慢減小，且兩種級(jí)配類型變化規(guī)律一致。依據(jù)DoseResp模型進(jìn)行非線性擬合，符合積沙狀態(tài)下的抗滑衰減規(guī)律。

4)利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，建立了溫度和積沙量?jī)梢蛩嘏c抗滑性能之間的關(guān)聯(lián)度排序，積沙量是影響積沙瀝青路面抗滑性能的主要因素。

本文僅研究了AC-13和AC-16兩種混合料集配類型在溫度和積沙量條件下的抗滑性能變化規(guī)律，在以后的工作中將進(jìn)一步擴(kuò)充，得到更加完善的積沙瀝青路面抗滑性能衰變模型。