粗集料性質(zhì)對(duì)超薄磨耗層擺式摩擦系數(shù)的影響研究

褚晨楓， 李 雄, 劉宏富

(1. 武漢綜合交通研究院有限公司， 湖北 武漢 430015； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

瀝青路面的抗滑性是影響行車(chē)安全的重要因素之一[1]。新建瀝青路面的抗滑性能會(huì)因使用年限增加、環(huán)境因素及輪胎磨損的長(zhǎng)期共同作用不斷下降，逐漸喪失服務(wù)能力，嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性[2]。

瀝青路面超薄磨耗層技術(shù)是一種重要的瀝青路面養(yǎng)護(hù)手段，其造價(jià)較低、使用方便。對(duì)于超薄磨耗層而言，一方面要求其具有足夠優(yōu)秀的長(zhǎng)期抗滑性能，另一方面需在滿(mǎn)足功能性要求的基礎(chǔ)上盡量減少其鋪裝厚度，降低工程造價(jià)。

超薄瀝青磨耗層的長(zhǎng)期服役性能主要取決于其所使用粗集料的性質(zhì)[3]。目前我國(guó)對(duì)用于超薄磨耗層的SMA研究主要集中于SMA-10和SMA-5，由于4.75～9.5 mm的礦料粒徑之間大小相差較大，容易導(dǎo)致級(jí)配失控；在相同級(jí)配和相同瀝青含量情況下，SMA瀝青混合料的空隙率相差很大，導(dǎo)致瀝青混合料性能差異較大[4]。因此，本文參考國(guó)內(nèi)外級(jí)配設(shè)計(jì)，在4.75～9.5 mm粒徑的集料之間增加8 mm的控制篩孔，以更好地控制4.75～8 mm粒徑與8～9.5 mm粒徑集料的比例，并對(duì)適用于超薄磨耗層的SMA-8級(jí)配進(jìn)行各項(xiàng)性能的對(duì)比研究，同時(shí)考慮不同集料對(duì)其性能的影響，通過(guò)加速加載試驗(yàn)揭示超薄磨耗層抗滑性能的衰變規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步完善我國(guó)SMA類(lèi)超薄磨耗層技術(shù)有積極作用。

1 原材料選擇及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1SINOTPS高黏改性瀝青

SINOTPS高黏改性瀝青具有黏度高、抗剝落能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路的面層施工中，本文使用的SINOTPS高黏改性瀝青由70#道路石油瀝青改性得到。SINOTPS高黏改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SINOTPS高粘改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目針入度(25 ℃, 100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm彈性恢復(fù)(25 ℃)/%溶解度/%運(yùn)動(dòng)粘度(60 ℃)/(Pa·s)儲(chǔ)存穩(wěn)定性/℃RTFOT老化(163 ℃,5 h)質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm技術(shù)要求40～60≥75≥30≥85≥99≥20 000≤2.5±0.5≥70≥20測(cè)試結(jié)果51.384.595.2102.399.7143 8111.40.47931試驗(yàn)方法T 0604T 0606T 0605T 0662T 0607T 0620T 0661T 0609T 0604T 0605

1.1.2集料

試驗(yàn)采用石灰?guī)r、輝綠巖和玄武巖等3種粗集料，其中石灰?guī)r和玄武巖的最大公稱(chēng)粒徑為8 mm，輝綠巖最大公稱(chēng)粒徑分別為5、8、10 mm。細(xì)集料均為石灰?guī)r細(xì)集料。粗集料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粗集料的主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目壓碎值/%磨光值洛杉磯磨耗值/%表觀(guān)密度/(g·cm-3)毛體積密度/(g·cm-3)技術(shù)要求≤26≥42≤25≥2.6實(shí)測(cè)輝綠巖11.850.315.62.9472.905石灰?guī)r17.442.118.92.8912.798玄武巖13.147.313.62.9142.885試驗(yàn)方法T 0316T 0321T 0317T 0321T 0308

1.2 配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案

1.2.1級(jí)配曲線(xiàn)和配合比設(shè)計(jì)

目前高等級(jí)公路上面層多采用SMA類(lèi)型的瀝青混合料，SMA主要使用改性瀝青，同時(shí)添加纖維和提高粗集料的占比，因此可有效提升瀝青路面的抗磨耗與抗滑性能。本文以SMA級(jí)配為基礎(chǔ)，分別研究粗集料的種類(lèi)和最大公稱(chēng)粒徑對(duì)超薄磨耗層長(zhǎng)期抗滑性能的影響。設(shè)計(jì)了SMA-5、SMA-8、SMA-10等3種級(jí)配，其曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 3種SMA的級(jí)配曲線(xiàn)

研究集料種類(lèi)對(duì)超薄磨耗層的長(zhǎng)期抗滑性能影響時(shí)，選用粒徑相同(最大公稱(chēng)粒徑8 mm)但種類(lèi)不同的粗集料(石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖)制備超薄磨耗層。研究集料的最大公稱(chēng)粒徑對(duì)超薄磨耗層長(zhǎng)期抗滑性能的影響時(shí)，選用具有不同最大公稱(chēng)粒徑的輝綠巖作為試驗(yàn)所使用的粗集料。5種超薄磨耗層均添加木質(zhì)素纖維。5種磨耗層材料的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 超薄磨耗層配合比設(shè)計(jì)類(lèi)別最佳油石比/%空隙率/%礦料間隙率/%飽和度/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN流值/0.1 mmSMA-5(輝綠巖)7.33.918.271.29.333SMA-10(輝綠巖)6.23.417.783.27.934SMA-8(輝綠巖)6.83.118.281.76.7731SMA-8(石灰?guī)r)7.13.417.682.36.3527SMA-8(玄武巖)6.93.217.381.66.4335技術(shù)要求/3～4≥17.065～85>6.020～40

1.2.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

超薄磨耗層的長(zhǎng)期抗滑性能以擺值進(jìn)行評(píng)價(jià)，加載設(shè)備采用MMLS3小型加速加載試驗(yàn)機(jī)[5](見(jiàn)圖2)。加載時(shí)輪胎的接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，加載溫度為25 ℃，加載速度為6 000次/h，前10萬(wàn)次加載時(shí)以2萬(wàn)輪次為1個(gè)數(shù)據(jù)采集周期；10萬(wàn)次以后,以5萬(wàn)次為1個(gè)數(shù)據(jù)采集周期，記錄擺值，共加載100萬(wàn)次。

圖2 MMLS3型小型加速加載試驗(yàn)機(jī)

抗滑試驗(yàn)板分2層碾壓制成，尺寸為30 cm×18 cm×10 cm，其中，上層的磨耗層厚度為2 cm，下層AC-16瀝青混凝土厚度為8 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粗集料種類(lèi)對(duì)超薄磨耗層擺值的影響

3種不同粗集料制備的SMA-8超薄磨耗層擺值試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 3種不同粗集料SMA-8超薄磨耗層的擺值衰減曲線(xiàn)

圖4 3種SMA-8超薄磨耗層的擺值初始值、穩(wěn)定值和損失值比較

如圖3所示，不同粗骨料SMA-8超薄磨耗層擺值的初始值相近，但擺值的損失值略有差別。在經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次加載后，石灰石SMA-8的擺值損失值最大，輝綠巖和玄武巖SMA-8的擺值損失值相對(duì)較小。根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG 5142—2019)，如果擺值大于45，則認(rèn)為路面具有良好的抗滑性能，加載次數(shù)達(dá)到100萬(wàn)次時(shí)，石灰?guī)rSMA-8的擺值已經(jīng)小于45;玄武巖和輝綠巖的SMA-8的擺值損失率(損失率=損失值/初始值)約為34.0%，而石灰石SMA-8的擺值損失率達(dá)40.8%。擺值損失率以及擺值穩(wěn)定值的差異都表明粗集料的種類(lèi)對(duì)超薄磨耗層的擺值有影響。

為了深入探究粗集料的代表性指標(biāo)對(duì)超薄磨耗層擺值衰減的影響，采用灰度關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)評(píng)價(jià)粗集料的主要物理指標(biāo)進(jìn)行灰度關(guān)聯(lián)分析，某指標(biāo)的灰度關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果越接近于1，則代表該指標(biāo)的影響越大。參考序列和比較序列的初始值如表4所示。各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 參考序列和比較序列的初始值指標(biāo)石灰?guī)rSMA-8輝綠巖SMA-8玄武巖SMA-8磨光值40.247.149.3磨光損失值21.713.115.0洛杉磯磨耗值17.713.614.1壓碎值16.912.212.9 注: 磨光損失值=初始磨光值-經(jīng)磨損后的磨光值。

表5 灰度關(guān)聯(lián)分析計(jì)算結(jié)果關(guān)聯(lián)項(xiàng)目指標(biāo)石灰?guī)rSMA-8輝綠巖SMA-8玄武巖SMA-8平均值磨光值1.000.370.330.568擺值初始值磨光損失值1.000.340.360.568洛杉磯磨耗值1.000.330.340.556壓碎值1.000.330.350.560磨光值1.000.410.330.580擺值穩(wěn)定值磨光損失值1.000.330.360.565洛杉磯磨耗值1.000.330.330.555壓碎值1.000.330.330.553磨光值1.000.350.330.562擺值損失值磨光損失值1.000.330.410.581洛杉磯磨耗值1.000.330.350.562壓碎值1.000.330.370.569

如表5所示，在對(duì)擺值的初始值、穩(wěn)定值和損失值的灰關(guān)聯(lián)分析中，磨光損失值均具有較大的灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)，這說(shuō)明磨光損失值對(duì)超薄磨耗層的擺值衰減影響最為顯著。目前《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)僅對(duì)用于高速公路的粗集料磨光值指標(biāo)提出了要求，而根據(jù)灰度關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，磨光損失值對(duì)超薄磨耗層擺值的損失有顯著影響，因此，建議增加粗集料的磨光損失值作為評(píng)價(jià)表層粗集料耐磨性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 粗集料粒徑對(duì)超薄磨耗層擺值的影響

瀝青混合料中集料的最大公稱(chēng)粒徑是決定瀝青路面鋪裝厚度的最重要因素之一。在滿(mǎn)足瀝青路面性能的前提下，降低集料的最大公稱(chēng)粒徑可有效降低超薄磨耗層的鋪裝厚度，但是,目前降低粗集料粒徑對(duì)超薄磨耗層長(zhǎng)期抗滑性能的影響未知。

對(duì)以輝綠巖為粗集料的SMA-5、SMA-8和SMA-10等3種超薄磨耗層進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，其擺值試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 加速加載試驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示，經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次循環(huán)加載后，SMA-10擺值的損失率約為33.04%，SMA-8為34.41%，SMA-5為40.11%。這表明超薄磨耗層中粗骨料的最大公稱(chēng)粒徑同樣是影響擺值損失率的關(guān)鍵因素之一。

由于SMA-10和SMA-8中粗集料的尺寸大于SMA-5，超薄磨耗層中大粒徑的粗集料可以形成更好的表面紋理，因此在相同加載條件下，具有更大的擺值測(cè)量值。

2.3 超薄磨耗層擺值衰減規(guī)律及擬合分析

超薄磨耗層抗滑性能的衰減曲線(xiàn)接近于非線(xiàn)性指數(shù)函數(shù)關(guān)系，利用式(1)對(duì)5種超薄磨耗層擺值的衰減曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

Y=A+B·e-kx

(1)

式中:Y為擺式摩擦系數(shù)；x為加載作用次數(shù)；A、B、k均為擬合系數(shù)。

圖6 擺值衰減規(guī)律

由圖6可知，指數(shù)擬合結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地描述超薄磨耗層(R2≥0.985)抗滑性能(擺值)的衰減過(guò)程。分析擬合方程中的擬合參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，A值可以代表擺值穩(wěn)定值的預(yù)測(cè)，B值可以代表擺值損失值的預(yù)測(cè)值，A+B值可以代表擺值初始值的預(yù)測(cè)。

對(duì)擬合參數(shù)進(jìn)一步分析，繪制擺值的初始值、穩(wěn)定值、損失值的實(shí)測(cè)值以及預(yù)測(cè)值(見(jiàn)圖7)。

圖7 擺值實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較

如圖7所示，模型中初始值的預(yù)測(cè)值與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相近，但穩(wěn)定值的預(yù)測(cè)值卻與實(shí)測(cè)值相差較大。這說(shuō)明擺值的損失是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，隨著加載次數(shù)增加還會(huì)進(jìn)一步衰減并最終趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為了研究粗集料的種類(lèi)和最大公稱(chēng)粒徑對(duì)超薄磨耗層抗滑性能的影響，采用小型加速加載設(shè)備對(duì)5種不同超薄磨耗層進(jìn)行100萬(wàn)次加載試驗(yàn)，并對(duì)采集的擺值數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1) 擺值的損失與磨耗層所使用的粗集料種類(lèi)及最大公稱(chēng)粒徑均關(guān)系密切。經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次加載后，石灰?guī)rSMA-8的擺值損失率比另外兩種SMA-8超薄磨耗層(輝綠巖、玄武巖)高6.8%，SMA-5的擺值損失率比SMA-10高7.1%。

2) 灰度關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明，粗集料的磨光損失值對(duì)超薄磨耗層的擺值衰減有顯著影響。建議增加磨光損失值作為評(píng)價(jià)粗集料性能的指標(biāo)。

3) 揭示了加速加載條件下不同粗集料類(lèi)型、不同最大公稱(chēng)粒徑超薄磨耗層擺值的衰變規(guī)律；超薄磨耗層的擺值在加載前期衰減較快，隨著加載次數(shù)增多，損失速率會(huì)逐漸減慢。非線(xiàn)性指數(shù)擬合模型可以較好地預(yù)測(cè)超薄磨耗層抗滑性能的衰減。