刻槽填充彈性鋪裝路面破冰及抗滑性能評價

常曉娟

（陜西省高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064）

1 引言

在寒冷的冬季，許多高速公路和城市道路經常受到雨雪和冰凍天氣的影響，當降雪量較大或環(huán)境溫度持續(xù)降低時，路面可能長時間被冰雪層覆蓋，導致路面抗滑能力嚴重不足。研究數據表明，冰凍路段的交通事故率是正常氣候條件下的兩倍，傷亡率高達70%，特別是在隧道出入口、長陡坡和彎道等特殊路段，事故率更高[1，2]。冰雪環(huán)境下的路面防滑問題已經成為制約安全道路建設的關鍵問題。

傳統(tǒng)的路面被動除冰方法包括人工和機械除冰或噴灑融雪劑，但這些方法費時費力，而且氯化物等除冰劑會污染環(huán)境，腐蝕道路附屬設施[3，4]。因此，國內外學者開始研究改變傳統(tǒng)路面的材料組成或結構，使路面自身主動實現冰雪融化而不借助外部作用的主動除冰雪技術[5]。主動除冰雪技術由于自身的材料屬性或結構特性能夠融雪除冰，不需要再進行人工機械除冰或撒布融雪劑等傳統(tǒng)除冰雪工序，能夠在一定程度上節(jié)省養(yǎng)護費用，減少環(huán)境污染。20世紀90年代，日本學者Kiyoshi Takeichi 首次提出了刻槽填充彈性鋪裝路面的概念，研究發(fā)現在路面刻槽內部填充一種彈性材料，路面結構的破冰效果優(yōu)于傳統(tǒng)的粗糙表面，并且抗滑性能也更為優(yōu)異[6，7]。吉野敏弘等[8]以橡膠顆粒與聚氨酯樹脂的混合物制備出彈性填充材料，刻槽參數為9mm×10mm×60mm的矩形刻槽，以路面殘存率為評價指標，利用路面破冰試驗機對刻槽填充彈性路面的破冰性能進行評價。Yao T等[9]考慮力學性能、界面粘結性能以及施工和易性確定了彈性填充材料的最佳配合比。但目前仍缺乏針對彈性填充材料的填筑高度對刻槽填充彈性路面破冰性能影響的相關研究，以及刻槽填充路面在不同環(huán)境下的抗滑性能研究。

基于此，本文首先介紹刻槽填充彈性鋪裝路面的基本結構，通過理論分析闡述了刻槽填充彈性鋪裝路面的破冰機理。然后通過室內破冰試驗，研究彈性填充材料的填筑高度和冰層厚度影響下的刻槽填充彈性鋪裝路面的破冰性能。最后考慮干燥、潮濕、結冰三種表面環(huán)境，通過擺式摩擦系數測定儀，驗證刻槽填充彈性鋪裝路面的抗滑性能，研究結果可為刻槽填充彈性鋪裝路面的施工及推廣應用提供參考。

2 刻槽填充彈性路面的破冰機理

如圖1所示，刻槽填充彈性鋪裝路面是指在瀝青路面表面上進行刻槽，然后在刻槽內部填充一種高粘、耐久的彈性填充材料。由于這種填充材料的模量與瀝青路面相差較大，在車輛荷載的作用下，路面材料和填充材料的模量差異導致兩者交界處的冰層出現應力集中，產生的自應力將遠遠大于正常路面結構下冰層的內應力。當應力值大于冰層的強度時，冰層將自動斷裂破碎，此時路面刻槽及附近的瀝青混合料表面紋理露出，可以起到一定的防滑效果。在輪胎的垂直壓應力和橫向剪應力作用下，位于刻槽間的瀝青混合料上部的冰層會逐漸被輪胎磨損，從而達到整體路面冰層被破壞、原路面暴露的效果。

圖1 刻槽填充彈性鋪裝路面基本構造

3 試驗方案設計

3.1 刻槽填充彈性路面試件制備

選擇寬度為10 mm、深度為10 mm、間距為50 mm的矩形刻槽，彈性填充材料由聚氨酯和橡膠顆粒按一定比例制成[9]。在實驗室中成型30 cm×30 cm×5 cm 的AC-13 瀝青混合料試件板，用刻槽機對試件板進行開槽，并清洗刻槽中的灰塵，清洗結束后將其放置在通風處干燥。為了防止路面被彈性填充材料污染，沿刻槽邊緣處張貼膠帶，然后將制備好的填充材料填入膠管中，設置電動電槍的填充速度為0.5 m/min～1 m/min，沿刻槽邊緣緩慢而均勻地填充。在填充結束后的刻槽表面鋪上無紡布，用外徑為30 mm的鋼管手動壓實。壓實完成后，撕下無紡布條和膠帶，將試件板放置室溫下固化24h。

3.2 刻槽填充彈性路面的破冰性能

采用自主研發(fā)的路面破冰模擬試驗儀，設備如圖2所示。整個系統(tǒng)主要由輪碾系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)組成[10，11]。制冷系統(tǒng)可以自動準確地控制設備內的溫度，輪碾系統(tǒng)可以模擬車輪動載反復作用下路面的受力情況。碾壓輪采用光面橡膠輪，與路面的相互作用方式是純滾動。試驗儀器的主要參數為：橡膠輪寬度為50 mm；橡膠輪接地壓力為0.7 MPa；行走次數42次/min；溫度控制范圍0℃～-5℃，溫控精度為±0.5℃；試樣尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。

圖2 路面破冰模擬試驗儀

將試件板在冰箱中冷凍相應的冰層厚度，開啟破冰機電源，將試驗溫度設定為-5 ℃。當溫度恒定后，將冷凍試樣放在試驗平臺上保溫30 min，使試件板的溫度與設備中設定的環(huán)境溫度一致。啟動輪碾系統(tǒng)開始破冰試驗，隨時觀察試件板的冰面破損情況，根據不同的碾壓次數對試件進行拍照。

通過破冰試驗探討三種填筑高度對刻槽填充彈性鋪裝路面破冰性能的影響。填充材料填筑高度分別為高于刻槽表面、與刻槽表面平齊和低于刻槽表面（分別稱為上凸試件、平齊試件、下凹試件），如圖3所示。在-5℃的試驗溫度下，改變冰層厚度（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm），研究不同冰層厚度對刻槽填充彈性鋪裝路面破冰性能的影響。

圖3 不同填筑高度的刻槽填充路面試件板

3.3 刻槽填充彈性路面的抗滑性能

為了驗證不同環(huán)境下刻槽填充彈性鋪裝路面的抗滑性能，分別設置干燥、潮濕和結冰三種條件，對刻槽填充彈性鋪裝路面進行擺式摩擦系數測試，并對普通瀝青路面、刻槽路面（無填充材料）和刻槽填充彈性鋪裝路面的抗滑性能進行對比分析。

4 結果與討論

4.1 破冰試驗測試結果

圖4 為填充材料與刻槽表面平齊的刻槽填充路面的破冰效果二值圖像。不同填筑高度和不同冰層厚度試件板破冰率結果見表1。平齊試件和下凹試件在1mm 厚度的冰層時均具有較好的破冰效果，破冰率均能到達60%以上。隨著冰層厚度增加，填充材料平齊試件的破碎率要明顯高于下凹試件，這是因為下凹試件在填充材料表面的冰層厚度高于實際冰層厚度，較厚的冰層其強度也相對較高，從而相對更難破碎。同理，上凸試件在車輪荷載作用下破冰率較小，這是因為當填充材料覆蓋1mm 厚的冰層時，實際路表冰層厚度已超過1mm，路表冰層整體性較好，車輪的荷載難以破壞其結構?？滩蹫r青路面（未填充彈性材料）的破冰效果最差。這是因為當路面表面覆蓋1mm 厚度冰層時，刻槽內部的冰層和路表冰層錨固在路面表面，即使在荷載作用下路表冰層也難以破碎。由此得出四種不同試件的破冰效果排序為：平齊試件＞下凹試件＞上凸試件＞刻槽瀝青路面（未填充彈性材料）。

表1 破冰率計算結果

圖4 路面冰層破碎二值圖像

4.2 抗滑性能測試結果

圖5 為普通AC-13 瀝青路面、刻槽瀝青路面（未填充）、刻槽填充彈性鋪裝路面分別在干燥、潮濕和結冰條件下的BPN 測試結果。由圖5 可知，在干燥狀態(tài)下，三種路面類型BPN變化不大，刻槽填充路面略有上升；在潮濕狀態(tài)下，AC-13路面抗滑性能有所衰減，刻槽瀝青路面和刻槽填充路面抗滑性能相對衰減較??；在結冰狀態(tài)下，AC-13 和刻槽瀝青路面的抗滑性能衰減較大，而刻槽填充路面的抗滑性能只是略有衰減，表明刻槽填充路面在道路結冰時仍具有較好的抗滑性能。這主要是因為刻槽填充路面能夠在刻槽處提供與瀝青路面較大的力學反差，在車輪碾壓下，冰層局部區(qū)域產生一定的受力不均衡，導致冰層更易破碎，從而使得路面的抗滑性能不會有很大的衰減。相較于普通AC-13瀝青混合料，刻槽填充路面的抗滑性能在干燥、潮濕、結冰條件下分別提升了4.5%、10.8%、24.6%。在冰雪環(huán)境下刻槽填充路面的抗滑性能具有明顯優(yōu)勢。

圖5 三種環(huán)境下的刻槽填充路面BPN測試結果

5 結語

①刻槽填充彈性鋪裝路面依靠填充材料與瀝青路面的模量差異，使兩者交界處的冰層出現應力集中，從而在自應力作用下達到破冰效果。

②填充材料與路面表面平齊的刻槽填充彈性路面的破冰效果最優(yōu)，冰層厚度越大破冰率越小，但在冰層厚度為3mm時，破冰率仍可達到40.5%。

③三種環(huán)境下的路面抗滑性能測試排序均為：刻槽填充路面>刻槽瀝青路面（未填充）>AC-13 瀝青路面。與AC-13 瀝青路面對比分析，刻槽填充路面的抗滑性能在干燥、潮濕、結冰條件下分別提升了4.5%、10.8%、24.6%。