空隙率對(duì)PAC路面抗滑特性的影響研究

張 杰

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

瀝青混凝土道路在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，相較于常規(guī)水泥混凝土道路，其有著較好的抗滑性能。但在目前應(yīng)用居多的是密級(jí)配瀝青路面材料，其抗滑能力仍相對(duì)有限，尤其是在降雨后，下降更明顯，從而影響到行車安全。

目前國(guó)內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)路面材料抗滑性能已有一定的研究基礎(chǔ)。長(zhǎng)安大學(xué)叢卓紅等[1]著眼于水泥混凝土路面紋理展開(kāi)研究，認(rèn)為其構(gòu)造包括微觀和宏觀兩方面，但并未針對(duì)路面材料空隙特性對(duì)抗滑性能的影響展開(kāi)具體的分析；李會(huì)哲[2]為解決高速公路路面材料抗滑性能不足的問(wèn)題，提出了一種抗滑表層施工技術(shù)，對(duì)施工工藝作出了具體的闡述，但并未對(duì)其表層瀝青路面材料的具體特性展開(kāi)分析；屈甜等[3]改進(jìn)出了一種薄層罩面并進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，研究其抗滑性能，得出HFC-3有著最佳路用性能的結(jié)論。利用水泥混凝土紋理特性實(shí)現(xiàn)路面抗滑，這一方案受限于水泥混凝土的性能缺陷，無(wú)法應(yīng)用到高速公路等場(chǎng)景。瀝青路面抗滑表層及薄層罩面技術(shù)則會(huì)一定程度上降低瀝青混凝土路面綜合路用性能。

而PAC路面有著應(yīng)用范圍廣、綜合路用性能好以及抗滑性能優(yōu)異的特征，因此可以對(duì)其抗滑性能影響因素展開(kāi)深入分析。東南大學(xué)的朱宇昊[4]設(shè)計(jì)了PAC-10和PAC-16兩種瀝青混合料，提出其具備較好的抗滑性能，但未對(duì)其具體影響因素展開(kāi)分析。蔣瑋等[5]重點(diǎn)分析了PAC瀝青路面材料空隙率的影響因素，認(rèn)為關(guān)鍵篩孔通過(guò)率是最為重要的原因，但未對(duì)空隙率影響路用性能及抗滑特性進(jìn)行進(jìn)一步探究。

PAC-13常作為瀝青路面上面層排水層材料，而PAC-20常作為雙層排水瀝青路面的中面層材料。本研究分別制備了5種不同空隙率的PAC-13瀝青混合料以及PAC-20瀝青混合料，選取摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度兩個(gè)指標(biāo)用以衡量PAC路面材料的抗滑特性，從而分別得到空隙率對(duì)PAC抗滑特性的綜合影響效果。本研究成果可為行業(yè)內(nèi)多孔瀝青路面材料的抗滑性能研究提供借鑒，促進(jìn)抗滑型瀝青路面材料的推廣與應(yīng)用。

1 PAC瀝青混合料理論選擇及組成設(shè)計(jì)

1.1 空隙率計(jì)算理論選擇

1.1.1 理論最大相對(duì)密度

現(xiàn)行規(guī)范[6]中規(guī)定了溶劑法和真空法兩種理論最大相對(duì)密度計(jì)算方案，本研究選取溶劑法對(duì)瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度進(jìn)行計(jì)算。

首先將干燥的瀝青混合料溶解于三氯乙烯溶劑，在25 ℃溫度環(huán)境下，檢測(cè)并計(jì)算理論最大相對(duì)密度γt：

(1)

式中：ma——試樣和溶劑總重(g)；

mb——試樣和瓶總重(g)；

mc——瓶重(g)；

me——裝滿溶劑時(shí)瓶重(g)；

γc——三氯乙烯相對(duì)密度，無(wú)量綱。

1.1.2 毛體積相對(duì)密度

考慮到本研究所成型PAC試件空隙率在15%以上，常規(guī)的蠟封測(cè)試法以及表干測(cè)試法對(duì)此類試件并不適用，因此本文采用了體積法進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。測(cè)量并計(jì)算得到毛體積V，利用式(2)計(jì)算得到毛體積相對(duì)密度γs：

(2)

式中：ma——試件干燥重(g)；

ρw——水的密度(g/cm3)。

1.1.3 空隙率計(jì)算

PAC瀝青混合料中的孔隙可以分成3種，其中連通空隙指的是能夠連通起來(lái)的空隙，起到儲(chǔ)水的作用，也能當(dāng)作排水通道；半連通空隙則是部分與其他空隙連通，同樣起到儲(chǔ)水的作用，但不能作為排水通道；而封閉空隙既不能起到儲(chǔ)水的作用，也不能作為排水通道。PAC瀝青混合料空隙率p的計(jì)算公式為：

(3)

1.2 PAC瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

1.2.1 原材料

PAC瀝青混合料有著大空隙的特征，需要高黏度瀝青將集料緊密粘結(jié)起來(lái)以提高荷載抵抗能力。本研究選用復(fù)合改性瀝青中的HVA高黏改性劑含量為8%，SBS改性瀝青含量為92%。

通過(guò)高速剪切機(jī)剪切后，將其置于烘箱中，設(shè)置溫度180 ℃，保溫發(fā)育20 min。復(fù)合改性高黏瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 復(fù)合改性高黏瀝青性能指標(biāo)數(shù)據(jù)表

粗細(xì)集料分別采用高強(qiáng)度玄武巖碎石和機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，所用填料為石灰?guī)r礦粉。

1.2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)于PAC瀝青混合料來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有研究表明其空隙率會(huì)受到4.75 mm及2.36 mm篩孔通過(guò)率的顯著影響[7]，因此在PAC級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)控制這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。PAC-13和PAC-20礦質(zhì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)方案如圖1和圖2所示。

圖1 PAC-13級(jí)配曲線圖

圖2 PAC-20級(jí)配曲線圖

1.2.3 最佳油石比

以第4組PAC-13級(jí)配為例，初試油石比范圍為3.7%～5.7%，間隔0.5%，對(duì)制備試件的析漏值進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出曲線圖擬合曲線的二階微分得到拐點(diǎn)。按照規(guī)范要求，通過(guò)析漏-油石比曲線圖拐點(diǎn)分析確定最佳油石比，如圖3所示。

圖3 PAC-13-4初擬油石比析漏圖

其他各組級(jí)配的最佳油石比確定同理，在此不再贅述計(jì)算過(guò)程，5組PAC-13最佳油石比分別為4.9%、4.5%、4.7%、4.8%以及3.6%；5組PAC-20最佳油石比分別為5.2%、4.4%、4.5%、4.2%以及3.6%。

1.2.4 空隙率

本研究通過(guò)上文方法測(cè)試并計(jì)算得到試件的毛體積相對(duì)密度以及最大理論相對(duì)密度，將其代入式(3)可以計(jì)算出空隙率，結(jié)果如表2所示。

表2 試件空隙率測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)表

2 路面組合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與成型

按照上文組成設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)輪碾儀制備得到車轍試件。而在實(shí)際的路面組合結(jié)構(gòu)中，又可以將排水路面區(qū)分為單層以及雙層兩種，二者的主要區(qū)別在于其中面層是否設(shè)置為排水性瀝青混合料。

為了達(dá)到室內(nèi)模擬的目的，本研究針對(duì)路面組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，參照工程實(shí)際應(yīng)用，得到了三類對(duì)照組，其中A組為上面層4 cm AC-13+中面層6 cm AC-20，即不透水組；B組為4 cm PAC-13+中面層6 cm AC-20，按照PAC-13的5種空隙率從小到大排列，分別為B1、B2、B3、B4以及B5，即單層透水組；C組為4 cm PAC-13+中面層6 cm PAC-20，將PAC-13和PAC-20，按空隙率從小到大的規(guī)律分別組合，分別為C1(空隙率16.32%+18.09%)、C2(空隙率18.09%+19.51%)、C3(空隙率19.64%+20.58%)、C4(空隙率20.89%+22.16%)以及C5(空隙率23.05%+24.29%)，即雙層透水組，如圖4所示。

圖4 路面組合結(jié)構(gòu)方案示意圖

通過(guò)分層壓實(shí)的方案成型三類路面組合結(jié)構(gòu)，首先對(duì)中面層試件進(jìn)行壓實(shí)并冷卻，充分冷卻完成后撒布適量乳化瀝青，隨后加鋪上面層瀝青混合料并壓實(shí)。

3 PAC路面材料抗滑機(jī)理分析

瀝青路面材料的抗滑性能可以用路面-輪胎間摩擦力來(lái)體現(xiàn)。具體涉及到路面材料表面形貌和輪胎材質(zhì)、花紋等。為控制變量，本研究?jī)H考慮從路面材料表面形貌角度出發(fā)。驅(qū)動(dòng)輪胎與PAC路面材料間的抗滑性能影響因素主要包括粘著剪切力和滯后能量損失。

3.1 粘著剪切力

當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪胎與PAC路面接觸時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生粘著作用，此時(shí)二者間的抗滑作用體現(xiàn)為橡膠輪套與瀝青混合料表面構(gòu)造瞬時(shí)的粘結(jié)力。并且該粘結(jié)力發(fā)生在粘結(jié)期間，當(dāng)粘結(jié)作用結(jié)束時(shí)，粘結(jié)力也隨之消失，其數(shù)值大小與粘著范圍內(nèi)PAC瀝青混合料表面的微觀構(gòu)造有關(guān)，如圖5所示。

圖5 瀝青混合料表面微觀構(gòu)造示意圖

其中圓弧代指混合料中集料表面，凸起尖銳部分則代指集料表層紋理特征。粘結(jié)作用發(fā)生時(shí)，除了粘著帶來(lái)的粘著力外，集料表層紋理也會(huì)因?yàn)橄鹉z輪胎的變形嵌入而產(chǎn)生部分剪切力。這兩者共同作用下的瞬時(shí)粘著剪切力總體數(shù)值體現(xiàn)為PAC路面材料的摩擦系數(shù)。

3.2 滯后能量損失阻力

瀝青混合料作為粘彈性材料，在荷載作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變滯后于應(yīng)力產(chǎn)生的特征，并伴隨滯后能量損失阻力。

當(dāng)輪胎荷載開(kāi)始作用時(shí)，輪胎內(nèi)部應(yīng)力變化情況可以簡(jiǎn)化為應(yīng)力-時(shí)間正弦變化模型：

σ=σmsin(ωt)

(4)

式中：σm——輪胎內(nèi)部最大應(yīng)力；

ω——輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

而對(duì)應(yīng)的輪胎應(yīng)變-時(shí)間模型則為：

ε=εmsin(ωt-δ)

(5)

式中：εm——輪胎內(nèi)部最大應(yīng)變；

δ——特征相位角。

伴隨著應(yīng)變-應(yīng)力滯后作用會(huì)產(chǎn)生能量損失，其數(shù)值可以表征為：

(6)

將其與式(4)和式(5)聯(lián)立，并且考慮到輪胎內(nèi)部最大應(yīng)力與最大應(yīng)變的比值為E(彈性模量)，可以計(jì)算得到能量損失W的變換式：

(7)

通過(guò)式(7)可以發(fā)現(xiàn)，最終影響到滯后能量損失阻力的根本原因?yàn)檩喬?nèi)部最大應(yīng)力以及特征相位角。考慮到特征相位角與輪胎材質(zhì)相關(guān)，而本研究認(rèn)為輪胎材質(zhì)為恒定值，所以滯后能量損失阻力僅與輪胎內(nèi)部最大應(yīng)力有關(guān)。

輪胎內(nèi)部應(yīng)力與車輛壓力F和接觸面積A有關(guān)，在壓力不變的情況下，則直接與路面構(gòu)造深度相關(guān)。設(shè)A′為等效接觸面積，則有：

(8)

隨著路面材料構(gòu)造深度的增加，有A′

4 空隙率對(duì)抗滑特性的影響數(shù)值分析

4.1 空隙率對(duì)PAC路面摩擦系數(shù)的影響

測(cè)試PAC路面材料摩擦系數(shù)的常見(jiàn)方案包括橫向力系數(shù)測(cè)定法(單輪或雙輪)和擺式儀測(cè)定法。考慮到模擬試驗(yàn)精確度以及操作難度問(wèn)題，本研究選取測(cè)試PAC路面材料摩擦系數(shù)的方案為擺式儀測(cè)定法。

測(cè)試前記錄測(cè)試環(huán)境溫度t，取試件碾壓方向及其垂直方向，分別測(cè)5個(gè)擺值數(shù)據(jù)，取其平均值，計(jì)算其摩擦系數(shù)μ：

μ=(BPNt+ΔBPN)/100

(9)

式中：BPNt——溫度t時(shí)所測(cè)擺值；

ΔBPN——對(duì)應(yīng)溫度修正擺值。

測(cè)得不透水組、單層透水組以及雙層透水組試件的摩擦系數(shù)μ的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

通過(guò)表3數(shù)據(jù)可以明顯發(fā)現(xiàn)，相較于單層透水B組和雙層透水C組總體平均摩擦系數(shù)，不透水A組的摩擦系數(shù)僅為0.71，遠(yuǎn)低于B組和C組。為了進(jìn)一步探究空隙率對(duì)各組試件摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，以各組對(duì)應(yīng)上面層PAC-13的空隙率作為橫坐標(biāo)，分析B組和C組試件碾壓方向和垂直方向的溫度修正后擺值，如圖6所示。

表3 摩擦系數(shù)μ相關(guān)數(shù)據(jù)表

分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，單層透水B組和雙層透水A組的擺值均隨著上面層PAC-13空隙率的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。垂直方向上的擺值相較于碾壓方向更大一些，這說(shuō)明碾壓方向的抗滑能力小于垂直方向，這是因?yàn)樵谀雺哼^(guò)程中試件上表面集料顆粒在受力作用下排列順序變整齊引起的。

圖6 擺值隨空隙率變化圖

在空隙率為16.32%～19.64%時(shí)，雙層透水組的擺值更大，這說(shuō)明雙層透水PAC在這一空隙率范圍內(nèi)有著更好的抗滑性能；而在空隙率為20.89%～23.05%時(shí)，則表現(xiàn)為單層透水PAC具備很好的抗滑能力。

為模擬實(shí)際工程中路面材料空隙率對(duì)路面抗滑特性的具體影響，取4組數(shù)據(jù)中的2組碾壓方向的摩擦系數(shù)與空隙率之間的變化趨勢(shì)圖，并對(duì)其進(jìn)行線性模擬，如圖7所示，擬合的各項(xiàng)特征指標(biāo)如表4所示。

表4 擬合指標(biāo)表

圖7 碾壓方向摩擦系數(shù)擬合結(jié)果圖

分析擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙層透水組的PAC路面，調(diào)整后的R2高達(dá)0.970 9，其摩擦系數(shù)增長(zhǎng)與空隙率有著很好的線性相關(guān)性。因此，在工程設(shè)計(jì)中采用此方案，能夠準(zhǔn)確控制路面的摩擦系數(shù)，有助于達(dá)到預(yù)期路面抗滑特性指標(biāo)。

4.2 空隙率對(duì)PAC路面構(gòu)造深度的影響

試件組的構(gòu)造深度的測(cè)試方案為手工鋪沙法。在清潔試件表面后，通過(guò)小鏟子鋪沙至測(cè)試筒內(nèi)，叩擊試件使其密實(shí)，繼續(xù)鋪沙至鋪滿后抹平，最終鋪沙體積V為25 cm3。通過(guò)鋪平板將砂子攤鋪完成后測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的直徑，得到二者平均值D，計(jì)算構(gòu)造深度TD：

(10)

得到的構(gòu)造深度值見(jiàn)表5，同時(shí)以各組對(duì)應(yīng)上面層PAC-13的空隙率作為橫坐標(biāo)，分析空隙率對(duì)兩類透水組試件構(gòu)造深度的影響，如圖8所示。

表5 構(gòu)造深度相關(guān)數(shù)據(jù)表

根據(jù)圖8可以明顯發(fā)現(xiàn)，單層排水組和雙層排水組試件構(gòu)造深度均隨空隙率增大而顯著提升，但不再滿足線性擬合規(guī)律。本研究嘗試采用Exponential函數(shù)非線性擬合，具體選用Exp Dec1單指數(shù)擬合方案。單層排水組和雙層排水組擬合程度均很高，調(diào)整后的R2分別為0.985 2和0.987 9，這表明該擬合方案能夠很好地反映構(gòu)造系數(shù)隨空隙率變化的規(guī)律，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。見(jiàn)表6。

圖8 構(gòu)造深度擬合結(jié)果圖

表6 擬合指標(biāo)表

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)PAC-13和PAC-20進(jìn)行了組成設(shè)計(jì)，各得到5組不同空隙率的試件，并設(shè)計(jì)了3種試件組，以分析空隙率對(duì)單層和雙層PAC路面抗滑特性的具體影響，主要得到了以下結(jié)論：

(1)驅(qū)動(dòng)輪胎與PAC路面材料間的抗滑性能影響因素主要包括粘著剪切力和滯后能量損失；(2)粘著力和集料表層紋理特征共同作用下的瞬時(shí)粘著剪切力總體數(shù)值體現(xiàn)為PAC路面材料的摩擦系數(shù)；(3)當(dāng)構(gòu)造深度增加時(shí)，產(chǎn)生的滯后能量損失阻力將會(huì)變大，代表著PAC路面材料的抗滑特性提升；(4)雙層透水PAC路面摩擦系數(shù)增長(zhǎng)與空隙率有著很好的線性相關(guān)性，單層排水和雙層排水PAC路面均符合Exp Dec1單指數(shù)擬合規(guī)律。

在工程設(shè)計(jì)中依照本研究擬合規(guī)律，能夠準(zhǔn)確控制路面的摩擦系數(shù)，有助于達(dá)到預(yù)期路面抗滑特性指標(biāo)，從而提升行車安全性。